SCR脫硝技術在水泥行業(yè)應用的探索性研究

張媛媛（鐘山職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210049）

0 前言

以氨作為還原劑的SCR（選擇性催化還原）脫硝技術最早由美國Englehard公司于1957年取得專利，該技術采用白金為催化劑，因成本昂貴，限制了其工業(yè)應用。至1980年日本成功開發(fā)了釩/鈦基催化劑后，SCR煙氣脫硝技術在日本得到工業(yè)應用，1985年引入歐洲，1999年我國福建漳州后石電廠引入該技術[1]。隨著該技術的不斷成熟，除了在火電行業(yè)獨領風騷外，SCR在非電行業(yè)（鋼鐵、焦化、玻璃）也得到了廣泛的應用[2]。SCR技術在水泥窯的應用研究最早可以追溯到上世紀七十年代，日本Zosen公司在兩個預熱器窯和一個濕法窯上進行了中試，NOx脫除效率最高可達98%[3]。1996年，瑞士ELEX公司在奧地利Kirchdorf水泥廠進行了為期兩年的SCR中試試驗[4]，SCR反應器入口煙氣溫度300～400℃，含塵約80g/m3，NOx脫除效率為84.4%，（標況下）氨逃逸小于5 mg/m3。中試應用的成功拉開了SCR脫硝技術在水泥行業(yè)應用研究的帷幕。

1 SCR技術在水泥行業(yè)的應用研究

研究主要集中在催化劑的開發(fā)（V2O5（WO3）/TiO2催化劑、貴金屬催化劑、過渡金屬復合氧化物新型催化劑、鐵基硫酸鹽SCR催化劑、沸石類催化劑、稀土類催化劑、TiO2載體金屬氧化物低溫催化劑等）[5-6]、SCR反應器工藝布置方式（高溫高塵（反應器布置在C1與余熱鍋爐之間）、高溫中塵（反應器布置C1、高溫電收塵與余熱鍋爐之間）、中溫高塵（反應器布置在余熱鍋爐與高溫風機之間或是增濕塔出口后）、低溫低塵（反應器布置在窯尾除塵器與窯尾排風機之間）、吹灰系統(tǒng)的選擇優(yōu)化[耙式蒸汽（壓縮空氣）吹灰、聲波吹灰]，概而言之，研究的方向主要是解決SCR催化劑及反應器對水泥行業(yè)高含塵煙氣（50～100g/m3）的適用性問題，如催化劑活性、壽命、催化劑孔隙堵塞、催化劑磨蝕、催化劑堿金屬中毒失活等。歐洲作為環(huán)境保護的先進地區(qū)，SCR脫硝應用研究走在了世界的前頭。表1為SCR脫硝系統(tǒng)在部分歐美洲國家水泥廠應用情況[7-8]。到目前為止，SCR脫硝系統(tǒng)在歐洲水泥行業(yè)已有十幾年成功運行經(jīng)驗。

表1 歐洲水泥廠SCR應用情況

我國水泥窯SCR脫硝應用研究起步較晚，主要是由于SCR系統(tǒng)投資、運行成本相對較高、彼時國產(chǎn)催化劑不能滿足高塵工藝要求，需進口，且SNCR+分級燃燒技術能滿足NOx排放環(huán)保要求。但隨著水泥行業(yè)環(huán)保標準的提高，NOx的排放限值越來越低，SCR技術開始凸顯其高效率、超低排放的優(yōu)勢。國內(nèi)科研院校、企業(yè)聯(lián)合加大了這一技術的研發(fā)力度，以期引領市場。表2為國內(nèi)部分科研院所、企業(yè)聯(lián)合水泥企業(yè)在SCR應用所做的嘗試工作，均取得了一定的成績，推動了SCR在水泥行業(yè)的應用[9-12]。其中的佼佼者有中材環(huán)保、西礦環(huán)保和海螺水泥。

表2 部分國內(nèi)企業(yè)SCR中試應用研究情況

2018年，登封宏昌投資約4000萬元，在SNCR脫硝系統(tǒng)基礎上，增設電收塵+SCR脫硝裝置。該裝置由西安西礦環(huán)保科技有限公司設計，2018年10月通過專家組驗收，NOx排放濃度可穩(wěn)定在50mg/m3以下，氨逃逸小于3 ×10-6，系統(tǒng)阻力約1000Pa，C1出口溫度降低10℃左右。目前項目已穩(wěn)定運行兩年。2019年，海螺引進蒂森克虜伯SCR技術，投資4000萬元左右在其濟寧5000t/d生產(chǎn)線增設高塵SCR系統(tǒng)，于當年8月投產(chǎn)，系統(tǒng)阻力400Pa。項目情況如表3所示。至此，SCR脫硝技術在中國水泥工業(yè)的應用研究與國際并軌。

表3 中國水泥企業(yè)SCR工業(yè)應用情況

2 應用中存在的問題

從應用情況來看，SCR脫硝技術完全可以達到水泥行業(yè)超低排放的要求。限制其大規(guī)模應用的原因主要基于以下幾點：

（1）投資高。相較于分級燃燒+SNCR組合式脫硝技術，其投資約為其20～30倍；

（2）運行成本高。現(xiàn)有水泥工業(yè)SCR脫硝系統(tǒng)主要采用奧地利CERAM、德國KWH和瑞士ELEX催化劑，催化劑成本占到總成本的50%左右，運行維護費用相對較高，而國產(chǎn)催化劑尚未完全解決堵塞、磨蝕、中毒等問題，一旦運行過程中發(fā)生堵塞造成燒成系統(tǒng)紊亂，影響相對較大；

（3）大多國內(nèi)SCR脫硝設計單位缺乏SCR脫硝技術在水泥行業(yè)高塵環(huán)境下的設計應用經(jīng)驗，催化劑清灰防堵技術有待提高；

（4）SCR脫硝系統(tǒng)占地較大，而現(xiàn)有水泥廠鮮有空間，布置難度大；

（5）失效SCR催化劑為危險廢物，須妥善處置。

3 結語

SCR脫硝技術為水泥行業(yè)NOx綠色減排提供了一條可靠的路線。但仍存在一次性投資大、催化劑有待國產(chǎn)化、系統(tǒng)占地大，老生產(chǎn)線進行改造空間布局困難、毒性V2O5/TiO2催化劑老化后的回收等問題。因此，研發(fā)高效經(jīng)濟、適用水泥行業(yè)煙氣狀況的催化劑（種類、孔數(shù)、節(jié)距、厚度）仍是研發(fā)的重點。同時，結合水泥窯煙氣特性，研究催化劑的合理布置及其吹灰方法，有效解決其堵塞磨蝕等問題也是重中之重。可以預見，隨著SCR應用研究的不斷深入，水泥行業(yè)環(huán)保要求的日趨嚴格，SCR脫硝技術必將在水泥工業(yè)占有一席之地。