水泥工業SCR脫硝技術探究

魏榮

（成都建筑材料工業設計研究院有限公司，成都610056）

1 水泥工業NO x 控制標準發展

隨著燃煤機組超低排放改造應用的有效推廣，火電行業實現了污染物大幅減排，同時也引發了工業生產行業間排放標準的不平衡性發展。而正是行業間標準不平衡發展，導致大氣污染治理工作重點慢慢轉向了非電行業。而在水泥生產領域對于污染物，尤其是NOx排放標準也越發嚴格。發展至今，水泥生產污染物排放物中顆粒物、SO2、NOx的排放限值分別為顆粒物＜10mg/Nm3、SO2＜20mg/Nm3、NOx＜100mg/Nm3，這就要求水泥生產在現有技術設備基礎上進行全面升級[1]。目前，我國部分省市已經開展了水泥爐窯SCR 脫硝試點試行工作。隨著水泥污染排放物地域間標準不平衡發展，整個行業標準不斷收嚴，SCR 脫硝技術必將成為主流趨勢。

2 SCR脫硝原理、主流工藝和設備配置

隨著選擇性催化還原（SCR）脫硝技術在火電廠、燃煤鍋爐中的應用越來越成熟，SCR 脫硝技術在水泥生產中的應用的可能性大幅度提升。為進一步推動SCR 脫硝技術在水泥廠中實際應用，加強對SCR 脫硝原理、工藝、設備的應用分析探討極為重要。

與SCR 脫硝技術在火電行業應用領域原理相同，水泥生產中的應用基本原理也是在催化劑作用下，利用氨基來對煙氣中NOx進行還原，得到不具備污染性的N2和H2O，主要反應式如下：

水泥生產排污煙氣中也存在SO2等氣體，在O2作用下SO2會被氧化為SO3，進而在SCR 催化劑作用生成不具備污染性的硫酸銨與硫酸氫銨。

值得注意的是，NH4HSO4具備較強的黏附性，黏附在催化劑上會隔絕催化劑與污染物接觸，使得催化劑失效。在230℃高溫下，NH4HSO4才會發生分解，所以，反應爐中的溫度應控制在230℃以上，為了是反應充分，通常將溫度控制在300℃左右，超過400℃將會使催化劑燒結失效[2]。

SCR 反應器是進行脫硝反應核心設備。在反應器內部，催化劑是以整體模塊形式布置，液氨蒸發，匯總氨水稀釋只有噴入煙道入口與煙氣充分結合。此過程中波形對入口的煙氣NOx濃度、溫度，NH3/NO 摩爾比，以及催化劑孔速進行合理調整，確保進入勻速、均勻，才能實現較高NOx脫除率，避免較大氨損失。在進行反應處理之前可通過虛擬層來對流場均勻性進行模擬分析，進而確定合適的流速與濃度比例。此外，通過在催化劑前端設置金屬過濾網，減輕催化劑堵塞、腐蝕問題。

在水泥工業SCR 脫硝處理過程中，不同SCR 反應器位置主要可將配置分為中溫高塵、中低溫高塵、低溫低塵3 種[3]。中溫高塵SCR 反應器布置于預熱器與余熱鍋爐中間位置，溫度為320～360℃，因此，催化劑具備較強選擇性，脫硝效率與硫化物轉化率都較高，但是催化劑極易中毒失效，且會導致下游設備出現硫銨鹽沉積。中低溫高塵SCR 反應器布置在余熱鍋爐與高溫風機之間，溫度通常約為250℃，反應煙氣量較之中溫高塵類型有所降低，成本也較低，導致仍然存在一定的高粉塵的問題與催化劑活性偏低問題。低溫低塵SCR 反應器則布置在除塵器后，溫度在150℃之下，煙氣量與濃度最低，催化反應效率不高，需確保SO2濃度小于10mg/Nm3，此時脫硝率也僅約為70%。

3 水泥工業運用SCR脫硝技術研究

3.1 SCR催化劑

釩鈦基、沸石、活性炭都是較為常見的SCR 催化劑，其中釩鈦基適宜溫度為270～400℃，沸石為300～440℃，活性炭為100～150℃。而釩鈦基催化劑應用最為廣泛。SCR 催化劑具備平行流催化劑顯著特性，蜂窩、平板、波紋板都是釩鈦基催化劑較為主流結構形式。蜂窩與波紋催化劑的應用原理基本一致，都是將載體進行處理形成小孔來增加反應接觸面積，平板催化劑的基材通常是以不銹鋼金屬網格，采用負載活性成分壓制而成。水泥工業生產含塵濃度通常為50～100g/Nm3，遠比燃煤煙氣要大，蜂窩催化劑具備壁厚大、活性成分負載率高、接觸面積大的特點，因而更為適用水泥工業生產。

催化劑使用投資以及置換過程都需要耗費大量成本，占據著SCR 脫硝處理整體費用較大比例，因此，提高催化劑在SCR 管理提升其使用壽命極為重要。理論上SCR 催化劑能夠無限期使用，然而在實際上由于物理化學作用，以及催化劑表面被反應化合物黏附，都會是催化劑失效，因此，在選擇催化劑時還應選擇使用壽命較長的、性能穩定的催化劑。值得注意的是，SCR 催化劑也是危險物品，所以，在對廢棄催化劑進行處理時必須由專業危險廢物處理廠處理，或者由供應商回收集中處理。

3.2 抗高塵技術

水泥爐窯高塵SCR 脫硝處理的煙氣含塵濃度高達50～100g/m3，煙氣飛灰沉積在催化劑表面會導致催化劑孔隙被堵住，并會對催化劑造成腐蝕，煙氣流通面積逐漸變小，降低了SCR 脫硝反應效率。因此，必須注意及時清除催化劑表面積灰，為SCR 脫硝反應器高效運行提供保障，而蒸汽吹灰器與聲波吹灰器是當前應用較為廣泛的清灰技術設備。

蒸汽吹灰器的應用原理是借助高壓蒸汽噴射沖擊力對催化劑表面積灰進行清除，蒸汽必須具備與反應相當的溫度，避免低溫蒸汽降低催化劑性能。一般來說，蒸汽壓力控制在0.6～1.0MPa 為宜，溫度較相應壓力飽和溫度要高出50～100℃。聲波吹灰器的使用主要是借助將壓縮空氣能轉化為聲波，聲波振動會破壞黏附在催化劑上面的灰粒子，使其懸浮隨煙氣沖刷帶走。發生頭將攜帶能量的壓縮空氣轉化為高強聲波，使灰粒子和空氣分子產生振動，破壞灰粒子黏附在催化劑表面，使之處于懸浮流化態，通過煙氣流的沖刷帶走。結合實際應用情況，蒸汽吹灰器具備更為明顯效果，但也存在一定缺陷，如需要使用高溫蒸汽，會對余熱鍋爐熱效產生較大影響，同時也需要消耗大量熱能。

3.3 環境經濟效益分析

水泥工藝SCR 脫硝技術應用經濟效益的計算，主要是以每噸NOx減少量所投入的建設與運行成本的計算為主，同時減排成本也是技術環評可行性評價的主要經濟指標。因此，在評價NOx去除技術應用的經濟效益過程中，除了需要考慮單位NOx減排成本之外，還需要對SCR 脫硝技術應用對于SO2、氨、汞等其他污染物治理的綜合效益。

4 結語

水泥生產是我國工業經濟中重要組成部分，但是我國在水泥脫硝技術應用方面起步較晚，隨著水泥工業大氣污染物排放標準的進一步提升，非催化還原（SCR）脫硝改造在我國水泥生產行業全面推行。隨著超低排放標準的實施，水泥工業SCR 脫硝技術應用經濟成本高居不下成為水泥生產領域發展重要制約因素，加強對水泥工業SCR 脫硝技術經濟分析將有利于水泥脫硝技術以及整個行業NOx減排效果的提升。