水泥廠煙氣中溫選擇性催化還原技術中試研究*

朱思佳 郭旸旸 王東書 羅 雷 李 晶 母佰龍 宋杰明 朱廷鈺,3#

(1.中國科學院過程工程研究所，濕法冶金清潔生產技術國家工程實驗室，過程污染控制工程研究中心，北京 100190；2.邯鄲金隅太行水泥有限責任公司，河北 邯鄲 056299；3.中國科學院城市環境研究所，區域大氣環境研究卓越創新中心，福建 廈門 361021)

NOx的大量排放已造成多種嚴重的大氣環境污染問題，如酸雨、光化學煙霧等[1-2]。我國大部分NOx來自于工業源排放，特別是電力、水泥、冶煉等行業[3-4]。水泥行業NOx排放量約占全國NOx總排放量的15%，是繼電力行業后NOx的第二大工業排放源。近年來，隨著電力行業超低排放改造的完成，水泥行業開始面臨NOx的減排壓力[5]。為推進水泥行業NOx減排，各地方政府相繼出臺了相關排放要求。江蘇省要求水泥行業在2019年6月1日前達到NOx排放質量濃度≤100 mg/Nm3；河北省規定自2022年1月1日起水泥生產企業的NOx排放質量濃度≤50 mg/Nm3；河南省要求到2021年，NOx標準限值升級至50 mg/Nm3，并且將氨逃逸問題列入了監測要求。

目前，水泥行業一般采用低氮燃燒和選擇性非催化還原(SNCR)技術控制NOx，其脫硝效率一般為50%～70%，NOx排放質量濃度為200～400 mg/Nm3[6]。學者們嘗試加大噴氨量來提高脫硝效率，發現效果并不理想[7-8]，而且會導致尾端氨逃逸增加，造成二次污染[9-11]。隨著標準的趨嚴，水泥行業現有脫硝技術已基本無法滿足超低排放的需求。

廣泛應用于電力行業超低排放改造的選擇性催化還原(SCR)技術具有脫硝效率高、氨逃逸低等優點[12]。然而，水泥行業煙氣與電力行業不同，水泥行業煙氣中粉塵濃度極高，且粒度細(20 μm左右)，還含有大量的CaO、CaCO3等組分，易導致催化劑的積灰、磨損及中毒等問題，制約了SCR技術在水泥行業的應用[13-14]。因此，開發適用于水泥行業的SCR技術非常必要。溫度是水泥行業應用SCR技術必須考慮的因素[15]。目前，國內外水泥廠已對高溫SCR進行了不少研究，有些已經實現了中試或示范應用[16-18]。但對于中溫SCR，國內外均無成熟的示范應用。因此，開發適用于水泥行業的中溫SCR技術有望實現水泥行業中溫實際煙氣的直接脫硝[19]。

本研究在某水泥廠4 500 t/d的新型干法水泥生產線的余熱發電高溫風機后增加中溫SCR反應器，并進行中試，結合計算流體力學(CFD)流場模擬，對SCR反應器內的顆粒物分布及流場進行分析，全面分析此中試工藝的脫硝效果，并探究了工藝的影響因素。

1 試驗方法

在某水泥廠4 500 t/d的新型干法水泥生產線的余熱發電高溫風機后增加中溫SCR反應器，并進行中試，新增裝置主要包括3個部分：靜電除塵系統(ESP)、SCR反應器和噴氨系統，其中SCR反應器長1.95 m、寬1.01 m、高7.30 m。煙氣參數由連續排放監測系統(CEMS，2000BS)、自動煙塵分析儀(3012H)、紅外煙氣分析儀(MGA 6 plus，德國MRU公司)和氨逃逸分析儀(RB 120 P，加拿大優勝公司)進行檢測記錄。

2 試驗結果與討論

2.1 中溫SCR反應器流場模擬結果

利用流體力學軟件FLUENT進行了CFD流場模擬，主要模擬了SCR反應器內速度分布、壓力分布和氨濃度分布，網格數約110萬個，以燃煤為燃料，煙氣計算參數見表1，計算得到SCR反應器的邊界條件見表2。

根據SCR反應器內各截面的速度分布情況可知，在合理的導流板和整流格柵布置下，煙氣進入SCR反應器內部催化劑層時流場趨于均勻，無局部高速區，也無低速死角，催化劑層流場良好，有利于脫硝反應的進行。

根據SCR反應器內各截面的壓力分布情況可知，主要壓力損失集中在彎道和催化劑層。經計算，兩層催化劑的反應器壓降為275 Pa，隨運行時間的推移，壓降會增大。

根據SCR反應器內氨濃度分布情況可知，經噴氨格柵、導流板及整流格柵調整后，氨濃度分布趨于均勻，能夠滿足脫硝反應要求。

2.2 中溫SCR反應器中試運行效果

由表3可見，在空速為2 000 h-1、ESP電壓為60 kV、吹灰周期為1 h、反應溫度為180 ℃的條件下，中溫SCR反應器脫硝效率雖不能穩定在80%以上，但基本可以達到80%，可滿足超低排放的需求。水泥廠原有的SNCR反應器氨逃逸質量濃度為68～99 mg/Nm3，中溫SCR反應器可以有效降低氨逃逸濃度，但由于SCR反應器入口NOx濃度已經較低，前端逃逸的氨不能全部參與反應，所以在SCR反應器出口仍有一定的氨逃逸。

中溫SCR反應器出口的NOx濃度在線監測數據見圖1。由圖1可見，脫硝效果受工況影響會有一定的波動，但中溫SCR反應器出口NOx質量濃度基本可基本穩定在10～30 mg/Nm3，可基本滿足小于50 mg/Nm3的超低排放要求。由此可見，中試運行穩定，脫硝效果較好。

2.3 空速對脫硝效率的影響

固定ESP電壓為60 kV、吹灰周期為1 h、反應溫度為180 ℃，在1 100～2 000 h-1的空速條件下測試中溫SCR反應器的中試脫硝效率，結果見圖2。隨著空速的升高脫硝效率降低，原因為：空速升高導致煙氣停留時間變短，煙氣和催化劑的接觸時間變少，NOx被還原的概率變小。但本研究中空速為1 100～2 000 h-1，脫硝效率都能超過80%，可以滿足超低排放的需求，因此建議選擇煙氣停留時間短的空速(2 000 h-1)。

表1 煙氣計算參數

表2 SCR反應器邊界條件

表3 中溫SCR反應器煙氣組分測試結果

圖1 中溫SCR反應器出口NOx質量濃度在線監測數據Fig.1 On-line monitoring data of NOx mass concentration at medium temperature SCR reactor outlet

圖2 空速對脫硝效率的影響Fig.2 Effect of space velocity on denitration efficiency

2.4 ESP電壓對脫硝效率的影響

固定空速為2 000 h-1、吹灰周期為1 h、反應溫度為180 ℃，在55～65 kV的ESP電壓條件下測試中溫SCR反應器的中試脫硝效率，結果見圖3。隨著ESP電壓從55 kV升高至65 kV，脫硝效率升高了1.62百分點，說明ESP電壓對脫硝效率有一定的影響，ESP電壓主要是通過影響粉塵濃度而影響脫硝效率的。圖3中脫硝效率都在80%以上，可以滿足超低排放的需求。因此，ESP電壓為55～65 kV是可行的。

圖3 ESP電壓對脫硝效率的影響Fig.3 Effect of ESP voltage on denitration efficiency

2.5 反應溫度對脫硝效率的影響

固定空速為2 000 h-1、吹灰周期為1 h、ESP電壓為60 kV，受水泥廠條件的限制，此次測試僅在177～203 ℃的溫度范圍內測試中溫SCR反應器的中試脫硝效率，結果見圖4。隨著反應溫度的升高脫硝效率升高，當反應溫度超過190 ℃后，脫硝效率超過80%，滿足超低排放的需求。實際中試中由于考慮到能耗的問題，反應溫度采用了180 ℃，若條件允許，后續建議采用200 ℃，這樣基本可以保證脫硝效率穩定超過80%。

2.6 吹灰周期對反應器壓降的影響

吹灰周期過長，會導致催化劑堵塞，脫硝效率下降，甚至造成催化劑的不可逆損壞；吹灰周期過短，會導致能源浪費，聲波吹灰器損耗加快。不同類型的催化劑所需的吹灰周期不同，找到適合催化劑的最佳吹灰周期在實際工程運行中可以使經濟效益最大化。本研究的催化劑為釩基脫硝催化劑。固定空速為2 000 h-1、反應溫度為180 ℃、ESP電壓為60 kV，設置吹灰周期為1、2 h和吹灰器關閉3種條件，考察反應器壓降的變化，結果見圖5。在吹灰器關閉的情況下，反應器壓降隨著時間延長總體呈升高趨勢，壓降變化較大，運行14 h壓降升高了近30%。本研究的水泥廠粉塵粒度細，在催化劑孔道內容易被吸附，吹灰器關閉就容易導致反應器壓降逐漸上升。吹灰周期為2 h時，雖然反應器壓降較穩定，但總體壓降較大。在實際工程應用中，吹灰周期應小于2 h。

圖4 反應溫度對脫硝效率的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on denitration efficiency

圖5 吹灰周期對反應器壓降的影響Fig.5 Effect of ash cleaning interval on reactor pressure decrement

3 結 論

在新型干法水泥生產線的余熱發電高溫風機后增加中溫SCR反應器，并進行了中試研究，反應器內流場均勻，無局部高速區，也無低速死角，催化劑層流場良好，主要壓力損失集中在彎道和催化劑層，氨濃度分布均勻，有利于脫硝反應的進行。中試結果表明，脫硝效率可基本達到80%，出口NOx質量濃度可基本穩定在10～30 mg/Nm3，基本滿足超低排放的要求。在1 100～2 000 h-1的空速和55～65 kV的ESP電壓條件下，脫硝效率均超過80%。建議反應溫度采用200 ℃，吹灰周期小于2 h。