新型脫硝技術在水泥窯系統中的應用研究*

郭新干

(合肥水泥研究設計院有限公司 合肥 230051)

前言

水泥窯系統在運行過程中，除了產出目標產物水泥熟料以外，還會生成高含量的氮氧化合物，對空氣造成嚴重污染，給生態環境帶來多方面的消極作用。為改善此類情況，國家加大對新型脫硝技術的投入力度，并運用在水泥窯系統的運行過程中，把氮氧化合物分解成無害的氮氣與水，促使水泥窯系統的生產過程轉變成可持續發展的綠色生產過程。

1 水泥行業脫硝技術應用現狀

根據國家頒布的GB 4915-2013《水泥工業大氣污染物排放標準》，現階段水泥行業須執行400 mg/Nm3(的排放標準，重點區域須執行320 mg/Nm3的排放標準[1]。目前水泥行業脫硝技術手段主要是SNCR(非催化還原反應)和低氮燃燒。這兩種脫硝技術主要用于燃燒之前和燃燒過程的單一控制，而單一控制存在效果不理想、運行成本高的弊端，而且在環保要求越來越高的背景下，水泥行業氮氧化物排放標準勢必會更加嚴格，部分省市已將氮氧化物排放標準提高至100 mg/Nm3。作為一種新型脫硝技術，SCR(催化還原反應)技術脫硝效率可達90%以上[2]，可以很好地改善水泥行業單一脫硝技術應用的弊端，該技術正在不斷地推廣應用在水泥行業。

2 SCR脫硝技術原理

SCR與SNCR反應原理相同，兩者主要區別是SCR脫硝技術是在催化劑的作用下，氨水、尿素等還原劑有選擇性地與煙氣中的NOx反應生成N2和H2O。SCR反應器中煙氣分布更加均勻，還原劑與煙氣中的NOx接觸更加充分，脫硝效率更高，氨逃逸也可以得到有效控制。

3 SCR脫硝技術在水泥窯系統的應用

根據SCR裝置在水泥窯系統的布置位置，水泥窯系統SCR脫硝技術可分為高溫、中溫和低溫脫硝技術路線。高溫SCR布置在預熱器C1出口和余熱鍋爐之間，工藝流程見圖1；中溫SCR布置在余熱鍋爐和高溫風機之間，工藝流程見圖2；低溫SCR布置在窯尾布袋除塵器。

圖1 水泥窯高溫SCR工藝流程圖

圖2 水泥窯中溫SCR工藝流程圖

催化劑是SCR脫硝技術的核心，直接影響脫硝反應效率。目前SCR催化劑主要有3種結構類型，分別是蜂窩式、波紋板式以及平板式。不同結構的催化劑，其比表面積不同。當催化劑催化硝煙完成硝化反應，二者的接觸面積越大，催化速度和脫硝反應越明顯，比如相同體積的SCR催化劑，蜂窩式催化劑的表面積最大且催化效果最佳[3]。此外，催化劑還具有一定的抗中毒能力，例如平板式催化劑可以削弱砷中毒的可能性，而波紋板式可以有效降低CO中毒的概率。因此水泥窯系統SCR催化劑選型是一個關鍵因素，應當綜合考慮系統所處環境、硝煙組成成分的含量比例等因素來選擇催化劑類型，從而實現SCR脫硝技術的最佳運用。

水泥窯系統生產過程中煙氣會攜帶大量的粉塵，當粉塵達到一定濃度時會附著在SCR催化劑的表面，導致催化劑和反應物的接觸面積大幅減少，從而削弱催化反應效果，降低NOx的消除率。因此，若采用高溫SCR技術路線，降低煙氣中的粉塵濃度以及采用合適的吹灰系統在整個技術路線中至關重要。強化除塵工作，為脫硝反應的進行提供合適的條件。若采用中低溫(70～230 ℃)SCR技術路線，可以避免煙氣中的高濃度粉塵，但是煙氣中的SO2、SO3等成分會使催化劑中毒，無法滿足實際工程需求，導致該技術路線脫硝效率很難得到保證，因此水泥行業SCR低溫催化劑還需要更大的研發投入，若研發成功，此技術路線前景非常廣闊(見圖3)。

圖3 水泥窯灰量大導致催化劑積灰

4 結語

時代發展需求是技術改革的指向標，水泥行業為滿足國家節能減排要求，需要新型脫硝技術的發展與應用。SCR脫硝技術在催化劑的研發以及投資成本方面再進一步突破和提高，必然會有更多的水泥窯系統引用該項技術，這對于水泥行業綠色可持續生產以及實現自然環境保護目標有著重要意義。