水泥窯SCR與SNCR脫硝工藝的探討

◇金隅冀東鳳翔環保科技有限公司 何 帥 武培量

目前，我國對于控制水泥行業的氮氧化物排放非常重視。本文探討了水泥窯SCR脫硝技術、SNCR脫硝技術與SNCR/SCR 聯合煙氣脫硝技術，并且提出了一種改進SCR脫硝技術的新設想“動SCR脫硝技術”，即在原有的SCR脫硝技術不變的情況下，將催化劑進行改造，使其可以進行旋轉。從純理論角度講，完成這一改造后，可以一定程度的延長催化劑失活的時間，同時可能會一定程度的延長催化劑的使用時間。

Nox的大量排放會導致酸雨，造成臭氧層破壞，出現光化學煙霧事件，危害人體呼吸系統等，同時NOx也是導致霧霾天氣的主要原因之一，因此研究NOx的 無害化處理具有非常重要的意義。我國連續多年水泥生產量和消費量居世界第一，水泥的大量生產伴隨著氮氧化物的大量排放，為了降低水泥的生產過程中尾氣中氮氧化物的含量，水泥窯所采用的技術分別為低氮燃燒技術、采用可替代燃料（如煤氣、天然氣或液態燃料）、SCR技術（中低溫催化還原技術）、SNCR技術（高溫低成本非催化還原技術）和SNCR/SCR聯合煙氣脫硝技術等。其中，采用SCR脫硝技術、SNCR脫硝技術和SNCR/SCR聯合煙氣脫硝技術可以有效地降低NOX排放量[1-4]。

1 SCR 技術（中低溫催化還原技術）

SCR 技術是目前國際上應用最廣泛的煙氣脫硝技術，其優點為反應溫度較低、脫硝效率高（可達90%以上）、不會形成二次污染、裝置結構簡單、運行可靠且便于維護、運行費用低等。

1.1 SCR反應機理

由于我國水泥生產過程中使用的能源以煤為主。水泥熟料煅燒過程中，依據產生機理的不同分為三種類型：所使用的原煤中含有少量的含氮元素的有機物，在燃燒的過程中產生氮氧化物，稱為燃料型 NOX；同時，由于水泥生產過程中的水泥窯溫度較高（可達 1500 ℃以上），導致空氣中助燃的大量氮氣與氧氣發生反應生成氮氧化物，稱為熱力型NOX，熱力型 NOX所 占的比例一般會達到85%以上；此外，碳氫化合物和N2在火焰面內快速反應也會生成氮氧化物，稱為瞬時型NOX。

如圖1所示，水泥窯所排放的原煙氣中含有氮氧化物，在一定溫度（290-430℃）和催化劑作用下，還原劑氨氣或有選擇地與其中的氮氧化物反應，生成氮氣和水，最終排放的為凈煙氣。其主反應如下：

圖1 SCR脫硝原理

當然，也會存在副反應，當煙氣溫度達到450℃以上時，其副反應如下：

由于原煤燃燒會產生的SO2，催化劑可使部分的SO2氧化為SO3，SO3與NH3和 H2O 共同反應生成硫酸氫氨NH4H SO4和硫酸氨(NH4)2SO4，不僅會降低氨的利用率，更會腐蝕和堵塞脫硝設備。

1.2 SCR催化劑

從化學成分的角度分析，一般情況下，SCR催化劑多以TiO2為載體，占據絕大部分比例；V2O5-WO3、V2O5-MoO3為活性成分。TiO2活性較高，同時具有抗SO2性能；雖然V2O5脫 硝效率高，但會促進SO2的 轉化，然而WO3會抑制SO2的轉化，Mo可起到助催化劑和穩定劑的作用。

從結構角度分析，SCR催化劑按照樣式可分為蜂窩式、平板式、波紋式三大類，其中脫硝效率最優、綜合理化性能最佳的為蜂窩式脫硝催化劑。

1.3 工藝布置

SCR工藝系統有三類：分別為低塵布置、高含塵布置和尾部布置。低塵布置，SCR反應器在除塵器之后，煙氣中的飛灰被除塵器除去后進入催化劑反應器，可防止催化劑被污染，反應器被磨損和堵塞，工藝投資較大，應用較少。高含塵布置，布置在省煤器和空氣預熱器之間，溫度高（320-400℃），煙道系統簡單，壓力損失小。高塵工藝投資較少且運行費用低，但是需要解決比較復雜的技術問題，如煙氣中SO2、重金屬（例如鉈）、粉塵含量高，影響催化劑活性，下游設備及反應器易堵灰。尾塵布置也稱為低溫低塵布置，采用更大煙氣流速，使煙氣先除塵脫硫，其優點為催化劑用量小，壽命長，氨氣逃逸量小，不腐蝕構筑物，無SO3產生，但是需要對煙氣再加熱，投資和運行成本高。

2 SNCR技術（高溫低成本非催化還原技術）

SNCR技術也稱為選擇性非催化還原法，其反應原理與SCR技術類似，向水泥窯中噴入氨或尿素等含有氨基的還原劑，在高溫（900～1100℃）和且無催化劑的情況下，煙氣中的氮氧化物與氨自由基反應，氮氧化物被還原成氮氣與水。在SNCR反應中，一部分還原劑會與煙氣中的氧氣發生氧化反應生成二氧化碳和水，增加了還原劑的消耗量。SNCR工藝的主反應為：

SNCR法的應用中，溫度的選擇與控制是至關重要的。如果溫度過高，還原劑會被直接氧化成NOX；若溫度過低時，反應不完全，還原率降低，同時氨逃逸率高，造成新的污染。

SNCR脫硝技術應用在水泥工業中，其脫硝效率一般比較低，只能達到30%～50%，多作為低NOx燃燒技術的補充處理手段。

3 SNCR/SCR 聯合煙氣脫硝技術

SNCR/SCR聯合脫硝工藝是SNCR工藝的還原劑噴入分解爐技術同SCR工藝催化反應結合起來。其優點是把SNCR工藝的低投資費用與SCR工藝的高效率及低的氨逃逸率結合起來。SNCR/SCR聯合脫硝工藝中，前端是SNCR裝置，分解爐中下部分解爐中下部噴入還原劑減少水泥窯爐內的氮氧化物，同時在預熱器的上部噴入氨水，氨水氣化為水蒸氣和氨氣，與SNCR反應后多余的氨氣同煙氣一起進入后端SCR裝置，可以進一步還原氮氧化物，從而使反應劑得到充分利用。SNCR/SCR聯合脫硝工藝的應用在水泥工業中，其優點為：脫硝效率較高（可達80%以上），SCR反應器體積減小，催化劑用量少，減少SO2向 SO3的轉化，降低了腐蝕危害。

4 一種新設想

結合以上幾種脫硝工藝，筆者提出一種新設想。具體為基于原有的水泥窯SCR脫硝工藝不變，特提出水泥窯“動-SCR脫硝工藝”，其核心為將目前應用于水泥窯的SCR脫硝催化劑的結構改變，將其改為圓柱型并且在圓面中心位置開孔鉆穿，同時在圓柱形催化劑側面上開孔以增大接觸面積，保證其在煙氣的推動下可以緩慢的進行旋轉。從純理論角度講，完成這一改造后，可以一定程度的延長催化劑失活的時間，同時可能會一定程度的延長催化劑的使用時間。

具體方案為：如圖2所示，在原有催化劑成分和比例不變的情況下，將催化劑制造成圓柱狀，在催化劑圓面中心位置鉆孔直至鉆通，孔內連接一根軸，將催化劑側面鉆許多小孔直至鉆穿，注意在鉆孔時可以交叉，但不能破圓面中心位置的孔。如果破壞了圓面中心位置的孔，當催化劑在運行過程中，可能會造成飛塵和副反應物（主要為NH4HSO4和（NH4）2SO4）進入軸和孔的間隙中而影響其旋轉。同時鉆孔可以增加催化劑的接觸面積，在同樣的情況下提高脫硝的效率。

圖2 催化劑結構圖

可能的優越性為：

（1）在煙氣的推動下，由于存在前后能量差，催化劑會緩慢的旋轉，其旋轉的角速度可用以下方程式估算：

從純理論角度進行分析，當催化劑旋轉時，煙氣的動能轉化為催化劑轉動的動能，可以一定程度減小煙氣的沖刷對催化劑造成的損壞，進而可能在同樣的情況下可以延長催化劑的使用壽命。

（2）原有的水泥窯SCR脫硝工藝中，無論是催化劑中毒還是催化劑被副反應物堵塞，都是由于煙塵中雜質和副反應物緩慢沉積引起，當催化劑運動時，在離心力的作用下，可能會將附著在催化劑表面的部分煙塵和副反應物（主要為NH4H SO4和（NH4）2SO4）等甩出去，或者當催化劑的表面孔旋轉到最低點時，一部分煙塵由于重力作用沉降，最終都會減少煙塵和副反應物的沉積量，可能會延長催化劑失活的時間。

（3）無論是化學腐蝕還是電化學腐蝕，都是由于表面接觸才會發生，當催化劑旋轉時，由于煙塵和副反應物的沉積量減少，故接觸量減少，可能會一定程度的延長催化劑的使用時間。

為了防止催化劑中軸的損壞，采用如圖3所示的催化劑組結構圖，其中藍色邊框表示實心的鋼結構，綠色部分表示立方體的鋼板，每個催化劑固定在鋼板上，各催化劑為可以拆卸。

圖3 催化劑組結構圖

可能的優越性為每個催化劑固定在通過軸鋼板上，如果只采用一根長軸，由于所承受的催化劑的質量比較大，隨著使用時間的增加，可能在應力作用下出現損壞，需要頻繁更換長軸，維護難度大，維護成本高。而使用短軸后，每個軸均可以拆卸，便于檢修或失活時更換。

可能需要注意如下的問題：

（1）雖然從理論上講，催化劑運動速度較慢，為了保證其靈活性，需要在催化劑孔內加潤滑油，防止因時間過長磨損而造成運故障。

（2）如果催化劑運轉時，雖然是緩慢旋轉，軸本身會處于溫度較高的煙氣環境中，同時可能由于軸的長時間運轉導致軸會發熱，以上兩種因素均會影響軸的使用壽命，同時可能需要考慮用風機或其它方法降溫的問題。另外，軸在運行過程中會出現磨損，需要考慮制成軸的材料的強度。綜合進行分析，為了延長軸的使用壽命，軸應當采用耐高溫且強度比較高的材料。

5 探討

近幾年我國水泥行業脫硝工作逐步開展，氮氧化物的排放量已逐年降低。SNCR和SCR 技術已經被廣泛應用，筆者認為隨著低溫SCR脫硝技術的發展，其在水泥行業脫硝中將會有更為廣泛的應用前景。同時，隨著各種脫硝技術的日趨完善和新興脫硝技術的發展，多種脫硝技術的聯合應用也具有廣闊的前景。