SCR脫硝技術在水泥行業中的應用

摘" 要：

SCR脫硝技術因其出色的脫硝效率和適應廣泛的工業環境的能力，已經成為控制NOx排放的主流技術。隨著技術的進步和環保需求的增加，SCR技術的應用將進一步擴展，市場前景看好。具體分析了SCR脫硝技術的原理、現狀以及應用場景，以期可以對未來技術的進步提供借鑒。

關鍵詞：

水泥行業；SCR脫硝技術；催化劑制造技術

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.004

中圖分類號：X701

文獻標識碼：B

文章編號：

1004-8901（2024）04-0013-03

作者簡介：

周楓林（1977年—），女，江蘇揚州人，本科，現主要從事煙氣脫硝研究等工作。

通信作者：

華靖（1986年—），男，江蘇揚州人，本科，現主要從事SCR脫硝催化劑的制造及應用等工作。

Application of SCR Denitrification Technology in the Cement Industry

ZHOU Feng-lin1， HUA Jing2

（1. Jiangsu Wande Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Yangzhou Jiangsu 225017， China;

2. Zhejiang Dechuang Environmental Technology Co.， Ltd.， Shaoxing" Zhejiang 312000， China）

Abstract：

SCR denitrification technology has become the mainstream technology for controlling NOx emissions， thanks to its excellent denitrification efficiency and good adaptability to a wide range of industrial scenarios. With the progress of technology and the increase of environmental protection demand， the application of SCR technology stands to be further expanded with promising market prospect. This study analyzes the principle， current situation and application scenarios of SCR denitrification technology， with a view to providing reference for future technological progress.

Keywords：

cement industry;SCR denitrification technology;catalyst manufacturing technology

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.004

SCR（選擇性催化劑還原法）脫硝技術廣泛應用于燃煤鍋爐和各類工業爐窯煙氣的NOx減排治理，脫硝效率可達90%以上，被認為是最高效、最可靠的深度脫硝技術。為應對日益嚴峻的環境問題，國家對水泥行業NOx排放標準持續收緊，之前廣泛采用的低氮燃燒技術、分級燃燒技術、SNCR（選擇性非催化劑還原法）脫硝技術均難以長期穩定滿足煙氣出口NOx≤50 mg/Nm3、氨逃逸≤5 mg/Nm3的超低排放要求，SCR脫硝技術因其在化石燃料燃燒煙氣脫硝領域內的優異表現，成為最優選的水泥窯氮氧化物超低排放技術［3］。

1" SCR脫硝技術原理

SCR脫硝技術是一種重要的大氣污染治理方法，其原理簡述為：通過催化劑將含有氮氧化物（NOx）的廢氣轉化為無害的氮氣（N2）和水（H2O），以減少大氣中的氮氧化物排放，改善空氣質量。在SCR脫硝過程中，催化劑扮演著至關重要的角色，常用的催化劑包括釩鎢鈦氧催化劑、銅鐵催化劑等，這些催化劑在一定的溫度、壓力和氧氣存在下，促進氮氧化物與還原劑（如尿素、氨等）之間的反應，從而實現氮氧化物的高效轉化。具體而言，SCR脫硝過程可分為3個關鍵步驟：①還原劑的注入。在SCR系統中，通過控制系統精確地控制尿素水或氨水的噴射量，將其混合到含有氮氧化物的煙氣中；②氮氧化物與還原劑的反應。在催化劑的作用下，氮氧化物與還原劑發生反應，生成氮氣和水，反應過程中，催化劑起到催化作用，降低反應的活化能，從而提高了反應速率；③產品的排放。經過SCR脫硝處理后的廢氣中，大部分氮氧化物已被轉化為無害的氮氣和水，通過煙囪排放至大氣中，從而達到了凈化廢氣的目的。

2" SCR脫硝技術在水泥行業中的應用現狀

SCR脫硝技術采用NH3作為還原劑，將經空氣稀釋后的NH3噴入到200～420 ℃的煙氣中，與煙氣均勻混合。使混合后煙氣通過布置有催化劑的SCR反應器，此時煙氣中的NOx與NH3在催化劑的作用下發生選擇性催化還原反應，生成無污染的N2和H2O。SCR脫硝工藝流程見圖1。目前SCR脫硝技術已應用于不同容量機組，該技術的脫硝效率通常為80%～90%，結合鍋爐低氮燃燒技術后，可實現機組NOx排放濃度小于50 mg/m3。SCR脫硝催化劑在脫硝過程中，促使還原劑與煙氣中的NOx在一定溫度下發生化學反應，從而選擇性地將NOx轉化成N2和H2O的重要物質，是脫硝系統的核心部件。工程化應用的SCR催化劑基本上是以TiO2（二氧化鈦）為載體，以V2O5（五氧化二釩）等為主要活性成分，多采用蜂窩式、平板式和波紋式等結構。隨著我國對NOx等相關污染物的規范逐年嚴格，SCR技術得到了廣泛的應用。傳統SCR脫硝技術在煙氣溫度較低的非電力行業（如玻璃、鋼鐵以及水泥等行業）中使用，存在著無適宜熱源、催化劑工作溫度高、加熱運行成本高等問題，需要針對催化劑進行改良，提升低溫煙氣脫硝領域中SCR技術的應用性。SCR脫硝催化劑的未來發展主要針對低溫與寬溫差等方向，提升催化劑的活性、使用年限以及穩定性等，持續對新產品、新材料進行開發和應用，實現降低運營成本、提升工作效率的目的。

3" 行業競爭格局

目前，國內約有幾十家脫硝催化劑生產企業，行業集中度較低，競爭較為激烈，但主要集中在高溫催化劑領域。適用于非電力行業的低溫SCR脫硝催化劑的研究及工程應用尚處于創新發展階段，在國家出臺多項量化減排指標的壓力以及電價補貼的鼓勵政策下，國內各類資本涌入煙氣脫硝領域：一類是以大型國企所屬配套企業為代表，具有市場優勢；另一類為專業從事煙氣治理的諸多民營企業，抓住了國家加大環保力度的市場契機，迅速發展壯大。隨著國家及地方政府對超低排放標準的不斷出臺，這對企業脫硝催化劑產品的研發、生產、資金等方面提出很高的要求，具有自主研發能力且具有生產、資金實力的企業，在競爭中將占有優勢，行業集中度將有不斷提高的趨勢。

4" SCR脫硝催化劑在水泥行業中的應用

4.1" 催化劑物化改性

（1）注重催化劑生產工序中焙燒溫度的控制，改善催化劑的孔隙結構。

催化劑孔隙結構由微孔、中孔、大孔結構組成。微孔、中孔由載體TiO2顆粒形成，TiO2粒徑大小對燒結時間影響較大，SCR脫硝催化劑的活性需要載體具有一定的比表面積來保證。NOx與NH3的氧化還原反應主要基于催化劑表面活性酸位數量，該數量與催化劑比表面積有直接關系，比表面積越大，活性酸位數量越多，反應進行越迅速，催化效率越高。TiO2粒徑分布也需符合催化劑生產工藝要求。

大孔則是由催化劑生產工序中的焙燒工序產生。提高焙燒溫度［1］可使孔徑增大，小孔數量急劇減少，大孔數量明顯增加，使得催化劑仍能保持較好活性。但隨著焙燒溫度的升高，催化劑比表面積減小，單位面積上活性酸位數量減少，在反應工況不變的情況下，催化活性降低。為此，必須注重催化劑生產工藝中焙燒溫度的控制。

（2） 催化劑配方優化。適當調整催化劑配方中SiO2、Al2O3的比例，也可增加10%助劑硫酸鋁［2］，增加催化劑機械強度，提高催化劑抗磨損性能；增加活性助劑WO3含量，提高催化劑抗堿中毒性能，WO3對SO2轉化率有明顯抑制作用，能拓寬催化劑活性溫度窗口，有助于提高催化劑的催化性能。

（3） 改進催化劑模塊設計。針對水泥窯煙氣專用催化劑，為減少積灰，催化劑模塊外框高于催化劑單元體1 cm，頂部不設格柵和入口網。

（4） 提升催化劑選型設計［5］。因水泥窯煙氣中灰塵大多數熟料回灰，灰塵濃度＞100 g/Nm3，考慮到灰塵對催化劑壁的沖刷磨損，催化劑通常留有較大備用體積量。催化劑層按“3+1”設計，催化劑體積比正常設計體積量多30%～40%的，選用壁厚較大的13孔蜂窩式催化劑作為脫硝任務的主要貢獻者，選用更大孔徑的11孔催化劑作為耐磨層置于催化劑首層，需要時整個耐磨層硬化，提高耐磨強度。近年來，有選用板式催化劑作為耐磨層的成功案例，板式催化劑的載體是不銹鋼網，具有一定彈性，灰塵顆粒沖刷時會因彈性緩沖下落，可大幅度降低積灰量。

4.2" 設計科學合理的催化劑吹灰方案

水泥窯煙氣脫硝的工作重點就是清灰，積灰導致催化劑比表面積衰減較快，降低活性衰減率。高粉塵濃度，粒徑小，流動性很差，形成搭橋，造成催化劑孔道和微孔堵塞，反應器內煙氣氣流不暢，反應器溫度降低，達不到催化劑反應溫度，反應器溫度隨著調試時間增長持續下降，長時間積灰堵塞，催化劑活性降低，脫硝率下降。

建議“聲波吹灰器+蒸汽吹灰器”聯合使用。聲波吹灰器震松積灰，蒸汽吹灰器吹掃力度較強，可徹底清掃積灰。

（1） 聲波吹灰器設置。最上面一層吹灰器以20°角傾斜向下安裝，其他層水平布置。第一層吹灰器傾斜安裝主要是考慮到偏轉聲波的指向性，使更多的聲波能量作用于積灰面，角度的選擇在于作用范圍與指向性以及聲波反射間的平衡。其他層間吹灰器采用水平布置，主要考慮兩層之間間距較小，聲波可以在此空間內多次反射，形成良好的生產，有效地利用聲能，除了可以吹掃下層催化劑，還可以對上層催化劑的底部進行吹掃，各層吹灰器交錯布置，可以產生均勻聲場，消除死角，同時通過聲能的疊加性，提高吹灰效果。

（2） 蒸汽吹灰器設置。每層設置4臺清灰裝置，確保把粉塵吹過催化劑模塊，防止堆積或堵塞，清灰過程逐層進行，始終從頂部催化劑層開始吹灰除塵，清灰徹底，延長使用壽命。

5" SCR脫硝技術的優勢

SCR技術是目前控制氮氧化物（NOx）排放最有效的方法之一，特別是在工業和能源生產領域，如電廠、水泥廠和各種燃燒設施。其主要優勢和未來發展前景可以從以下幾個方面詳細闡述。

（1） 高效脫硝性能。SCR技術能夠實現高達90%以上的NOx去除率，這是因為SCR反應具有很高的選擇性，可以在不生成其他有害副產物的情況下，將NOx還原為氮氣和水。這種高效率使得SCR技術成為嚴格環保標準下的首選技術。

（2） 操作靈活性。SCR系統可以在廣泛的溫度范圍內有效工作，通常在200～400 ℃之間，可以在各種工業過程中應用。此外，通過調整催化劑類型和還原劑噴射量，SCR系統可以根據具體的操作條件和要求進行優化。

（3） 適應性強。SCR技術能夠適應各種燃燒設備和燃料類型，包括煤、油、天然氣以及生物質燃料的燃燒。這種廣泛的適應性使得SCR技術可以在全球范圍內廣泛推廣。

（4） 政策驅動。隨著全球對環境保護要求的提高，越來越多的國家實施了嚴格的NOx排放標準。SCR技術因其高效脫硝能力受到政策支持，許多國家提供了財政補貼和稅收優惠以鼓勵其應用。

6" 未來發展前景

（1） 技術創新。為了進一步提高脫硝效率和降低成本，科研人員和工程師正在開發新一代催化劑和更先進的控制技術。例如，開發可以在更低溫度下有效工作的催化劑，或者能夠更好地抵抗毒性物質影響的催化劑。

（2） 整合與優化。未來的SCR系統可能會與其他排放控制技術（如CO2捕集和存儲技術）結合，實現更全面的污染控制。同時，通過利用大數據和智能算法優化系統運行參數，可以進一步提高SCR系統的能效和反應效率。

（3） 市場擴展。隨著發展中國家工業化進程的加快和環保法規的日益嚴格，預計SCR技術在全球的需求將會持續增長。此外，非傳統應用領域（如船舶和重型車輛）的排放控制，也將成為SCR技術的新增長點。

（4） 環保法規的推動。環保法規的持續收緊將推動SCR技術的進一步發展和應用。企業為了符合法規要求，將不得不采用如SCR這樣的高效脫硝技術，以確保其運營的環境合規性。

參考文獻：

［1］ 高巖.焙燒溫度對選擇性催化還原催化劑表征及活性的影響［J］.中國電機工程學報，2012（s1）：143-149.

［2］ 肖雨亭.硫酸鋁對釩鈦系脫硝催化劑磨損率的影響［J］.鋼鐵釩鈦，2018，39（5）：37-41.

［3］ 李海波，雷華.水泥窯煙氣SCR脫硝技術和工程應用［C］.第九屆中國水泥行業環資高峰論壇——暨水泥企業綠色高質量發展研討會文集，2023.

［4］ 羅永新.水泥行業SCR煙氣脫硝技術及問題研究［I］.四川水泥，2018（5）：10，351.

［5］ 范瀟，雷華，李凌霄，等.水泥窯煙氣SCR脫硝催化劑的選型及應用［J］.中國水泥，2021（3）：90-92.

修改稿日期：

2024-08-20