选择性催化还原SCR法烟气脱硝技术（六）

2016-12-16江旭昌

新世纪水泥导报 2016年6期

关键词：窑炉氨气烟气

江旭昌

天津市博纳建材高科技研究所，天津 300400

选择性催化还原SCR法烟气脱硝技术（六）

江旭昌

天津市博纳建材高科技研究所，天津 300400

（上接2016年5期）

6.2 国内应用实例

6.2.1 SCR法脱硝系统的试验

SCR法脱硝最突出的优势是脱硝效率高，如果要求NOx的排放浓度低于200 mg/Nm3，甚至达到100 mg/ Nm3左右，从目前烟气脱硝技术的发展水平看，非它莫属。但是，这种脱硝最大的缺点是投资大，运行费用高，有的资料显示比SNCR法脱硝高出几倍。这对于我国低利润的水泥工业来说，确实是一个严峻的挑战。也许这就是我国到目前为止仅有一套SCR法脱硝系统在水泥窑炉烟气脱硝工程中应用的最重要原因。另外，采用SNCR法脱硝技术或者以SNCR法与其他脱硝方法的联合脱硝就能满足我国新标准对NOx排放的限值要求也是一个原因。试想，如果采用SCR法的经济性不高于SNCR法脱硝技术，还有哪个企业不愿采用？不论建设投资还是运行费用都贵在催化剂上，随着低温催化剂的研发进展，一旦取得成功，不仅可以降低SCR法脱硝系统的建设投资，还可以降低运行费用。随着我国对大气污染控制的要求会越来越严格，为适应这种情况，我国在北京某水泥厂进行了SCR法脱硝技术在水泥窑炉脱硝的试验，现对试验情况进行介绍。

6.2.1.1 试验方法

试验是利用北京某水泥厂一条带纯低温余热发电的预分解窑水泥生产线回转窑排出的废气进行，该生产线的生料磨为辊式磨。在窑尾收尘器后排风机和烟囱之间的管道上钻孔引风，检测废气中NOx浓度作为初始浓度。将引入的窑尾烟气通入到电加热器1中。经加热后的废气通入装有催化剂的催化塔或称反应器2中，通过排风机3将反应后的废气排入烟囱4后排出。在排风机3的排气管道上安装NOx浓度检测仪5，用于还原的氨气利用氨气储罐6储存，通过输氨气管路7将氨气输送到引入的窑尾废气管道内，与废气一起进入电加热器1中，与废气一起加热。为了调节和计量氨气的用量，在氨气储罐6的输出管路上安装氨气流量计8。在氨气进入废气管道的两侧、电加热器1与催化塔2之间和催化塔2出口与排风机3之间均安装有控制蝶阀9。水泥生产线和SCR法脱硝的试验系统流程如图42所示。

图42 水泥生产线和SCR法脱硝试验系统流程图

6.2.1.2 催化塔

催化塔也称为反应器，采用SCR法脱硝时这是一个最重要的装置，在催化塔内安装不同的催化剂。本次试验采用北京某大学研制的TiO2为载体的金属氧化物低温催化剂，以氨气为还原剂。低温催化剂主要成分为80%的TiO2和20%的其他金属氧化物。催化剂为蜂窝式，单体尺寸为150 mm× 150 mm×800 mm，截面孔数为900孔，单个孔径为3.8 mm。将18块催化剂在塔内码成2层，总体积为0.324 m3。催化塔设计的空速SV≈3 800 h-1。

6.2.1.3 气体测定

气体组分的测定采用Nicolet Nexus 670型Fourier变换红外光谱仪（FTIR）进行，能够精确地测定出NOx在烟气中的含量。

6.2.1.4 试验结果与讨论

（1）理论喷氨量计算。

阀门全开时所取烟气气流量为1 250 Nm3/h，温度为120 ℃，初始NOx浓度为503 mg/Nm3，计划控制催化塔出口NOx浓度为100 mg/Nm3，氧气体积浓度约为10%。为防止氨逃逸，取氨氮适宜当量比NSR＝0.9。按照《中国华能集团公司企业标准——火电工程设计导则——第2部分第3分册——烟气脱硫脱氮（2007.06版）》计算的理论喷氨量为0.136 kg/h，折合为每分钟的标准升为2.99 SL/min，试验中实际采用的喷氨量为3.00 SL/min。

（2）温度对脱硝效率的影响。

调节电加热器，将温度设定为130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃和170 ℃五种，保持氨气流量为3.00 SL/min，测定不同温度下催化塔出口的NOx浓度并计算出相应的脱硝效率η。温度对催化剂脱硝效率的影响如图43所示。

图43 温度对脱硝效率η的影响

由图43可以看出，温度是影响脱硝效率η的一个很重要因素。Furusawa等人研究发现，温度也会影响NO的选择性。当反应温度升高时，NO的选择性增大。当烟气温度为130 ℃时，NOx浓度从初始的503 mg/ Nm3降为307 mg/ Nm3，脱硝效率为42%。当烟气温度为170 ℃时，NOx的浓度仅为57.5 mg/ Nm3，脱硝效率达到89%以上。显然，在相同烟气量和喷氨量下，催化剂的脱硝效率随反应温度的升高而显著增高。

（3）氨氮适宜当量比NSR对脱硝效率的影响。

在试验温度为130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃和170 ℃下，设定喷氨气流量分别为0.50 SL/min、1.00 SL/min、1.50 SL/min、2.00 SL/min、3.00 SL/min和4.00 SL/min时，测定催化塔排气口NOx的浓度并计算相应的脱硝效率，将结果绘于图44。由此可见，随着氨气量的逐渐增加，脱硝效率也逐渐增大，即在相同温度下，催化剂的脱硝效率随着氨气流量的增多而显著提高。当氨气过量喷入为4.00 SL/min时，随着烟气温度从130 ℃升至170 ℃，催化剂的最大脱硝效率变化规律与没有过量喷入时基本相同。当烟气温度为170 ℃，喷入氨气流量为4.00 SL/min时，催化剂的最大脱硝效率为89.45%，与喷入氨气流量为3.00 SL/min时相同。可见，过大的喷入氨气量只能提高运行成本，对脱硝效率毫无意义。

图44 氨气量对脱硝效率的影响

（4）连续运行的可靠性试验。

保持烟气流量为1 250 Nm3/h，氨气流量为3.00 SL/min，烟气温度控制在160 ℃，连续试验运行20 h以上，每隔1 h测定催化塔出口NOx浓度并计算出相应的脱硝效率。20 h内催化剂的脱硝效率在80%～81%之间波动，平均为80.29%，如图45所示。

图45 连续运行脱硝效率稳定性的试验

由图45可以看出，脱硝效率基本保持在80.5%，波动为±0.5%，表明这种低温催化剂的运行是相当平稳的。

（5）粉尘对催化剂的影响。

经过5个月的试验运行后，拆下催化剂载体，观察粉尘对催化剂的影响。由图46可以看出，粉尘在孔道上稍有附着却没有堵塞情况。表明SCR法脱硝系统安装在窑尾收尘器之后完全可以长期安全使用。易言之，SCR法脱硝系统在低尘条件下使用是相当安全的。

6.2.1.5 实验结论

通过这次试验，掌握了有关低温SCR法脱硝的许多规律。虽然不是真正的工程应用，但是可为将来满足更严格水泥窑炉NOx排放标准提供一种途径，为工程设计提供一些有益的数据。通过试验可以得出以下结论。

图46 粉尘在催化剂孔道上的附着形貌

（1）试验证明，SCR法脱硝效率确实在当前情况下是最高的。

（2）在采用氨氮适宜当量比NSR＝0.9，计算的理论喷氨量为2.99 SL/min。试验中实际采用的喷氨量为3.00 SL/min，与理论值相差0.3%，十分微小，其脱硝效率就高达80.3%。表明在实际脱硝工程中，准确计算喷氨量是非常重要的。

（3）在相同烟气温度下，低温催化剂的脱硝效率随氨气量的增加而显著增高；在相同喷氨量的前提下，催化剂的脱硝效率随着温度升高而显著增高。

（4）喷入过量氨气时，催化剂的最大脱硝效率随温度升高的变化规律与氨气没有过量喷入时基本相同。当反应温度为170 ℃、氨气流量为4.00 SL/min时，最大的脱硝效率仅为89.45%。

（5）连续运行20 h，检测表明脱硝效率在80%以上，波动为±0.5%，运行相当稳定。

（6）催化剂经5个月的使用，其孔道没有堵塞，可见这种低温催化剂在水泥厂窑尾袋收尘之后是可以长期使用的。

6.2.2 北京金隅水泥窑炉SCR法低温脱硝示范线

我国于2014年3月1日正式实施的GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》规定：自2014年3月1起，新建企业执行GB4915-2013标准规定的大气污染物排放限值，其中对水泥窑及窑尾余热利用系统的氮氧化物NOx排放限值为400 mg/Nm3，重点地区为320 mg Nm3；自2015年7月1日起，现有企业执行上述氮氧化物NOx的限制。为贯彻落实这个新标准对氮氧化物的限值要求，全国的1 841条预分解窑在设计能力2 000 t/d熟料以上的水泥窑炉基本上都建设了选择性非催化还原SNCR法的脱硝系统。采用这种脱硝系统，对氮氧化物的排放都能满足新标准的限值要求。所以，我国水泥工业还没有一家采用选择性催化还原的SCR法脱硝技术。因为SCR法脱硝系统虽然脱硝效率更高，但投资更大，占地大，系统更复杂，运行费用更高等，对低利润的水泥企业经济压力更大。

随着经济的发展，对环境质量的要求愈来愈高。如北京市就制定了新标准，规定在2016年1月1日起执行水泥生产企业氮氧化物排放不得高于200 mg/Nm3的限值。这样，采用SNCR法脱硝系统或者采用SNCR法与任何分级燃烧技术的联合脱硝法都是无能为力的，只有采用脱硝效率更高的SCR法脱硝系统才能满足氮氧化物NOx排放的限值要求。为此，北京金隅集团为了贯彻北京市新标准的限值要求，率先在水泥窑炉上建设了一套低温SCR法的脱硝系统，并获得了成功。

6.2.2.1 低温催化剂的研发

催化剂是SCR法脱硝系统的核心元件，其性能的优劣决定着整个SCR法脱硝系统的性能。催化剂在理论上按适应温度可以分为三种类型，即高温催化剂、中温催化剂和低温催化剂，参见表5～6。其中低温催化剂的研制难度最大。可是我国当今的预分解窑窑尾C1筒出口烟气温度都在300～360℃之间，同时在2 500 t/d熟料的水泥生产线又都采用纯低温余热发电，排出的废气温度都在150 ℃左右。显然采用低温低尘布置方案是最经济适用的，可是就必须有能够适应150 ℃左右烟气温度的催化剂。当前广泛使用的催化剂基本都是以TiO2为载体和表面敷以V2O5及WO3等为活性物质的蜂窝式催化剂，适用温度在280～400 ℃之间，很明显不能满足150℃低温要求。要实现在150 ℃左右低温烟气条件下SCR法脱硝效率达到80%以上，就必须研制一种低温催化剂。为此，中能国信（北京）科技发展有限公司与清华大学材料学院合作，历时三年共同研发能够适应150 ℃烟气SCR法脱硝工程应用的低温催化剂并取得成功。

6.2.2.2 早期的SCR法脱硝试验

图47所示是北京金隅红树林环保技术有限责任公司SCR法脱硝试验装置，试验用水泥窑尾预热器C1筒出口的粉尘浓度为80～100 g/Nm3，烟气温度≥120 ℃。试验结果，氮氧化物NOx的排放浓度＜150 mg/Nm3。

图47 SCR法脱硝试验装置

6.2.2.3 SCR法脱硝工程示范线

北京金隅集团杨树林环保技术有限责任公司与中能国信（北京）科技发展有限公司合作，于2014年7月开始在一条烟气量为200 000 Nm3/h的水泥窑炉上实施了SCR法脱硝系统工程的建设和摸索试验。经过8个月的调试和运行，这套SCR法低温脱硝系统一直都很稳定。当烟气温度为130 ℃时，脱硝系统的平均脱硝效率达到30%以上；当烟气温度在150 ℃时，平均脱硝效率达到50%的水平；当烟气温度在170 ℃时，最高的脱硝效率则达到了90%，平均脱硝效率为80%。经测算，这条水泥生产线水泥窑炉窑尾烟囱氮氧化物NOx的排放和氨逃逸都可满足北京市2016年新标准的要求，分别在200 mg/Nm3和5 mg/Nm3以下。这套SCR法脱硝系统的催化剂能够满足在130～380 ℃烟气温度范围的条件下达到氮氧化物NOx减排的目标值。这套SCR法低温脱硝系统经受了水泥窑炉各种工况下的考验，在脱硝达标的同时，还可降低氨水的消耗，进一步降低系统的运行费用。因而，这条水泥生产线成为我国首条水泥窑炉采用SCR法低温脱硝的示范线，为有特殊要求的氮氧化物减排水泥企业开辟了一种脱硝的新途径。

6.2.3 苏州东吴2 500 t/d熟料线SCR法脱硝中试线

苏州东吴水泥有限公司在SNCR法脱硝系统的基础上又建设了SCR法脱硝系统，构成了SNCR＋SCR的联合脱硝法。这条窑炉的处理工况风量为468 000 m3/h，折合成标况风量约为200 000 Nm3/h。据此进行中试的SCR法脱硝系统，采用高尘布置方式，催化塔中的催化剂床层采用5层，每个催化剂模块尺寸为1 026 mm×1 930 mm，总体积为17.01 m3。如果进口的NOx浓度为800 mg/Nm3时，根据理论计算，出口的NOx浓度约为150 mg/Nm3，脱硝效率达到81.25%。当采用SNCR＋SCR联合脱硝系统运行时，其脱硝效率可达90%以上。这就是说，NOx的出口浓度可降到100 mg/Nm3以下，可以达到任何脱硝标准严格限值的要求。

这套SNCR＋SCR中试联合脱硝系统之SCR法脱硝的催化塔和塔架示于图48，催化塔架为18 m高，共分五个床层。