水泥厂烟气中温选择性催化还原技术中试研究*

朱思佳 郭旸旸 王东书 罗 雷 李 晶 母佰龙 宋杰明 朱廷钰,3#

(1.中国科学院过程工程研究所，湿法冶金清洁生产技术国家工程实验室，过程污染控制工程研究中心，北京 100190；2.邯郸金隅太行水泥有限责任公司，河北 邯郸 056299；3.中国科学院城市环境研究所，区域大气环境研究卓越创新中心，福建 厦门 361021)

NOx的大量排放已造成多种严重的大气环境污染问题，如酸雨、光化学烟雾等[1-2]。我国大部分NOx来自于工业源排放，特别是电力、水泥、冶炼等行业[3-4]。水泥行业NOx排放量约占全国NOx总排放量的15%，是继电力行业后NOx的第二大工业排放源。近年来，随着电力行业超低排放改造的完成，水泥行业开始面临NOx的减排压力[5]。为推进水泥行业NOx减排，各地方政府相继出台了相关排放要求。江苏省要求水泥行业在2019年6月1日前达到NOx排放质量浓度≤100 mg/Nm3；河北省规定自2022年1月1日起水泥生产企业的NOx排放质量浓度≤50 mg/Nm3；河南省要求到2021年，NOx标准限值升级至50 mg/Nm3，并且将氨逃逸问题列入了监测要求。

目前，水泥行业一般采用低氮燃烧和选择性非催化还原(SNCR)技术控制NOx，其脱硝效率一般为50%～70%，NOx排放质量浓度为200～400 mg/Nm3[6]。学者们尝试加大喷氨量来提高脱硝效率，发现效果并不理想[7-8]，而且会导致尾端氨逃逸增加，造成二次污染[9-11]。随着标准的趋严，水泥行业现有脱硝技术已基本无法满足超低排放的需求。

广泛应用于电力行业超低排放改造的选择性催化还原(SCR)技术具有脱硝效率高、氨逃逸低等优点[12]。然而，水泥行业烟气与电力行业不同，水泥行业烟气中粉尘浓度极高，且粒度细(20 μm左右)，还含有大量的CaO、CaCO3等组分，易导致催化剂的积灰、磨损及中毒等问题，制约了SCR技术在水泥行业的应用[13-14]。因此，开发适用于水泥行业的SCR技术非常必要。温度是水泥行业应用SCR技术必须考虑的因素[15]。目前，国内外水泥厂已对高温SCR进行了不少研究，有些已经实现了中试或示范应用[16-18]。但对于中温SCR，国内外均无成熟的示范应用。因此，开发适用于水泥行业的中温SCR技术有望实现水泥行业中温实际烟气的直接脱硝[19]。

本研究在某水泥厂4 500 t/d的新型干法水泥生产线的余热发电高温风机后增加中温SCR反应器，并进行中试，结合计算流体力学(CFD)流场模拟，对SCR反应器内的颗粒物分布及流场进行分析，全面分析此中试工艺的脱硝效果，并探究了工艺的影响因素。

1 试验方法

在某水泥厂4 500 t/d的新型干法水泥生产线的余热发电高温风机后增加中温SCR反应器，并进行中试，新增装置主要包括3个部分：静电除尘系统(ESP)、SCR反应器和喷氨系统，其中SCR反应器长1.95 m、宽1.01 m、高7.30 m。烟气参数由连续排放监测系统(CEMS，2000BS)、自动烟尘分析仪(3012H)、红外烟气分析仪(MGA 6 plus，德国MRU公司)和氨逃逸分析仪(RB 120 P，加拿大优胜公司)进行检测记录。

2 试验结果与讨论

2.1 中温SCR反应器流场模拟结果

利用流体力学软件FLUENT进行了CFD流场模拟，主要模拟了SCR反应器内速度分布、压力分布和氨浓度分布，网格数约110万个，以燃煤为燃料，烟气计算参数见表1，计算得到SCR反应器的边界条件见表2。

根据SCR反应器内各截面的速度分布情况可知，在合理的导流板和整流格栅布置下，烟气进入SCR反应器内部催化剂层时流场趋于均匀，无局部高速区，也无低速死角，催化剂层流场良好，有利于脱硝反应的进行。

根据SCR反应器内各截面的压力分布情况可知，主要压力损失集中在弯道和催化剂层。经计算，两层催化剂的反应器压降为275 Pa，随运行时间的推移，压降会增大。

根据SCR反应器内氨浓度分布情况可知，经喷氨格栅、导流板及整流格栅调整后，氨浓度分布趋于均匀，能够满足脱硝反应要求。

2.2 中温SCR反应器中试运行效果

由表3可见，在空速为2 000 h-1、ESP电压为60 kV、吹灰周期为1 h、反应温度为180 ℃的条件下，中温SCR反应器脱硝效率虽不能稳定在80%以上，但基本可以达到80%，可满足超低排放的需求。水泥厂原有的SNCR反应器氨逃逸质量浓度为68～99 mg/Nm3，中温SCR反应器可以有效降低氨逃逸浓度，但由于SCR反应器入口NOx浓度已经较低，前端逃逸的氨不能全部参与反应，所以在SCR反应器出口仍有一定的氨逃逸。

中温SCR反应器出口的NOx浓度在线监测数据见图1。由图1可见，脱硝效果受工况影响会有一定的波动，但中温SCR反应器出口NOx质量浓度基本可基本稳定在10～30 mg/Nm3，可基本满足小于50 mg/Nm3的超低排放要求。由此可见，中试运行稳定，脱硝效果较好。

2.3 空速对脱硝效率的影响

固定ESP电压为60 kV、吹灰周期为1 h、反应温度为180 ℃，在1 100～2 000 h-1的空速条件下测试中温SCR反应器的中试脱硝效率，结果见图2。随着空速的升高脱硝效率降低，原因为：空速升高导致烟气停留时间变短，烟气和催化剂的接触时间变少，NOx被还原的概率变小。但本研究中空速为1 100～2 000 h-1，脱硝效率都能超过80%，可以满足超低排放的需求，因此建议选择烟气停留时间短的空速(2 000 h-1)。

表1 烟气计算参数

表2 SCR反应器边界条件

表3 中温SCR反应器烟气组分测试结果

图1 中温SCR反应器出口NOx质量浓度在线监测数据Fig.1 On-line monitoring data of NOx mass concentration at medium temperature SCR reactor outlet

图2 空速对脱硝效率的影响Fig.2 Effect of space velocity on denitration efficiency

2.4 ESP电压对脱硝效率的影响

固定空速为2 000 h-1、吹灰周期为1 h、反应温度为180 ℃，在55～65 kV的ESP电压条件下测试中温SCR反应器的中试脱硝效率，结果见图3。随着ESP电压从55 kV升高至65 kV，脱硝效率升高了1.62百分点，说明ESP电压对脱硝效率有一定的影响，ESP电压主要是通过影响粉尘浓度而影响脱硝效率的。图3中脱硝效率都在80%以上，可以满足超低排放的需求。因此，ESP电压为55～65 kV是可行的。

图3 ESP电压对脱硝效率的影响Fig.3 Effect of ESP voltage on denitration efficiency

2.5 反应温度对脱硝效率的影响

固定空速为2 000 h-1、吹灰周期为1 h、ESP电压为60 kV，受水泥厂条件的限制，此次测试仅在177～203 ℃的温度范围内测试中温SCR反应器的中试脱硝效率，结果见图4。随着反应温度的升高脱硝效率升高，当反应温度超过190 ℃后，脱硝效率超过80%，满足超低排放的需求。实际中试中由于考虑到能耗的问题，反应温度采用了180 ℃，若条件允许，后续建议采用200 ℃，这样基本可以保证脱硝效率稳定超过80%。

2.6 吹灰周期对反应器压降的影响

吹灰周期过长，会导致催化剂堵塞，脱硝效率下降，甚至造成催化剂的不可逆损坏；吹灰周期过短，会导致能源浪费，声波吹灰器损耗加快。不同类型的催化剂所需的吹灰周期不同，找到适合催化剂的最佳吹灰周期在实际工程运行中可以使经济效益最大化。本研究的催化剂为钒基脱硝催化剂。固定空速为2 000 h-1、反应温度为180 ℃、ESP电压为60 kV，设置吹灰周期为1、2 h和吹灰器关闭3种条件，考察反应器压降的变化，结果见图5。在吹灰器关闭的情况下，反应器压降随着时间延长总体呈升高趋势，压降变化较大，运行14 h压降升高了近30%。本研究的水泥厂粉尘粒度细，在催化剂孔道内容易被吸附，吹灰器关闭就容易导致反应器压降逐渐上升。吹灰周期为2 h时，虽然反应器压降较稳定，但总体压降较大。在实际工程应用中，吹灰周期应小于2 h。

图4 反应温度对脱硝效率的影响Fig.4 Effect of reaction temperature on denitration efficiency

图5 吹灰周期对反应器压降的影响Fig.5 Effect of ash cleaning interval on reactor pressure decrement

3 结 论

在新型干法水泥生产线的余热发电高温风机后增加中温SCR反应器，并进行了中试研究，反应器内流场均匀，无局部高速区，也无低速死角，催化剂层流场良好，主要压力损失集中在弯道和催化剂层，氨浓度分布均匀，有利于脱硝反应的进行。中试结果表明，脱硝效率可基本达到80%，出口NOx质量浓度可基本稳定在10～30 mg/Nm3，基本满足超低排放的要求。在1 100～2 000 h-1的空速和55～65 kV的ESP电压条件下，脱硝效率均超过80%。建议反应温度采用200 ℃，吹灰周期小于2 h。