水泥行業SCR煙氣脫硝技術及問題研究

羅永新

（成都東方凱特瑞環保催化劑有限責任公司， 四川 成都 610045）

0 引言

我國是水泥生產大國，2017年年產量達23.16億噸。然而水泥生產過程中會產生大量的氮氧化物。隨著我國電力行業逐步實現超低排放，包括水泥行業在內的非電行業已經成為下一階段大氣污染治理的重點。目前水泥窯普遍采用的選擇性非催化還原(SNCR)氮氧化物脫除效率在60%左右，難以滿足日趨嚴格的排放標準。SCR煙氣脫硝技術在火電行業已經非常成熟，但是水泥行業SCR煙氣脫硝很大程度上還處在中試試驗、個別項目示范和積累試驗數據和運行經驗的階段，還缺乏工程應用的經驗。國外對水泥SCR煙氣脫硝雖然研究較早，但由于排放標準、成本、技術等多方面的原因，水泥SCR煙氣脫硝在國際上也還沒有得到廣泛的應用。隨著我國對水泥行業排放要求的進一步提高，一些地方提出要實現小于150mg/m3甚至100mg/m3的NOx排放標準，以目前的技術手段，除SCR以外的脫硝技術難以實現，即便采用SCR煙氣脫技術，還有一些技術和工程應用問題需要進一步的研究與解決。因此，研究實現SCR脫硝技術在水泥行業的應用具有非常重要的意義。

1 世界主要水泥生產國的水泥制造行業NOx排放標準

表1列舉了一些主要水泥生產國的NOx排放限值。 排放要求最高的是歐盟內部分使用二次燃料的水泥廠，排放限值是200mg/Nm3。 德國自2018年6月開始執行排放限值200mg/Nm3。此外，美國水泥工業NSPS規定水泥窯排放限值是1.5lb/ton。

表1 主要水泥制造國家NOx排放標準 *

2 我國水泥行業脫硝政策環境

《水泥工業大氣污染排放標準》GB4915-2013要求現有與新建水泥企業 NOx排放≤400mg/Nm3，重點地區調整到≤320mg/Nm3。2018年1月16日，環保部分布了《關于京津冀大氣污染傳輸通道城市執行大氣污染物特別排放限值的公告》，要求“2+26”城市的新建項目自2018年3月1日起，執行大氣污染物特別排放限值，對于現有水泥企業，自2018年10月1日起，執行特別排放限值。

一些地方還出臺了更為嚴格的排放標準，如江蘇省環保廳2017年5月印發關于開展全省非電行業氮氧化物深度減排的通知。通知要求，在非電行業達標排放的基礎上，進一步控制鋼鐵、焦化、水泥、玻璃等行業氮氧化物排放，實現污染物排放總量大幅削減。其中：水泥行業2019年6月1日前氮氧化物排放由原來的320mg/m3調整為不高于100 mg/m3。可以預期，水泥行業即將迎來最嚴格的NOx排放標準。

3 SCR煙氣脫硝技術在國外水泥行業的應用情況

德國、意大利、奧地利、瑞典等歐洲國家在20世紀八十年代就開始研究SCR在水泥窯爐的應用。通過中試試驗積累了一些經驗后，在本世紀初開始在水泥廠示范應用。

2001年，第一個高塵布置的SCR裝置在德國 Solnhofen 水泥工廠投入運行。NOx初始濃度和排放限值分別為700 – 1400 mg/Nm3和500 mg/Nm3。燃料采用油和廢棄物，三層催化劑設計，該裝置運行初期的測試結果顯示可以實現 200mg/m3以下的NOx排放,但是由于清灰問題而不能持續保持。公開資料顯示，在超過90%的運行時間里實現了NOx小于限值500mg/m3的排放，該裝置一直到2006年關閉前，該工廠一直在改善、優化清灰系統以減少催化劑表面積灰。通過使用不同的催化劑，包括板式和蜂窩式和不同節距的催化劑，對不同的清灰方式進行了評估，為SCR技術在水泥行業的應用積累了寶貴的經驗。

2006年6月，意大利Monselice 水泥廠SCR脫硝裝置投入運行，有關該項目成功運行的報道不少。事實上，該項目出現過在催化劑端面結硬塊造成催化劑端面堵塞的情況。

2010年投運的德國Schwenk Mergelstetten水泥廠的SCR脫硝系統投運9個月后，出現催化劑孔道表面形成被粘性物質涂層的情況，導致催化劑表面不能與煙氣接觸，脫硝效果快速下降。

從可查詢到的信息來看，全球裝有SCR煙氣脫硝系統的水泥廠有10個左右（見表2），大部分還屬于試驗示范性質。

表2 安裝SCR脫硝系統的水泥廠一覽表

從表1可以看出，大部分SCR裝置都采用高塵或中塵布置。高塵、中塵及低塵布置各有優缺點，本文只針對高塵布置涉及的問題進行研究。

SCR被認為是進一步降低NOx排放的最佳可用技術。就公開的歐洲水泥廠SCR運行情況的信息來看，一些SCR裝置在某一段時間內實現了 200mg/m3以下的排放水平，證明SCR技術是可行的。

4 我國水泥脫硝現狀

我國水泥窯普遍采用低氮燃燒及SNCR脫硝技術。SNCR技術具有成本低、改造周期短、脫硝效率較好等特點，基本可以滿足國家現行標準小于400mg/m3以及重點地區320mg/m3的排放要求。但是，如要滿足NOx排放濃度小于150mg/m3甚至100mg/m3以下，SNCR技術難于實現。SCR技術是相對經濟可行的技術。

5 水泥窯爐煙氣、煙塵特點

特征一：灰分含量高。預熱器后灰塵含量高達 80-120g/Nm3,比燃煤火電廠煙氣的灰分含量高出10多倍甚至更多，高灰含量容易導致催化劑堵塞

特征二：CaO含量高。研究表明，煙氣中的CaO含量對催化劑活性有著重大影響，催化劑失活速率隨CaO含量的增加而迅速遞增。多數水泥窯煙氣中高濃度的CaO易與SO3生成CaSO4,覆蓋在催化劑表面，降低了催化劑活性。一些水泥窯預熱器出口煙氣中CaO含量可高達40%，如此高含量極容易導致催化劑快速失活。一方面，需要提高催化劑的抗CaO 能力，另一方面，必須提高吹灰效果。

特征三：煙氣成分復雜，具有粘性。

特征四：與火電廠的煤灰相比，水泥煙氣中的顆粒對催化劑的磨損相對較小。

6 水泥SCR煙氣脫硝關鍵問題研究分析

水泥窯的煙氣特征決定了其脫硝的難度要大于火電廠脫硝。已有的火電行業SCR脫硝經驗并不完全適用于水泥行業。國外沒有廣泛推廣也反映出SCR脫硝技術在水泥行業的應用中還存在一些難題，還需要進一步研究總結。就研究應用相對較多的高塵布置水泥SCR脫硝而言，主要有以下四個方面的問題。

（1）催化劑端面積灰導致孔道被堵塞。

（2）催化劑微孔被粘性物質（主要是CaSO4）覆蓋，導致煙氣不能與催化劑充分接觸，影響脫硝效率。

（3）催化劑煙氣入口端面形成硬塊狀物質，導致煙氣不能通過催化劑孔道。

（4）催化劑中毒失活。

由于催化劑成分與污染物發生化學反應導致催化劑中毒。

7 結論

（1）隨著水泥行業NOx排放標準的提高，SCR是可行的技術

（2）SCR技術在水泥行業的應用不同于其在火電行業的應用，但是兩者沒有本質差別。

（3）解決上述問題的關鍵，是需要一個合理高效的清灰系統，而針對不同水泥窯的煙氣特點，需要采取不同的清灰方式。

（4）SCR脫硝技術在水泥行業的應用還沒有成熟，還有一些技術與工程問題需要進一步的研究與優化：水泥窯煙氣成分復雜，其中的粘性及易結塊的物質對清灰、脫硝效果乃至催化劑壽命等都有較大影響，對其形成的機理及如何降低其對脫硝效果的影響等尚需要進一步研究。

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