SCR脫硝技術在水泥行業應用的探索性研究

張媛媛（鐘山職業技術學院，江蘇 南京 210049）

0 前言

以氨作為還原劑的SCR（選擇性催化還原）脫硝技術最早由美國Englehard公司于1957年取得專利，該技術采用白金為催化劑，因成本昂貴，限制了其工業應用。至1980年日本成功開發了釩/鈦基催化劑后，SCR煙氣脫硝技術在日本得到工業應用，1985年引入歐洲，1999年我國福建漳州后石電廠引入該技術[1]。隨著該技術的不斷成熟，除了在火電行業獨領風騷外，SCR在非電行業（鋼鐵、焦化、玻璃）也得到了廣泛的應用[2]。SCR技術在水泥窯的應用研究最早可以追溯到上世紀七十年代，日本Zosen公司在兩個預熱器窯和一個濕法窯上進行了中試，NOx脫除效率最高可達98%[3]。1996年，瑞士ELEX公司在奧地利Kirchdorf水泥廠進行了為期兩年的SCR中試試驗[4]，SCR反應器入口煙氣溫度300～400℃，含塵約80g/m3，NOx脫除效率為84.4%，（標況下）氨逃逸小于5 mg/m3。中試應用的成功拉開了SCR脫硝技術在水泥行業應用研究的帷幕。

1 SCR技術在水泥行業的應用研究

研究主要集中在催化劑的開發（V2O5（WO3）/TiO2催化劑、貴金屬催化劑、過渡金屬復合氧化物新型催化劑、鐵基硫酸鹽SCR催化劑、沸石類催化劑、稀土類催化劑、TiO2載體金屬氧化物低溫催化劑等）[5-6]、SCR反應器工藝布置方式（高溫高塵（反應器布置在C1與余熱鍋爐之間）、高溫中塵（反應器布置C1、高溫電收塵與余熱鍋爐之間）、中溫高塵（反應器布置在余熱鍋爐與高溫風機之間或是增濕塔出口后）、低溫低塵（反應器布置在窯尾除塵器與窯尾排風機之間）、吹灰系統的選擇優化[耙式蒸汽（壓縮空氣）吹灰、聲波吹灰]，概而言之，研究的方向主要是解決SCR催化劑及反應器對水泥行業高含塵煙氣（50～100g/m3）的適用性問題，如催化劑活性、壽命、催化劑孔隙堵塞、催化劑磨蝕、催化劑堿金屬中毒失活等。歐洲作為環境保護的先進地區，SCR脫硝應用研究走在了世界的前頭。表1為SCR脫硝系統在部分歐美洲國家水泥廠應用情況[7-8]。到目前為止，SCR脫硝系統在歐洲水泥行業已有十幾年成功運行經驗。

表1 歐洲水泥廠SCR應用情況

我國水泥窯SCR脫硝應用研究起步較晚，主要是由于SCR系統投資、運行成本相對較高、彼時國產催化劑不能滿足高塵工藝要求，需進口，且SNCR+分級燃燒技術能滿足NOx排放環保要求。但隨著水泥行業環保標準的提高，NOx的排放限值越來越低，SCR技術開始凸顯其高效率、超低排放的優勢。國內科研院校、企業聯合加大了這一技術的研發力度，以期引領市場。表2為國內部分科研院所、企業聯合水泥企業在SCR應用所做的嘗試工作，均取得了一定的成績，推動了SCR在水泥行業的應用[9-12]。其中的佼佼者有中材環保、西礦環保和海螺水泥。

表2 部分國內企業SCR中試應用研究情況

2018年，登封宏昌投資約4000萬元，在SNCR脫硝系統基礎上，增設電收塵+SCR脫硝裝置。該裝置由西安西礦環保科技有限公司設計，2018年10月通過專家組驗收，NOx排放濃度可穩定在50mg/m3以下，氨逃逸小于3 ×10-6，系統阻力約1000Pa，C1出口溫度降低10℃左右。目前項目已穩定運行兩年。2019年，海螺引進蒂森克虜伯SCR技術，投資4000萬元左右在其濟寧5000t/d生產線增設高塵SCR系統，于當年8月投產，系統阻力400Pa。項目情況如表3所示。至此，SCR脫硝技術在中國水泥工業的應用研究與國際并軌。

表3 中國水泥企業SCR工業應用情況

2 應用中存在的問題

從應用情況來看，SCR脫硝技術完全可以達到水泥行業超低排放的要求。限制其大規模應用的原因主要基于以下幾點：

（1）投資高。相較于分級燃燒+SNCR組合式脫硝技術，其投資約為其20～30倍；

（2）運行成本高?，F有水泥工業SCR脫硝系統主要采用奧地利CERAM、德國KWH和瑞士ELEX催化劑，催化劑成本占到總成本的50%左右，運行維護費用相對較高，而國產催化劑尚未完全解決堵塞、磨蝕、中毒等問題，一旦運行過程中發生堵塞造成燒成系統紊亂，影響相對較大；

（3）大多國內SCR脫硝設計單位缺乏SCR脫硝技術在水泥行業高塵環境下的設計應用經驗，催化劑清灰防堵技術有待提高；

（4）SCR脫硝系統占地較大，而現有水泥廠鮮有空間，布置難度大；

（5）失效SCR催化劑為危險廢物，須妥善處置。

3 結語

SCR脫硝技術為水泥行業NOx綠色減排提供了一條可靠的路線。但仍存在一次性投資大、催化劑有待國產化、系統占地大，老生產線進行改造空間布局困難、毒性V2O5/TiO2催化劑老化后的回收等問題。因此，研發高效經濟、適用水泥行業煙氣狀況的催化劑（種類、孔數、節距、厚度）仍是研發的重點。同時，結合水泥窯煙氣特性，研究催化劑的合理布置及其吹灰方法，有效解決其堵塞磨蝕等問題也是重中之重。可以預見，隨著SCR應用研究的不斷深入，水泥行業環保要求的日趨嚴格，SCR脫硝技術必將在水泥工業占有一席之地。