新型脫硝技術(shù)在水泥窯系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

郭新干

(合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司 合肥 230051)

前言

水泥窯系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，除了產(chǎn)出目標(biāo)產(chǎn)物水泥熟料以外，還會(huì)生成高含量的氮氧化合物，對(duì)空氣造成嚴(yán)重污染，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)多方面的消極作用。為改善此類情況，國(guó)家加大對(duì)新型脫硝技術(shù)的投入力度，并運(yùn)用在水泥窯系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，把氮氧化合物分解成無(wú)害的氮?dú)馀c水，促使水泥窯系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)變成可持續(xù)發(fā)展的綠色生產(chǎn)過(guò)程。

1 水泥行業(yè)脫硝技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)國(guó)家頒布的GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，現(xiàn)階段水泥行業(yè)須執(zhí)行400 mg/Nm3(的排放標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)區(qū)域須執(zhí)行320 mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前水泥行業(yè)脫硝技術(shù)手段主要是SNCR(非催化還原反應(yīng))和低氮燃燒。這兩種脫硝技術(shù)主要用于燃燒之前和燃燒過(guò)程的單一控制，而單一控制存在效果不理想、運(yùn)行成本高的弊端，而且在環(huán)保要求越來(lái)越高的背景下，水泥行業(yè)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)必會(huì)更加嚴(yán)格，部分省市已將氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)提高至100 mg/Nm3。作為一種新型脫硝技術(shù)，SCR(催化還原反應(yīng))技術(shù)脫硝效率可達(dá)90%以上[2]，可以很好地改善水泥行業(yè)單一脫硝技術(shù)應(yīng)用的弊端，該技術(shù)正在不斷地推廣應(yīng)用在水泥行業(yè)。

2 SCR脫硝技術(shù)原理

SCR與SNCR反應(yīng)原理相同，兩者主要區(qū)別是SCR脫硝技術(shù)是在催化劑的作用下，氨水、尿素等還原劑有選擇性地與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O。SCR反應(yīng)器中煙氣分布更加均勻，還原劑與煙氣中的NOx接觸更加充分，脫硝效率更高，氨逃逸也可以得到有效控制。

3 SCR脫硝技術(shù)在水泥窯系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)SCR裝置在水泥窯系統(tǒng)的布置位置，水泥窯系統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)可分為高溫、中溫和低溫脫硝技術(shù)路線。高溫SCR布置在預(yù)熱器C1出口和余熱鍋爐之間，工藝流程見圖1；中溫SCR布置在余熱鍋爐和高溫風(fēng)機(jī)之間，工藝流程見圖2；低溫SCR布置在窯尾布袋除塵器。

圖1 水泥窯高溫SCR工藝流程圖

圖2 水泥窯中溫SCR工藝流程圖

催化劑是SCR脫硝技術(shù)的核心，直接影響脫硝反應(yīng)效率。目前SCR催化劑主要有3種結(jié)構(gòu)類型，分別是蜂窩式、波紋板式以及平板式。不同結(jié)構(gòu)的催化劑，其比表面積不同。當(dāng)催化劑催化硝煙完成硝化反應(yīng)，二者的接觸面積越大，催化速度和脫硝反應(yīng)越明顯，比如相同體積的SCR催化劑，蜂窩式催化劑的表面積最大且催化效果最佳[3]。此外，催化劑還具有一定的抗中毒能力，例如平板式催化劑可以削弱砷中毒的可能性，而波紋板式可以有效降低CO中毒的概率。因此水泥窯系統(tǒng)SCR催化劑選型是一個(gè)關(guān)鍵因素，應(yīng)當(dāng)綜合考慮系統(tǒng)所處環(huán)境、硝煙組成成分的含量比例等因素來(lái)選擇催化劑類型，從而實(shí)現(xiàn)SCR脫硝技術(shù)的最佳運(yùn)用。

水泥窯系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中煙氣會(huì)攜帶大量的粉塵，當(dāng)粉塵達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)附著在SCR催化劑的表面，導(dǎo)致催化劑和反應(yīng)物的接觸面積大幅減少，從而削弱催化反應(yīng)效果，降低NOx的消除率。因此，若采用高溫SCR技術(shù)路線，降低煙氣中的粉塵濃度以及采用合適的吹灰系統(tǒng)在整個(gè)技術(shù)路線中至關(guān)重要。強(qiáng)化除塵工作，為脫硝反應(yīng)的進(jìn)行提供合適的條件。若采用中低溫(70～230 ℃)SCR技術(shù)路線，可以避免煙氣中的高濃度粉塵，但是煙氣中的SO2、SO3等成分會(huì)使催化劑中毒，無(wú)法滿足實(shí)際工程需求，導(dǎo)致該技術(shù)路線脫硝效率很難得到保證，因此水泥行業(yè)SCR低溫催化劑還需要更大的研發(fā)投入，若研發(fā)成功，此技術(shù)路線前景非常廣闊(見圖3)。

圖3 水泥窯灰量大導(dǎo)致催化劑積灰

4 結(jié)語(yǔ)

時(shí)代發(fā)展需求是技術(shù)改革的指向標(biāo)，水泥行業(yè)為滿足國(guó)家節(jié)能減排要求，需要新型脫硝技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。SCR脫硝技術(shù)在催化劑的研發(fā)以及投資成本方面再進(jìn)一步突破和提高，必然會(huì)有更多的水泥窯系統(tǒng)引用該項(xiàng)技術(shù)，這對(duì)于水泥行業(yè)綠色可持續(xù)生產(chǎn)以及實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境保護(hù)目標(biāo)有著重要意義。