SCR脱硝技术在水泥行业应用的探索性研究

张媛媛（钟山职业技术学院，江苏 南京 210049）

0 前言

以氨作为还原剂的SCR（选择性催化还原）脱硝技术最早由美国Englehard公司于1957年取得专利，该技术采用白金为催化剂，因成本昂贵，限制了其工业应用。至1980年日本成功开发了钒/钛基催化剂后，SCR烟气脱硝技术在日本得到工业应用，1985年引入欧洲，1999年我国福建漳州后石电厂引入该技术[1]。随着该技术的不断成熟，除了在火电行业独领风骚外，SCR在非电行业（钢铁、焦化、玻璃）也得到了广泛的应用[2]。SCR技术在水泥窑的应用研究最早可以追溯到上世纪七十年代，日本Zosen公司在两个预热器窑和一个湿法窑上进行了中试，NOx脱除效率最高可达98%[3]。1996年，瑞士ELEX公司在奥地利Kirchdorf水泥厂进行了为期两年的SCR中试试验[4]，SCR反应器入口烟气温度300～400℃，含尘约80g/m3，NOx脱除效率为84.4%，（标况下）氨逃逸小于5 mg/m3。中试应用的成功拉开了SCR脱硝技术在水泥行业应用研究的帷幕。

1 SCR技术在水泥行业的应用研究

研究主要集中在催化剂的开发（V2O5（WO3）/TiO2催化剂、贵金属催化剂、过渡金属复合氧化物新型催化剂、铁基硫酸盐SCR催化剂、沸石类催化剂、稀土类催化剂、TiO2载体金属氧化物低温催化剂等）[5-6]、SCR反应器工艺布置方式（高温高尘（反应器布置在C1与余热锅炉之间）、高温中尘（反应器布置C1、高温电收尘与余热锅炉之间）、中温高尘（反应器布置在余热锅炉与高温风机之间或是增湿塔出口后）、低温低尘（反应器布置在窑尾除尘器与窑尾排风机之间）、吹灰系统的选择优化[耙式蒸汽（压缩空气）吹灰、声波吹灰]，概而言之，研究的方向主要是解决SCR催化剂及反应器对水泥行业高含尘烟气（50～100g/m3）的适用性问题，如催化剂活性、寿命、催化剂孔隙堵塞、催化剂磨蚀、催化剂碱金属中毒失活等。欧洲作为环境保护的先进地区，SCR脱硝应用研究走在了世界的前头。表1为SCR脱硝系统在部分欧美洲国家水泥厂应用情况[7-8]。到目前为止，SCR脱硝系统在欧洲水泥行业已有十几年成功运行经验。

表1 欧洲水泥厂SCR应用情况

我国水泥窑SCR脱硝应用研究起步较晚，主要是由于SCR系统投资、运行成本相对较高、彼时国产催化剂不能满足高尘工艺要求，需进口，且SNCR+分级燃烧技术能满足NOx排放环保要求。但随着水泥行业环保标准的提高，NOx的排放限值越来越低，SCR技术开始凸显其高效率、超低排放的优势。国内科研院校、企业联合加大了这一技术的研发力度，以期引领市场。表2为国内部分科研院所、企业联合水泥企业在SCR应用所做的尝试工作，均取得了一定的成绩，推动了SCR在水泥行业的应用[9-12]。其中的佼佼者有中材环保、西矿环保和海螺水泥。

表2 部分国内企业SCR中试应用研究情况

2018年，登封宏昌投资约4000万元，在SNCR脱硝系统基础上，增设电收尘+SCR脱硝装置。该装置由西安西矿环保科技有限公司设计，2018年10月通过专家组验收，NOx排放浓度可稳定在50mg/m3以下，氨逃逸小于3 ×10-6，系统阻力约1000Pa，C1出口温度降低10℃左右。目前项目已稳定运行两年。2019年，海螺引进蒂森克虏伯SCR技术，投资4000万元左右在其济宁5000t/d生产线增设高尘SCR系统，于当年8月投产，系统阻力400Pa。项目情况如表3所示。至此，SCR脱硝技术在中国水泥工业的应用研究与国际并轨。

表3 中国水泥企业SCR工业应用情况

2 应用中存在的问题

从应用情况来看，SCR脱硝技术完全可以达到水泥行业超低排放的要求。限制其大规模应用的原因主要基于以下几点：

（1）投资高。相较于分级燃烧+SNCR组合式脱硝技术，其投资约为其20～30倍；

（2）运行成本高。现有水泥工业SCR脱硝系统主要采用奥地利CERAM、德国KWH和瑞士ELEX催化剂，催化剂成本占到总成本的50%左右，运行维护费用相对较高，而国产催化剂尚未完全解决堵塞、磨蚀、中毒等问题，一旦运行过程中发生堵塞造成烧成系统紊乱，影响相对较大；

（3）大多国内SCR脱硝设计单位缺乏SCR脱硝技术在水泥行业高尘环境下的设计应用经验，催化剂清灰防堵技术有待提高；

（4）SCR脱硝系统占地较大，而现有水泥厂鲜有空间，布置难度大；

（5）失效SCR催化剂为危险废物，须妥善处置。

3 结语

SCR脱硝技术为水泥行业NOx绿色减排提供了一条可靠的路线。但仍存在一次性投资大、催化剂有待国产化、系统占地大，老生产线进行改造空间布局困难、毒性V2O5/TiO2催化剂老化后的回收等问题。因此，研发高效经济、适用水泥行业烟气状况的催化剂（种类、孔数、节距、厚度）仍是研发的重点。同时，结合水泥窑烟气特性，研究催化剂的合理布置及其吹灰方法，有效解决其堵塞磨蚀等问题也是重中之重。可以预见，随着SCR应用研究的不断深入，水泥行业环保要求的日趋严格，SCR脱硝技术必将在水泥工业占有一席之地。