水泥工业SCR脱硝技术探究

魏荣

（成都建筑材料工业设计研究院有限公司，成都610056）

1 水泥工业NO x 控制标准发展

随着燃煤机组超低排放改造应用的有效推广，火电行业实现了污染物大幅减排，同时也引发了工业生产行业间排放标准的不平衡性发展。而正是行业间标准不平衡发展，导致大气污染治理工作重点慢慢转向了非电行业。而在水泥生产领域对于污染物，尤其是NOx排放标准也越发严格。发展至今，水泥生产污染物排放物中颗粒物、SO2、NOx的排放限值分别为颗粒物＜10mg/Nm3、SO2＜20mg/Nm3、NOx＜100mg/Nm3，这就要求水泥生产在现有技术设备基础上进行全面升级[1]。目前，我国部分省市已经开展了水泥炉窑SCR 脱硝试点试行工作。随着水泥污染排放物地域间标准不平衡发展，整个行业标准不断收严，SCR 脱硝技术必将成为主流趋势。

2 SCR脱硝原理、主流工艺和设备配置

随着选择性催化还原（SCR）脱硝技术在火电厂、燃煤锅炉中的应用越来越成熟，SCR 脱硝技术在水泥生产中的应用的可能性大幅度提升。为进一步推动SCR 脱硝技术在水泥厂中实际应用，加强对SCR 脱硝原理、工艺、设备的应用分析探讨极为重要。

与SCR 脱硝技术在火电行业应用领域原理相同，水泥生产中的应用基本原理也是在催化剂作用下，利用氨基来对烟气中NOx进行还原，得到不具备污染性的N2和H2O，主要反应式如下：

水泥生产排污烟气中也存在SO2等气体，在O2作用下SO2会被氧化为SO3，进而在SCR 催化剂作用生成不具备污染性的硫酸铵与硫酸氢铵。

值得注意的是，NH4HSO4具备较强的黏附性，黏附在催化剂上会隔绝催化剂与污染物接触，使得催化剂失效。在230℃高温下，NH4HSO4才会发生分解，所以，反应炉中的温度应控制在230℃以上，为了是反应充分，通常将温度控制在300℃左右，超过400℃将会使催化剂烧结失效[2]。

SCR 反应器是进行脱硝反应核心设备。在反应器内部，催化剂是以整体模块形式布置，液氨蒸发，汇总氨水稀释只有喷入烟道入口与烟气充分结合。此过程中波形对入口的烟气NOx浓度、温度，NH3/NO 摩尔比，以及催化剂孔速进行合理调整，确保进入匀速、均匀，才能实现较高NOx脱除率，避免较大氨损失。在进行反应处理之前可通过虚拟层来对流场均匀性进行模拟分析，进而确定合适的流速与浓度比例。此外，通过在催化剂前端设置金属过滤网，减轻催化剂堵塞、腐蚀问题。

在水泥工业SCR 脱硝处理过程中，不同SCR 反应器位置主要可将配置分为中温高尘、中低温高尘、低温低尘3 种[3]。中温高尘SCR 反应器布置于预热器与余热锅炉中间位置，温度为320～360℃，因此，催化剂具备较强选择性，脱硝效率与硫化物转化率都较高，但是催化剂极易中毒失效，且会导致下游设备出现硫铵盐沉积。中低温高尘SCR 反应器布置在余热锅炉与高温风机之间，温度通常约为250℃，反应烟气量较之中温高尘类型有所降低，成本也较低，导致仍然存在一定的高粉尘的问题与催化剂活性偏低问题。低温低尘SCR 反应器则布置在除尘器后，温度在150℃之下，烟气量与浓度最低，催化反应效率不高，需确保SO2浓度小于10mg/Nm3，此时脱硝率也仅约为70%。

3 水泥工业运用SCR脱硝技术研究

3.1 SCR催化剂

钒钛基、沸石、活性炭都是较为常见的SCR 催化剂，其中钒钛基适宜温度为270～400℃，沸石为300～440℃，活性炭为100～150℃。而钒钛基催化剂应用最为广泛。SCR 催化剂具备平行流催化剂显著特性，蜂窝、平板、波纹板都是钒钛基催化剂较为主流结构形式。蜂窝与波纹催化剂的应用原理基本一致，都是将载体进行处理形成小孔来增加反应接触面积，平板催化剂的基材通常是以不锈钢金属网格，采用负载活性成分压制而成。水泥工业生产含尘浓度通常为50～100g/Nm3，远比燃煤烟气要大，蜂窝催化剂具备壁厚大、活性成分负载率高、接触面积大的特点，因而更为适用水泥工业生产。

催化剂使用投资以及置换过程都需要耗费大量成本，占据着SCR 脱硝处理整体费用较大比例，因此，提高催化剂在SCR 管理提升其使用寿命极为重要。理论上SCR 催化剂能够无限期使用，然而在实际上由于物理化学作用，以及催化剂表面被反应化合物黏附，都会是催化剂失效，因此，在选择催化剂时还应选择使用寿命较长的、性能稳定的催化剂。值得注意的是，SCR 催化剂也是危险物品，所以，在对废弃催化剂进行处理时必须由专业危险废物处理厂处理，或者由供应商回收集中处理。

3.2 抗高尘技术

水泥炉窑高尘SCR 脱硝处理的烟气含尘浓度高达50～100g/m3，烟气飞灰沉积在催化剂表面会导致催化剂孔隙被堵住，并会对催化剂造成腐蚀，烟气流通面积逐渐变小，降低了SCR 脱硝反应效率。因此，必须注意及时清除催化剂表面积灰，为SCR 脱硝反应器高效运行提供保障，而蒸汽吹灰器与声波吹灰器是当前应用较为广泛的清灰技术设备。

蒸汽吹灰器的应用原理是借助高压蒸汽喷射冲击力对催化剂表面积灰进行清除，蒸汽必须具备与反应相当的温度，避免低温蒸汽降低催化剂性能。一般来说，蒸汽压力控制在0.6～1.0MPa 为宜，温度较相应压力饱和温度要高出50～100℃。声波吹灰器的使用主要是借助将压缩空气能转化为声波，声波振动会破坏黏附在催化剂上面的灰粒子，使其悬浮随烟气冲刷带走。发生头将携带能量的压缩空气转化为高强声波，使灰粒子和空气分子产生振动，破坏灰粒子黏附在催化剂表面，使之处于悬浮流化态，通过烟气流的冲刷带走。结合实际应用情况，蒸汽吹灰器具备更为明显效果，但也存在一定缺陷，如需要使用高温蒸汽，会对余热锅炉热效产生较大影响，同时也需要消耗大量热能。

3.3 环境经济效益分析

水泥工艺SCR 脱硝技术应用经济效益的计算，主要是以每吨NOx减少量所投入的建设与运行成本的计算为主，同时减排成本也是技术环评可行性评价的主要经济指标。因此，在评价NOx去除技术应用的经济效益过程中，除了需要考虑单位NOx减排成本之外，还需要对SCR 脱硝技术应用对于SO2、氨、汞等其他污染物治理的综合效益。

4 结语

水泥生产是我国工业经济中重要组成部分，但是我国在水泥脱硝技术应用方面起步较晚，随着水泥工业大气污染物排放标准的进一步提升，非催化还原（SCR）脱硝改造在我国水泥生产行业全面推行。随着超低排放标准的实施，水泥工业SCR 脱硝技术应用经济成本高居不下成为水泥生产领域发展重要制约因素，加强对水泥工业SCR 脱硝技术经济分析将有利于水泥脱硝技术以及整个行业NOx减排效果的提升。