選擇性催化還原SCR法煙氣脫硝技術（六）

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

選擇性催化還原SCR法煙氣脫硝技術（六）

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

（上接2016年5期）

6.2 國內應用實例

6.2.1 SCR法脫硝系統的試驗

SCR法脫硝最突出的優勢是脫硝效率高，如果要求NOx的排放濃度低于200 mg/Nm3，甚至達到100 mg/ Nm3左右，從目前煙氣脫硝技術的發展水平看，非它莫屬。但是，這種脫硝最大的缺點是投資大，運行費用高，有的資料顯示比SNCR法脫硝高出幾倍。這對于我國低利潤的水泥工業來說，確實是一個嚴峻的挑戰。也許這就是我國到目前為止僅有一套SCR法脫硝系統在水泥窯爐煙氣脫硝工程中應用的最重要原因。另外，采用SNCR法脫硝技術或者以SNCR法與其他脫硝方法的聯合脫硝就能滿足我國新標準對NOx排放的限值要求也是一個原因。試想，如果采用SCR法的經濟性不高于SNCR法脫硝技術，還有哪個企業不愿采用？不論建設投資還是運行費用都貴在催化劑上，隨著低溫催化劑的研發進展，一旦取得成功，不僅可以降低SCR法脫硝系統的建設投資，還可以降低運行費用。隨著我國對大氣污染控制的要求會越來越嚴格，為適應這種情況，我國在北京某水泥廠進行了SCR法脫硝技術在水泥窯爐脫硝的試驗，現對試驗情況進行介紹。

6.2.1.1 試驗方法

試驗是利用北京某水泥廠一條帶純低溫余熱發電的預分解窯水泥生產線回轉窯排出的廢氣進行，該生產線的生料磨為輥式磨。在窯尾收塵器后排風機和煙囪之間的管道上鉆孔引風，檢測廢氣中NOx濃度作為初始濃度。將引入的窯尾煙氣通入到電加熱器1中。經加熱后的廢氣通入裝有催化劑的催化塔或稱反應器2中，通過排風機3將反應后的廢氣排入煙囪4后排出。在排風機3的排氣管道上安裝NOx濃度檢測儀5，用于還原的氨氣利用氨氣儲罐6儲存，通過輸氨氣管路7將氨氣輸送到引入的窯尾廢氣管道內，與廢氣一起進入電加熱器1中，與廢氣一起加熱。為了調節和計量氨氣的用量，在氨氣儲罐6的輸出管路上安裝氨氣流量計8。在氨氣進入廢氣管道的兩側、電加熱器1與催化塔2之間和催化塔2出口與排風機3之間均安裝有控制蝶閥9。水泥生產線和SCR法脫硝的試驗系統流程如圖42所示。

圖42 水泥生產線和SCR法脫硝試驗系統流程圖

6.2.1.2 催化塔

催化塔也稱為反應器，采用SCR法脫硝時這是一個最重要的裝置，在催化塔內安裝不同的催化劑。本次試驗采用北京某大學研制的TiO2為載體的金屬氧化物低溫催化劑，以氨氣為還原劑。低溫催化劑主要成分為80%的TiO2和20%的其他金屬氧化物。催化劑為蜂窩式，單體尺寸為150 mm× 150 mm×800 mm，截面孔數為900孔，單個孔徑為3.8 mm。將18塊催化劑在塔內碼成2層，總體積為0.324 m3。催化塔設計的空速SV≈3 800 h-1。

6.2.1.3 氣體測定

氣體組分的測定采用Nicolet Nexus 670型Fourier變換紅外光譜儀（FTIR）進行，能夠精確地測定出NOx在煙氣中的含量。

6.2.1.4 試驗結果與討論

（1）理論噴氨量計算。

閥門全開時所取煙氣氣流量為1 250 Nm3/h，溫度為120 ℃，初始NOx濃度為503 mg/Nm3，計劃控制催化塔出口NOx濃度為100 mg/Nm3，氧氣體積濃度約為10%。為防止氨逃逸，取氨氮適宜當量比NSR＝0.9。按照《中國華能集團公司企業標準——火電工程設計導則——第2部分第3分冊——煙氣脫硫脫氮（2007.06版）》計算的理論噴氨量為0.136 kg/h，折合為每分鐘的標準升為2.99 SL/min，試驗中實際采用的噴氨量為3.00 SL/min。

（2） 溫度對脫硝效率的影響。

調節電加熱器，將溫度設定為130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃和170 ℃五種，保持氨氣流量為3.00 SL/min，測定不同溫度下催化塔出口的NOx濃度并計算出相應的脫硝效率η。溫度對催化劑脫硝效率的影響如圖43所示。

圖43 溫度對脫硝效率η的影響

由圖43可以看出，溫度是影響脫硝效率η的一個很重要因素。Furusawa等人研究發現，溫度也會影響NO的選擇性。當反應溫度升高時，NO的選擇性增大。當煙氣溫度為130 ℃時，NOx濃度從初始的503 mg/ Nm3降為307 mg/ Nm3，脫硝效率為42%。當煙氣溫度為170 ℃時，NOx的濃度僅為57.5 mg/ Nm3，脫硝效率達到89%以上。顯然，在相同煙氣量和噴氨量下，催化劑的脫硝效率隨反應溫度的升高而顯著增高。

（3）氨氮適宜當量比NSR對脫硝效率的影響。

在試驗溫度為130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃和170 ℃下，設定噴氨氣流量分別為0.50 SL/min、1.00 SL/min、1.50 SL/min、2.00 SL/min、3.00 SL/min和4.00 SL/min時，測定催化塔排氣口NOx的濃度并計算相應的脫硝效率，將結果繪于圖44。由此可見，隨著氨氣量的逐漸增加，脫硝效率也逐漸增大，即在相同溫度下，催化劑的脫硝效率隨著氨氣流量的增多而顯著提高。當氨氣過量噴入為4.00 SL/min時，隨著煙氣溫度從130 ℃升至170 ℃，催化劑的最大脫硝效率變化規律與沒有過量噴入時基本相同。當煙氣溫度為170 ℃，噴入氨氣流量為4.00 SL/min時，催化劑的最大脫硝效率為89.45%，與噴入氨氣流量為3.00 SL/min時相同?？梢?，過大的噴入氨氣量只能提高運行成本，對脫硝效率毫無意義。

圖44 氨氣量對脫硝效率的影響

（4） 連續運行的可靠性試驗。

保持煙氣流量為1 250 Nm3/h，氨氣流量為3.00 SL/min，煙氣溫度控制在160 ℃，連續試驗運行20 h以上，每隔1 h測定催化塔出口NOx濃度并計算出相應的脫硝效率。20 h內催化劑的脫硝效率在80%～81%之間波動，平均為80.29%，如圖45所示。

圖45 連續運行脫硝效率穩定性的試驗

由圖45可以看出，脫硝效率基本保持在80.5%，波動為±0.5%，表明這種低溫催化劑的運行是相當平穩的。

（5）粉塵對催化劑的影響。

經過5個月的試驗運行后，拆下催化劑載體，觀察粉塵對催化劑的影響。由圖46可以看出，粉塵在孔道上稍有附著卻沒有堵塞情況。表明SCR法脫硝系統安裝在窯尾收塵器之后完全可以長期安全使用。易言之，SCR法脫硝系統在低塵條件下使用是相當安全的。

6.2.1.5 實驗結論

通過這次試驗，掌握了有關低溫SCR法脫硝的許多規律。雖然不是真正的工程應用，但是可為將來滿足更嚴格水泥窯爐NOx排放標準提供一種途徑，為工程設計提供一些有益的數據。通過試驗可以得出以下結論。

圖46 粉塵在催化劑孔道上的附著形貌

（1）試驗證明，SCR法脫硝效率確實在當前情況下是最高的。

（2）在采用氨氮適宜當量比NSR＝0.9，計算的理論噴氨量為2.99 SL/min。試驗中實際采用的噴氨量為3.00 SL/min，與理論值相差0.3%，十分微小，其脫硝效率就高達80.3%。表明在實際脫硝工程中，準確計算噴氨量是非常重要的。

（3）在相同煙氣溫度下，低溫催化劑的脫硝效率隨氨氣量的增加而顯著增高；在相同噴氨量的前提下，催化劑的脫硝效率隨著溫度升高而顯著增高。

（4）噴入過量氨氣時，催化劑的最大脫硝效率隨溫度升高的變化規律與氨氣沒有過量噴入時基本相同。當反應溫度為170 ℃、氨氣流量為4.00 SL/min時，最大的脫硝效率僅為89.45%。

（5）連續運行20 h，檢測表明脫硝效率在80%以上，波動為±0.5%，運行相當穩定。

（6）催化劑經5個月的使用，其孔道沒有堵塞，可見這種低溫催化劑在水泥廠窯尾袋收塵之后是可以長期使用的。

6.2.2 北京金隅水泥窯爐SCR法低溫脫硝示范線

我國于2014年3月1日正式實施的GB4915-2013《水泥工業大氣污染物排放標準》規定：自2014年3月1起，新建企業執行GB4915-2013標準規定的大氣污染物排放限值，其中對水泥窯及窯尾余熱利用系統的氮氧化物NOx排放限值為400 mg/Nm3，重點地區為320 mg Nm3；自2015年7月1日起，現有企業執行上述氮氧化物NOx的限制。為貫徹落實這個新標準對氮氧化物的限值要求，全國的1 841條預分解窯在設計能力2 000 t/d熟料以上的水泥窯爐基本上都建設了選擇性非催化還原SNCR法的脫硝系統。采用這種脫硝系統，對氮氧化物的排放都能滿足新標準的限值要求。所以，我國水泥工業還沒有一家采用選擇性催化還原的SCR法脫硝技術。因為SCR法脫硝系統雖然脫硝效率更高，但投資更大，占地大，系統更復雜，運行費用更高等，對低利潤的水泥企業經濟壓力更大。

隨著經濟的發展，對環境質量的要求愈來愈高。如北京市就制定了新標準，規定在2016年1月1日起執行水泥生產企業氮氧化物排放不得高于200 mg/Nm3的限值。這樣，采用SNCR法脫硝系統或者采用SNCR法與任何分級燃燒技術的聯合脫硝法都是無能為力的，只有采用脫硝效率更高的SCR法脫硝系統才能滿足氮氧化物NOx排放的限值要求。為此，北京金隅集團為了貫徹北京市新標準的限值要求，率先在水泥窯爐上建設了一套低溫SCR法的脫硝系統，并獲得了成功。

6.2.2.1 低溫催化劑的研發

催化劑是SCR法脫硝系統的核心元件，其性能的優劣決定著整個SCR法脫硝系統的性能。催化劑在理論上按適應溫度可以分為三種類型，即高溫催化劑、中溫催化劑和低溫催化劑，參見表5～6。其中低溫催化劑的研制難度最大?？墒俏覈斀竦念A分解窯窯尾C1筒出口煙氣溫度都在300～360℃之間，同時在2 500 t/d熟料的水泥生產線又都采用純低溫余熱發電，排出的廢氣溫度都在150 ℃左右。顯然采用低溫低塵布置方案是最經濟適用的，可是就必須有能夠適應150 ℃左右煙氣溫度的催化劑。當前廣泛使用的催化劑基本都是以TiO2為載體和表面敷以V2O5及WO3等為活性物質的蜂窩式催化劑，適用溫度在280～400 ℃之間，很明顯不能滿足150℃低溫要求。要實現在150 ℃左右低溫煙氣條件下SCR法脫硝效率達到80%以上，就必須研制一種低溫催化劑。為此，中能國信（北京）科技發展有限公司與清華大學材料學院合作，歷時三年共同研發能夠適應150 ℃煙氣SCR法脫硝工程應用的低溫催化劑并取得成功。

6.2.2.2 早期的SCR法脫硝試驗

圖47所示是北京金隅紅樹林環保技術有限責任公司SCR法脫硝試驗裝置，試驗用水泥窯尾預熱器C1筒出口的粉塵濃度為80～100 g/Nm3，煙氣溫度≥120 ℃。試驗結果，氮氧化物NOx的排放濃度＜150 mg/Nm3。

圖47 SCR法脫硝試驗裝置

6.2.2.3 SCR法脫硝工程示范線

北京金隅集團楊樹林環保技術有限責任公司與中能國信（北京）科技發展有限公司合作，于2014年7月開始在一條煙氣量為200 000 Nm3/h的水泥窯爐上實施了SCR法脫硝系統工程的建設和摸索試驗。經過8個月的調試和運行，這套SCR法低溫脫硝系統一直都很穩定。當煙氣溫度為130 ℃時，脫硝系統的平均脫硝效率達到30%以上；當煙氣溫度在150 ℃時，平均脫硝效率達到50%的水平；當煙氣溫度在170 ℃時，最高的脫硝效率則達到了90%，平均脫硝效率為80%。經測算，這條水泥生產線水泥窯爐窯尾煙囪氮氧化物NOx的排放和氨逃逸都可滿足北京市2016年新標準的要求，分別在200 mg/Nm3和5 mg/Nm3以下。這套SCR法脫硝系統的催化劑能夠滿足在130～380 ℃煙氣溫度范圍的條件下達到氮氧化物NOx減排的目標值。這套SCR法低溫脫硝系統經受了水泥窯爐各種工況下的考驗，在脫硝達標的同時，還可降低氨水的消耗，進一步降低系統的運行費用。因而，這條水泥生產線成為我國首條水泥窯爐采用SCR法低溫脫硝的示范線，為有特殊要求的氮氧化物減排水泥企業開辟了一種脫硝的新途徑。

6.2.3 蘇州東吳2 500 t/d熟料線SCR法脫硝中試線

蘇州東吳水泥有限公司在SNCR法脫硝系統的基礎上又建設了SCR法脫硝系統，構成了SNCR＋SCR的聯合脫硝法。這條窯爐的處理工況風量為468 000 m3/h，折合成標況風量約為200 000 Nm3/h。據此進行中試的SCR法脫硝系統，采用高塵布置方式，催化塔中的催化劑床層采用5層，每個催化劑模塊尺寸為1 026 mm×1 930 mm，總體積為17.01 m3。如果進口的NOx濃度為800 mg/Nm3時，根據理論計算，出口的NOx濃度約為150 mg/Nm3，脫硝效率達到81.25%。當采用SNCR＋SCR聯合脫硝系統運行時，其脫硝效率可達90%以上。這就是說，NOx的出口濃度可降到100 mg/Nm3以下，可以達到任何脫硝標準嚴格限值的要求。

這套SNCR＋SCR中試聯合脫硝系統之SCR法脫硝的催化塔和塔架示于圖48，催化塔架為18 m高，共分五個床層。

圖48 蘇州東吳SCR法脫硝裝置

7 結束語

為了適應我國水泥窯爐采用SCR法脫硝技術的需求，助推這項脫硝技術在我國水泥窯爐上應用的盡快成熟，筆者借用《新世紀水泥導報》論述了SCR法脫硝技術，并以案例進行說明。

綜上所述，在國內外對水泥工業氮氧化物NOx排放濃度的要求愈來愈嚴格情勢下，僅采用SNCR法脫硝系統是不能滿足要求的，必須采用脫硝效率更高的SCR法脫硝技術才能達標?？梢哉雇?，隨著投資成本的降低，我國水泥工業中采用SCR法脫硝系統的水泥生產線會越來越多。 （全文完）

2015-12-10）

TQ172.622.4

B

1008-0473(2016)06-0013-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.005