用于水泥行业的脱硝除尘一体化技术与中试研究

唐飞翔 廖达琛 郑俊杰 葛春亮 沈海涛 胡达清

浙江天地环保科技有限公司

0 引言

水泥工业氮氧化物排放约占全国氮氧化物排放量的8%～10%，是我国继火电厂、机动车之后的第三大氮氧化物排放源。“十三五”期间，国家对环保要求进一步趋严，对水泥工业的大气污染防治尤其是NOx总量减排提出了更高要求，江苏、河南、河北等部分地区已将NOX排放限值降为100mg/Nm3。

目前，水泥窑炉普遍采用的氮氧化物脱除方法为低氮燃烧、SNCR脱硝等技术[1，2]，脱硝效率一般低于60%，无法满足水泥行业更为严苛的氮氧化物排放指标。SCR技术具有较高的脱除效率，使排放的NOx浓度降到100mg/Nm3以下，是水泥行业脱硝的发展趋势。与电力行业相比，由于水泥工业废气的粉尘浓度高、碱金属含量较多、易使催化剂中毒和堵塞，国内外成熟的SCR脱硝工程实例较少。

浙江天地环保科技有限公司通过国内外的调研考察及小型试验，逐步找到了一种适用于水泥工业的烟气深度治理的陶瓷滤筒，并在此基础上开发了高效SCR脱硝除尘一体化技术，目前在浙江长广水泥厂搭建了水泥脱硝除尘中试平台已完成了初步的试验研究，为后续的工程化应用奠定了基础。

1 脱硝除尘一体化技术

1.1 脱硝除尘一体化反应器

在脱硝除尘一体化技术中，核心部件是一体化反应器，该反应器与布袋除尘器类似，由入口烟道、灰斗、中箱体、高温陶瓷催化剂滤筒、花板、上箱体、反吹扫系统、出口烟道等组成。一体化反应器垂直布置，烟气竖直向上流动。烟气由底部入口烟道进入，烟气中的烟尘在中箱体内被高温陶瓷催化剂滤筒外表面拦截，气体穿过滤筒层时在催化剂的作用下，烟气中的NOx与NH3进行脱硝反应，反应后的烟气经由上箱体、出口烟道离开。当滤筒外表面积灰达到一定程度时，反吹扫管道下部的喷嘴对高温陶瓷催化剂滤筒喷吹压缩气体，通过高压气体吹落滤筒外表面积灰至灰斗中，最后经输灰系统送到指定位置。从而既避免了催化剂与烟尘的直接接触，极大地降低了催化剂中毒及堵塞现象，同时又起到脱除NOx的作用。中试平台设计的一体化反应器见图1。

图1 脱硝除尘一体化反应器

1.2 中试平台工艺路线

在水泥工业中，SCR反应器可以有三个不同的安装位置，即高温/高尘、高温/中尘、低温/低尘。根据不同的安装位置，目前国内已开展了相关的试验研究[3-5]，针对催化剂的最佳反应温度（280℃～360℃），高效SCR脱硝除尘一体化技术选择高温高尘布置。本中试平台从水泥窑尾一级空气预热器出口烟道引出旁路烟气用于试验，进入中试平台一体化反应器脱硝除尘处理后的烟气经风机加压后返回余热锅炉出口烟道。此外，脱硝除尘一体化反应器入口烟道设有增加NOx量的气瓶，用于提高烟气中NOX浓度。中试平台设计的工艺路线见图2。

图2 中试平台工艺路线

1.3 高温陶瓷催化剂滤筒

陶瓷催化剂滤筒由硅酸铝纤维、无机物以及有机物的混合粘结剂组成，脱硝催化剂嵌在内层。陶瓷纤维组成刚性构件，反应器内部不需要支撑架构。滤筒的微观结构及运行一段时间后的实物见图3和图4。

图3 陶瓷催化剂滤筒的微观结构

图4 陶瓷催化剂滤筒

1.4 中试平台设计参数

中试平台通过在日产2 500t的干法水泥熟料生产线上建立一套具有工程参照意义的试验装置，验证高效SCR脱硝除尘一体化技术的可行性，设计参数见表1。

2 试验结果及分析

为了准确获取试验数据，中试平台入口处设置了在线测量的温度计、NOx浓度测试仪、压力变送器，出口处设置了在线测量的流量计、温度计、NOx浓度测试仪、压力变送器、烟尘仪等，同时每隔30秒保存一组数据。从2019年4月投运至今，连续运行时间超过两个月，入口烟气量基本维持在6 000Nm3/h左右，未出现明显催化剂堵塞及中毒现象，主要性能指标达到了设计的要求。

2.1 出入口NOX浓度变化曲线

水泥厂窑尾烟气经过SNCR脱硝反应后的NOX浓度基本维持在290mg/Nm3左右，经过SCR脱硝除尘一体化反应器后，在高温陶瓷催化剂滤筒的催化作用下，烟气中的NOX与NH3进行了脱硝反应，中试平台出口NOX浓度稳定维持在10mg/Nm3左右，脱硝效率高达85%～96%，运行40h的关系曲线见图5。

图5 出入口NOX浓度变化曲线

表1 中试平台的设计参数

2.2 出口尘含量变化曲线

中试平台入口处未安装在线测试的烟尘仪，试验前经手动离线测试，含尘量平均为40g/Nm3，经过SCR脱硝除尘一体化反应器后，烟气中的烟尘被滤筒外表面拦截，出口烟气中的烟尘浓度小于5mg/Nm3，除尘效率高达99．9%以上，运行40h的出口烟尘含量变化曲线见图6。

图6 出口烟尘含量变化曲线

2.3 入口NOx高浓度下的变化曲线

为了测试中试平台入口NOX高浓度下的脱除效率，通过采用NO气瓶往中试平台入口喷入NO气体，使其浓度维持在550mg/Nm3左右，出口浓度低于50mg/Nm3，脱硝效率高达90%以上，因考虑NO气体成本等因素，试验过程持续了半个小时左右，之后入口NOX浓度逐渐降低至原始状态，连续运行40min的关系曲线见图7。

图7 出入口NOX浓度变化曲线

3 结论

（1）通过中试平台长时间的稳定运行，表明了高效SCR脱硝除尘一体化技术的可行性，为后续的工程化应用奠定了基础。

（2）脱硝除尘一体化反应器入口NOx浓度高达500mg/Nm3以上时，出口的NOx平均浓度小于50mg/Nm3，该装置具有较高的NOx脱除效率，达到了火电行业超低排放的要求。