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水泥窑炉SCR脱硝工艺路线及催化剂选型探讨 
(发布日期:2020/12/29 11:42:12)
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  1前言

  水泥行业烟气污染物排放总量大,特别是氮氧化物占全国工业排放总量的10%~12%。《水泥工业大气污染物排放标准》(GB 4915-2013)要求氮氧化物排放限值320mg/Nm3,远高于煤电行业超低排放限值50mg/Nm3。在国家环保新标准日趋严厉的现状下,水泥行业面临巨大NOx的减排压力,排放标准进一步收紧是未来发展的大趋势。

  水泥窑已有的低氮燃烧器、分解炉分级燃烧技术以及SNCR脱硝技术,NOx减排水平30~60%,NOx排放≥300mg/Nm3,难以满足日趋严格的国家环保排放标准要求。SCR脱硝技术作为全世界应用最广泛高效的氮氧化物脱除技术,具有脱硝效率高、无二次污染、运行可靠稳定等优点,广泛的应用在各个工矿企业中,符合水泥行业日趋严格的氮氧化物排放要求,是一种理想的水泥窑脱硝技术。

  2水泥窑炉SCR脱硝技术路线

  2.1水泥窑尾烟气特点
(1)NOx含量高,为300~1300mg/Nm3。
(2)湿度大,水含量8~16%;水蒸气露点一般为45~55℃。
(3)粉尘含量高,烟尘浓度达60~120 g/Nm3,并含有碱土金属氧化物等腐蚀性成分。
(4)粉尘粒径小(小于10μm的颗粒约占75~90%)、比电阻高,除尘难度大。
(5)粉尘中碱金属氧化物含量高。

  2.2水泥窑炉脱硝工艺路线

  对于SCR脱硝技术来说要使反应效率高效稳定,保证反应器温度窗口尤为重要。根据水泥工艺特点,选择290~310℃温度区间脱硝,脱硝活性高,催化剂用量少,无需热再生设备或者额外的能耗投入,运行成本比低温脱硝低,可实现长期稳定可靠运行,是最佳SCR脱硝温度反应区。在该温度区的脱硝系统根据SCR反应塔的不同除尘方式,分为高尘、中尘、低尘三种脱硝布置工艺(见表1)。
表1 高尘、中尘、低尘布置脱硝工艺对比


  通过以上表可知,中尘及低尘布置在SCR系统前端添加了除尘设备,为脱硝系统提供一个良好的工作环境,然而,高温静电除尘器的设备投资是SCR系统的80%,高温金属膜除尘器的设备投资更高达SCR系统的130%,除尘设备作为脱硝系统的前端辅助设备,其设备投资在整套脱硝系统中占比过高,甚至超过脱硝主系统,这是许多厂家无法接受的;高尘脱硝相对于中尘、低尘脱硝,在经济性上具有较大的优势,但同时对催化剂的要求更高,需要催化剂具备以下性能:

  1.防止堵灰
水泥窑炉烟气中的粉尘,相对于燃煤电厂其粘性较大,会在催化剂的表面和孔道内堆积,造成脱硝效率降低,阻力不断上升,甚至造成催化剂堵塞风险。

  2.防止催化剂碱中毒
水泥窑尾预热器出来的烟气中粉尘含量高达60~120 g/Nm3,且存在大量的碱土金属CaO,通过催化剂时,有堵塞催化剂的风险,易加快催化剂的磨损,同时催化剂在含高钙飞灰的烟气中长期运行会逐渐失活,这是水泥窑尾烟气SCR脱硝必须要解决的难点。
根据相关文献报到,瑞士ELEX公司2004年至2018年间,在欧美地区共建成8套水泥SCR脱硝装置,其中7套采用高尘布置,SCR系统布置在预热器C1 出口;1套采用中尘布置,SCR系统布置在电除尘器烟气出口后。8套SCR脱硝装置运行情况见表2。
表2 瑞士ELEX公司SCR脱硝试验装置运行情况


  由表2可看出,高尘布置占有率为87.5%,所有装置实际运行脱硝效率均>71.4%,这些数据及运行经验说明,只要能够针对性地解决催化剂堵灰、碱金属中毒的问题,高尘脱硝具有十分明显的经济性。

  3 华电光大在水泥行业SCR技术优势

  3.1催化剂技术优势
北京华电光大环境股份有限公司依托华北电力大学,组建了自己的研发生产团队,脱硝催化剂具有完全自主知识产权。在对水泥窑尾烟气脱硝技术充分论证、广泛调研的基础上,结合自身技术优势,华电光大研发出适用于水泥窑尾烟气的脱硝催化剂。该催化剂主要有以下特点:

  1.抗堵灰能力强
华电光大水泥烟气脱硝用催化剂为板式催化剂。板式催化剂的源初设计就是为了满足高灰的烟气的脱硝而诞生和发展起来的。板式催化剂相对于蜂窝催化剂具有节距大,孔道角落少,不易形成低流速区等特点,能有效避免飞灰的堆积、堵塞催化剂孔道。同时,板式脱硝催化剂以金属钢网为基材,具有柔性结构,烟气流过板式催化剂时,催化剂单板在烟气中不停振动,使飞灰难以附着于催化剂表面。此外,华电光大充分发挥自主产权优势,通过以下方式优化提高了脱硝催化剂的抗堵灰能力。


  另外,板式催化剂与常见的蜂窝催化剂相比,比表面积偏小,所用体积量偏大10%-20%。但在水泥行业却不存在这样的问题。目前,水泥行业普遍采用几何比表面积303m2/m3的13×13孔蜂窝催化剂(开孔率87.5%),而华电光大水泥烟气脱硝用催化剂的几何比表面积有283m2/m3(开孔率89.9%)、300m2/m3(开孔率89.0%)、333m2/m3(开孔率88.0%)三种规格,与蜂窝催化剂相近;蜂窝催化剂不再有体积量方面的优势。

  2.抗碱金属中毒能力强

  针对水泥窑尾烟气特点,华电光大在常规催化剂的基础上做了性能改进:开发了具有高效抗碱金属的脱硝催化剂,在高碱金属含量飞灰烟气中具有优异的活性以及长的使用寿命。通过对催化剂进行理论分析、性能评价和表征,分析催化剂中各元素赋存形态与催化剂性能之间的关系,深入了解催化剂中毒原理,并从减缓催化剂化学中毒和物理中毒方面切入,成功开发了抗碱金属中毒SCR脱硝催化剂。


  3.2高效清灰措施
采用声波吹灰器和耙式吹灰器组合吹灰方式。声波吹灰器是将压缩空气蓄能转化为高强度声波,使沉积的粉尘产生震荡并处于悬浮流化状态,部分粉尘随烟气带走。耙式吹灰器是将压缩空气经过专用换热器加热后,通过可伸缩耙管的喷嘴喷出,对沉积的粉尘进行移动吹扫,保持催化剂孔道畅通,热态压缩空气可避免低温对催化剂的冷脆损坏。通过这两种吹灰方式的组合,大大提升清灰效果,有效降低粉尘对催化剂堵塞的几率。

  4结论

  北京华电光大联合华北电力大学国家生物质实验室一直致力于抗碱中毒和抗堵塞SCR脱硝催化剂的研发与应用,并拥有完全自主知识产权和专利群。华电光大研发的平板式抗碱脱硝催化剂具有抗碱中毒性能,可以保证长期运行不中毒;平板式催化剂具有优良的抗堵性能,在烟尘总量高达300g/Nm3的工程项目中运行稳定,不堵灰;可满足较为宽泛的温区脱硝(烟气在150~450℃),全覆盖了中低温脱硝段,同时在工艺上配备高效的清灰措施,全方位地解决了水泥行业烟气脱硝中出现的堵灰、碱金属中毒等问题。

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