超低溫SCR脫硝催化劑在水泥窯的中試研究

隨著我國(guó)大氣污染治理工作的深入，環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格及火電、焦化等行業(yè)氮氧化物（NOx）超低排放技術(shù)的推廣應(yīng)用，水泥、有色冶煉、玻璃等非電行業(yè)污染物超低排放成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。其中水泥工業(yè)是重點(diǎn)，生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)[2]表明，2015年以來(lái)，以火電、鋼鐵、焦化行業(yè)等為代表的NOx排放已得到有效控制，而水泥工業(yè)NOx排放量比重不斷增加，年均占全國(guó)NOx排放總量的20%左右。目前水泥行業(yè)多選擇“低氮燃燒+選擇性非催化還原（SNCR）”方法進(jìn)行煙氣脫硝處理[3]。如邢臺(tái)金隅冀東水泥有限公司[4]采用“優(yōu)化分級(jí)燃燒+高效SNCR”進(jìn)行水泥窯煙氣脫硝，取得良好效果；長(zhǎng)興南方5000 t/d生產(chǎn)線[5]采用“優(yōu)化分級(jí)燃燒+精準(zhǔn)SNCR”技術(shù)進(jìn)行煙氣的脫硝處理，日常生產(chǎn)時(shí)控制NOx排放濃度約為250 mg/m3。上述方法存在脫硝效率不夠高，氨逃逸等二次污染，達(dá)不到超低排放要求[6,7]。

選擇性催化還原（SCR）法脫硝效率高、性能安全可靠，是未來(lái)工業(yè)源NOx排放控制技術(shù)發(fā)展總的趨勢(shì)[8]。但為滿足現(xiàn)有商業(yè)催化劑工作溫度窗口（180℃以上），一般技術(shù)路線為在水泥窯一級(jí)預(yù)熱器或余熱鍋爐出口設(shè)置SCR裝置，然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一級(jí)預(yù)熱器或余熱鍋爐出口粉塵濃度過(guò)高（分別為100 g/Nm3、50 g/Nm3），且含有較高的堿金屬等有害物質(zhì)，對(duì)常規(guī)釩基催化劑影響較大[9]。因此考慮在除塵后進(jìn)行脫硝，但經(jīng)過(guò)除塵后煙氣溫度大幅下降，多在150℃以下甚至更低[10]。因此，開(kāi)發(fā)適應(yīng)低溫（<150℃）工況的SCR技術(shù)，可大幅降低運(yùn)行成本，對(duì)于推動(dòng)發(fā)展SCR技術(shù)意義重大[11,12]。

本研究以超低溫（100~150℃）稀土脫硝催化劑最新研究成果為基礎(chǔ)[13-16]，在對(duì)某企業(yè)1500t/d熟料窯煙氣工況進(jìn)行研究分析的前提下，通過(guò)建設(shè)超低溫SCR脫硝中試裝置，分析空速、噴氨量等因素對(duì)催化劑脫硝效果的影響，為實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)綠色生產(chǎn)、超低排放提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2 材料與方法

2.1超低溫SCR脫硝系統(tǒng)工藝流程及裝置

超低溫SCR中試裝置建設(shè)地點(diǎn)為某1500 t/d水泥生產(chǎn)線，于2019年進(jìn)廠安裝并調(diào)試運(yùn)行?；谠撝性囇b置進(jìn)行超低溫SCR脫硝催化劑的性能測(cè)試。該裝置主要包括為SCR反應(yīng)器、超低溫稀土基催化劑、噴氨裝置及離心風(fēng)機(jī)。工藝流程及中試裝置如下圖所示。

圖1 超低溫SCR脫硝工藝流程及中試裝置示意

水泥窯煙氣經(jīng)過(guò)五級(jí)預(yù)熱器、余熱鍋爐后，煙氣溫度降至220℃左右，為保證原料立磨效果、布袋除塵性能及使用壽命，在經(jīng)過(guò)高溫風(fēng)機(jī)后煙氣需要通過(guò)增濕塔降溫再進(jìn)入立磨和布袋除塵器，除塵器后煙氣溫度為100~120℃，粉塵濃度降至10 mg/Nm3，除塵后的煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)排至煙囪[17]。中試裝置安裝在除塵后煙氣管道處，中試裝置入口安裝有調(diào)節(jié)風(fēng)量用的閥門(mén)，同時(shí)為克服系統(tǒng)阻力，SCR反應(yīng)器后設(shè)有離心風(fēng)機(jī)，處理后的煙氣排入主管道。進(jìn)入中試裝置的煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 中試系統(tǒng)煙氣參數(shù)

2.2 催化劑設(shè)計(jì)參數(shù)及物化性質(zhì)

本研究所用催化劑是由南京大學(xué)開(kāi)發(fā)的超低溫?zé)o釩稀土基催化劑[18]。還原劑為水泥窯SNCR系統(tǒng)逃逸的氨及噴氨裝置輸送的氨氣。催化劑的物理化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 超低溫稀土基催化劑的物化性質(zhì)

2.3 催化劑表觀特性檢測(cè)方法

使用testo350煙氣分析儀進(jìn)行反應(yīng)器出入口NOx濃度檢測(cè)。

使用Micrometrics ASAP2020 HD88型氣體吸脫附儀在液氮保護(hù)下對(duì)樣品進(jìn)行N2的吸附等溫線測(cè)定，并得到催化劑的比表面積、孔容和孔徑。

SEM用來(lái)分析樣品的表面形態(tài)，使用日立SU8010掃描電鏡在5 KV加速電壓下對(duì)樣品進(jìn)行掃描。

使用型號(hào)為INCAOXFORD的X射線能量色散儀（EDS）分析催化劑負(fù)載后表面元素含量。能譜能量分辨率：130 eV；元素檢測(cè)范圍：B~U。

3 結(jié)果與分析

3.1超低溫催化劑脫硝性能

本研究所在水泥生產(chǎn)線原脫硝工藝為“低氮燃燒+SNCR”，尾排煙氣中NOx濃度為320 mg/Nm3以下，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水泥工業(yè)大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》GB4915-2013規(guī)定NOx≤320 mg/Nm3的要求[19]。由于水泥生產(chǎn)線設(shè)有原料立磨，在立磨開(kāi)時(shí)進(jìn)入中試裝置的煙氣溫度為100℃左右，在立磨停時(shí)煙氣溫度為120℃左右，因此中試試驗(yàn)考察了在3000 Nm3/h風(fēng)量，氨氮比0.9~1之間，不同工況下超低溫催化劑長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行脫硝性能，由于窯爐工況和煙氣成分波動(dòng)較大，在此期間NOx濃度在100~320 mg/m3之間波動(dòng)。結(jié)果如圖3所示，即在空速為4000 h-1條件下，當(dāng)煙氣溫度在100℃左右時(shí)，脫硝效率可達(dá)到75%以上，當(dāng)煙氣溫度在120℃左右時(shí)，脫硝效率可達(dá)到95%以上，且在NOx濃度低于320mg/m3的情況下，可滿足出口低于50 mg/m3的要求。

圖3超低溫催化劑長(zhǎng)?