水泥窯尾煙氣SCR脫硝技術(shù)工藝路線探討

近年來，為降低氮氧化物排放，大部分水泥企業(yè)已進(jìn)行SNCR脫硝技術(shù)改造；還有企業(yè)同時進(jìn)行了低氮燃燒改造或者進(jìn)行了燃料分級燃燒和空氣分級燃燒改造。然而這些脫硝技術(shù)的脫硝效率較低，一般為50%以下，氮氧化物排放濃度基本都在100mg/Nｍ³以上；同時氨逃逸量大，腐蝕生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備、產(chǎn)生安全隱患、影響回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)操作，增加生產(chǎn)能耗（包括煤耗、電耗），導(dǎo)致運(yùn)行成本提高[1-2]。

隨著國家及地方政府環(huán)保政策的趨嚴(yán)，多省市連續(xù)出臺水泥工業(yè)大氣污染物特別排放限值實(shí)施計(jì)劃，要求水泥行業(yè)全部完成超低排放，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度都要分別不高于10mg/Nｍ³、50mg/Nｍ³、100mg/Nｍ³，有些省份計(jì)劃參照燃煤火力發(fā)電廠的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，控制氮氧化物50mg/Nｍ³以下，以及對氨逃逸進(jìn)行限制。為滿足氮氧化物和氨逃逸的超低排放改造要求，借鑒燃煤火力發(fā)電廠成功成熟的SCR脫硝技術(shù)工藝路線基礎(chǔ)上，結(jié)合水泥窯尾煙氣性質(zhì)將是今后解決水泥窯尾煙氣氮氧化物超低排放的不二選擇[3-5]。

1 SCR脫硝技術(shù)工藝路線

1.1 水泥窯尾煙氣工藝流程現(xiàn)狀

如圖1所示，普通水泥窯尾C1出口后煙氣通常在300℃以上，粉塵濃度達(dá)80~120g/Nｍ³，其煙氣工藝流程中依次設(shè)置有增濕塔、與增濕塔并聯(lián)設(shè)置的余熱鍋爐、高溫風(fēng)機(jī)、生料磨系統(tǒng)、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)以及煙囪；其中生料磨系統(tǒng)由依次連接的生料磨、物料分離器以及物料風(fēng)機(jī)組成，且系統(tǒng)設(shè)有旁路煙道[6]。

圖1普通水泥窯尾煙氣工藝流程原理圖

如圖2所示，特種水泥尾C1出口后煙氣通常在300℃以下, 粉塵濃度亦為80~120g/Nｍ³，其煙氣工藝流程中依次設(shè)置有高溫風(fēng)機(jī)、增濕塔、與增濕塔并聯(lián)設(shè)置的生料磨系統(tǒng)、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)以及煙囪；其中生料磨系統(tǒng)也由依次連接的生料磨、物料分離器以及物料風(fēng)機(jī)組成[6]。

圖2特種水泥窯尾煙氣工藝流程原理圖

對水泥行業(yè)窯尾煙氣進(jìn)行SCR脫硝技術(shù)改造時，具體有兩種的工藝路線可供選擇，即傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線和“預(yù)除塵+SCR”脫硝技術(shù)工藝路線，為簡述起見，下文以特種水泥窯尾煙氣工藝流程為基礎(chǔ)進(jìn)行論述。

1.2 傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線

進(jìn)行水泥行業(yè)窯尾煙氣SCR脫硝技術(shù)改造時，其中一種可供選擇的工藝路線是直接借鑒燃煤電廠的氮氧化物治理方式，將SCR脫硝反應(yīng)器布置在窯尾C1出口的高溫高塵區(qū)，即傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線，如圖3所示。

傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)簡單，只需設(shè)計(jì)SCR反應(yīng)器，阻力低。但其缺點(diǎn)也是比較明顯：催化劑堵塞、磨損、中毒，氨逃逸等問題，吹灰是難點(diǎn)。

圖3傳統(tǒng)SCR脫硝技術(shù)工藝路線

1.3 “預(yù)除塵+SCR”脫硝技術(shù)工藝路線

水泥行業(yè)窯尾煙氣SCR脫硝技術(shù)的另一種可供選擇的工藝路線是“預(yù)除塵+SCR”脫硝技術(shù)工藝路線。由于水泥行業(yè)窯尾C1出口煙氣的粉塵濃度可達(dá)80-120 g/Nｍ³，以及粉塵高溫時粘度較大的性質(zhì)和粉塵粒徑細(xì)小且分布較為集中：10%的粒徑小于0.826μm，粉塵的粒徑中位值為3.237μm，粉塵中90%的粒徑小于11.696μm；PM2.5占比為40.59%，PM10占比為86.58%；另窯尾煙氣粉塵性質(zhì)與燃煤電廠煙氣粉塵性質(zhì)完全不同，因此非常有必要對水泥窯尾高溫?zé)煔庀冗M(jìn)行預(yù)除塵再進(jìn)入SCR反應(yīng)器，即形成“預(yù)除塵+SCR”脫硝技術(shù)工藝路線，為有效控制粉塵濃度，預(yù)除塵可采用高溫電除塵、高溫金屬濾袋除塵、高溫電袋除塵等。

1.3.1電除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線

如圖4所示，在SCR反應(yīng)器的前端設(shè)置高溫電除塵，窯尾C1出口后的高溫高塵煙氣先通過高溫電除塵進(jìn)行預(yù)除塵，但由于高溫?zé)煔獗入娮璐螅ㄈ鐖D5所示），高溫電除塵效率較低約50%（如圖6所示），因此電除塵后的高溫?zé)煔夥蹓m含量仍然很高，濃度與燃煤電廠設(shè)置SCR工藝的在同一個等級，甚至更高，因而與傳統(tǒng)SCR脫硝的問題一樣，無法解決傳統(tǒng)SCR脫硝工藝路線原有問題。

圖4電除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線

圖5-溫度對比電阻的影響

圖6-比電阻對電除塵效率的影響

1.3.2袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線

如圖7所示，袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線為SCR催化劑布置于高溫除塵器頂部，無磨損堵塞，催化劑保證設(shè)計(jì)壽命、催化劑無堿金屬中毒風(fēng)險(xiǎn)；脫硝無氨逃逸、無噴氨過量問題，保證脫硝效率，無氮氧化物超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；正常設(shè)計(jì)壽命條件下無運(yùn)維費(fèi)用、無吹灰器投資及其運(yùn)營維護(hù)成本、減少了阻力后的風(fēng)機(jī)運(yùn)營成本等。但其缺點(diǎn)在于濾袋直接面對高粉塵濃度的沖刷風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)，阻力和清灰效果無法預(yù)測。

圖7高溫金屬濾袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線

1.3.3電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線

高溫電袋塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線，水泥窯尾C1出口高溫高塵煙氣先經(jīng)煙道設(shè)計(jì)的機(jī)械沉降預(yù)除塵、高溫電除塵、高溫金屬濾袋除塵等三級的逐級預(yù)除塵，確保除塵安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行，不會對濾袋的沖刷，保證進(jìn)入脫硝催化劑的煙氣是干凈的。

進(jìn)口喇叭采用上進(jìn)風(fēng)型式，煙氣通過預(yù)熱器C01下降管接入到除塵器進(jìn)口，粗顆粒粉塵先經(jīng)過進(jìn)口喇叭的氣流封板進(jìn)行一部分機(jī)械除塵，根據(jù)以往的工程案例反復(fù)推算，該部分機(jī)械除塵可以達(dá)到20~30%的效率。粗顆粒經(jīng)過氣流均布板通過撞擊等失去動能，順延進(jìn)口喇叭底部壁板掉落在灰斗中，其余細(xì)顆粒或者較細(xì)和偏細(xì)的顆粒粉塵隨煙氣進(jìn)入電場。由于電除塵在高溫時荷電能力偏弱、電場效率較低，但也能保證50~70%的效率范圍，不同溫度下煙氣粉塵的比電阻關(guān)系以及在靜電除塵器中的除塵效率的影響[7]。因此確保進(jìn)入袋區(qū)的粉塵可以在30g以下，袋區(qū)的粉塵濃度得到有效控制，減少袋區(qū)粉塵對高溫金屬濾料的沖刷，延長濾袋的使用壽命。

圖8高溫電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線

另外值得的探討的是，經(jīng)過電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)方案改造后，水泥窯尾煙氣系統(tǒng)，后續(xù)只要進(jìn)行簡單的改造升級，如圖9所示，把生料磨系統(tǒng)的煙氣進(jìn)出接口改到電袋塵硝一體化設(shè)備的前端，把原布袋除塵器和增濕塔取消，增加煙氣余熱回收利用的節(jié)能系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的升級改造，保證環(huán)保的同時為企業(yè)降低生產(chǎn)成本。

圖9高溫電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線對窯尾煙氣系統(tǒng)的完善和改造升級

1.4 SCR脫硝技術(shù)工藝路線比較

表1-脫硝技術(shù)工藝路線比較

2電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線工程案例

河南某特種水泥廠1200t/d熟料水泥生產(chǎn)線，標(biāo)況煙氣量為150000Nm³/h，窯尾C1出口煙氣粉塵含量100g/ Nm³，煙氣溫度320℃，煙氣從窯尾預(yù)熱器出來后，經(jīng)高溫風(fēng)機(jī)后分成兩路煙氣走向，一路去增濕塔，另一路去生料磨、物料分離器、物料風(fēng)機(jī)后與增濕塔出口管路相連接匯合，煙氣再進(jìn)入到布袋除塵器除塵后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送入到煙囪而排放到大氣中。

本工程項(xiàng)目技術(shù)方案采用電袋除塵+SCR脫硝技術(shù)工藝路線，即在窯尾預(yù)熱器C1出口與高溫風(fēng)機(jī)之間接入電袋塵硝一體化設(shè)備，改造后端煙氣系統(tǒng)工藝流程如圖8所示，從投運(yùn)半年以來，氮氧化物濃度排放穩(wěn)定性、氨逃逸極少、以及設(shè)備進(jìn)出口差壓和袋區(qū)壓差也很穩(wěn)定，如圖9-12所示。

圖10-氮氧化物排放

圖11-氨逃逸

圖12-系統(tǒng)和袋區(qū)除塵差壓

如圖9-12所示，通過對本項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)整理分析可知，水泥窯尾煙氣經(jīng)電袋塵硝一體化技術(shù)改造后，電袋塵硝一體化系統(tǒng)的阻力值穩(wěn)定在1300Pa左右，比預(yù)期設(shè)計(jì)值1800Pa低；煙氣的氮氧化物排放濃度穩(wěn)定在30mg/Nm³以下，氨逃逸量穩(wěn)定在2.5mg/Nm³以下，達(dá)到極好的改造效果。

3結(jié)論

（1）水泥窯尾煙氣進(jìn)行脫硝超低排放技術(shù)改造時，宜選擇高溫預(yù)除塵結(jié)合SCR脫硝的工藝技術(shù)路線，且首選高溫電袋除塵+SCR脫硝一體化技術(shù)，此技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)脫硝超低排放標(biāo)準(zhǔn)50mg/Nm³以下，氨逃逸可控制在2.5mg/Nm³以內(nèi)。

（2）采用高溫電袋除塵+SCR脫硝一體化技術(shù)，SCR脫硝催化劑使用壽命長，無運(yùn)維費(fèi)用，系統(tǒng)阻力相對較低，投資運(yùn)維的綜合成本低。

（3）水泥窯尾煙氣采用高溫電袋除塵+SCR脫硝一體化技術(shù)改造后，有利于后續(xù)煙氣系統(tǒng)流程的進(jìn)一步優(yōu)化完善，即改造生料磨煙氣系統(tǒng)的煙氣進(jìn)出接口至一體化設(shè)備煙氣進(jìn)口前端，取消原有布袋除塵器等高溫風(fēng)機(jī)后端的原有設(shè)備，同時增設(shè)節(jié)能設(shè)備，達(dá)到環(huán)保與節(jié)能的有機(jī)統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)

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[7] 全國勘察設(shè)計(jì)注冊工程師環(huán)保專業(yè)管理委員會，中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會. 注冊環(huán)保工程師專業(yè)考試復(fù)習(xí)教材,大氣污染防治工程技術(shù)與實(shí)踐（上）[M]. 第四版.北京：中國環(huán)境出版社，2017:34-77.

作者簡介：

王金旺（1974-11），男，福建永定人，碩士研究生，主要從事節(jié)能環(huán)保技術(shù)研發(fā)工作。

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