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行業新聞

    水泥窯低溫SCR脫硝技術中試研究
隨著國家標準的提高以及火電行業超低排放的帶動,SCR可能成為今后脫硝的首選工藝。目前水泥行業作為高污染高能耗的產業,其脫硝工藝也勢必面臨由SNCR向SCR方向的轉變[1]。目前國際上水泥行業SCR脫硝示范線很少,且均布置在預熱器310~350 ℃出口,由于該區域溫度窗口正好處于SCR催化劑活性溫度范圍,效率較高,但是該區域含塵量高達80~120 g/Nm3,且存在大量的堿和堿土金屬,如CaO等,容易造成催化劑孔道的堵塞,導致催化劑中毒失活等,限制了其推廣應用。鑒于此,國內外學者將研究重點轉向低塵低溫脫硝催化劑配方研究上,主要集中在錳基(MnOx)、釩基(V2O5),以及其他金屬氧化物基,如鈰基(CeO2)、鐵基(FeOx)、銅基(CuO)等催化劑的方向上,并取得了較好的效果。因此,本研究通過3 200 t/d新型干法水泥生產線窯尾布袋除塵器后建設低溫SCR脫硝中試裝置,以水泥窯實際煙氣情況研究了低溫SCR脫硝系統運行過程中煙氣溫度、噴氨速率、氣體空速等工藝參數對脫硝效率的影響,為下一步工業示范提供了數據支持和依據。

1 試驗部分

1.1 試驗系統

在北京某水泥公司3 200 t/d水泥生產線窯尾布袋除塵器后建設了1套13 000 m3/h風量的低溫SCR催化反應系統。系統主要由引風機、煙道調節閥、反應器、超聲波霧化器、氨水流量計、計量泵、溫度傳感器等組成。120~180 ℃煙氣由窯尾風機出口引入催化反應器,在催化劑作用下通過氨水將煙氣中氮氧化物還原成氮氣和水。催化系統主要設備見表1。



1.2 主要設計參數

催化劑采用整體蜂窩式,主要成分為釩鈦,摻雜Ce等稀土元素。催化劑單元模塊尺寸為150 mm×150 mm×810 mm,催化劑比表面積459 m2/m3,共有108個模塊,3層布置,每層36個,總體積約1.97 m3。該催化劑具有良好的脫硝活性和抗硫性能。主要設計參數見表2。原燃料燃燒產物灰元素分析見表3。


1.3 工藝流程
中試裝置建在北京市太行前景水泥有限公司3 200 t/d熟料生產線。煙氣處理量為6 000~13 000 m3/h。120~180 ℃煙氣從窯尾布袋除塵器后經旁路煙道引出,經過蝶閥、反應器后經引風機送入窯尾風機出口煙道。煙氣流量通過調整蝶閥控制實現。脫硝還原劑采用20%濃度氨水,通過小型氨水計量泵將氨水罐里的氨水送入超聲波霧化器,霧化成70 μm氨水霧滴與煙氣混合后,進入催化反應器反應,氨水流量通過調整流量計實現。煙氣溫度通過調整水泥窯生料磨開啟控制。中試裝置的流程見圖1,反應器結構設計見圖2。



2 中試結果與討論
2.1 空速對脫硝效率的影響

脫硝過程為氣固化學反應過程,其反應程度與煙氣和催化劑接觸時間長短、接觸面等因素有關[7] 。接觸面主要和催化劑斷面孔數有關,孔數越大,比表面積越大,壁厚越薄,本項目催化劑孔數為22×22。空速=煙氣流量/催化劑體積,是煙氣在催化劑內停留時間的倒數(h-1)。空速越大,煙氣在催化劑內停留的時間越短,催化反應作用時間越短,反應效率越低。然而,在煙氣流量確定的條件下,降低空速催化劑體積增大。實際空速的選擇需要對脫硝效率和催化劑用量兩者進行權衡。現有在建或者已運行的SCR系統中空速一般為4 000~6 000h-1左右。

空速對脫硝效率的影響見圖3。


試驗過程中控制空速在2 000~7 000 h-1的范圍內變化,溫度150 ℃、170 ℃,氨水流量2.5 L/h。通過調整煙氣閥門控制煙氣流量,從而調節空速。由圖3可以看出,在空速增大即反應時間減小的情況下,催化劑脫硝效率總體趨勢降低,但在一定空速范圍內催化劑活性較高且較為穩定。當溫度在170 ℃時,空速在2 500~7 000 h-1范圍內時,催化劑的脫硝效率均高于80%,可實現60 mg/Nm3排放。當溫度在150 ℃時,催化劑效率在50%。試驗顯示,空速在5 000h-1左右有明顯的分界,可作為工程參考。溫度對催化效率的影響比空速大。這可能是由于催化反應發生在布袋除塵器后,粉塵濃度較低,雖然空速增大,但是由于NH3在催化劑表面的吸附和階段氧化脫氫是SCR反應的核心,主要均受表面性質和反應溫度的影響,由于催化劑表面孔數未發生變化,故而脫硝效率并未有大的改變。

2.2 溫度對脫硝效率的影響

溫度是影響SCR脫硝效率的重要因素。SCR系統的最佳操作溫度決定于催化劑成分和煙氣組成。一般工業用SCR催化劑的最佳操作溫度為250~430 ℃。SCR脫硝效率隨著溫度的升高而增大,這是因為溫度升高能使化學反應速度以指數倍增加。當溫度高于催化劑系統所需溫度時,造成催化劑的燒結和失活,效率下降[9]。試驗過程中控制脫硝反應溫度在130~180 ℃的范圍內變化,煙氣流量10 000 m3/h,氨水流量5 L/h,溫度對脫硫效率影響試驗結果見圖4。


由圖4可以看出,溫度對催化劑脫硝效率的影響顯著,在所測試溫度區間內,其脫硝效率隨溫度的升高呈現升高趨勢。煙氣溫度低于130 ℃時脫硝效果不明顯,隨著溫度升高,脫硝效率上升。130 ℃時,脫硝效率可達30%,150 ℃后脫硝效率從50%開始急劇上升,180 ℃時可達80%以上。可實現50 mg/Nm3排放。此溫度下的催化效率除稀土元素改性貢獻外,也可能與水泥窯布袋除塵器后煙氣中粉塵濃度、雜質、SO2濃度低有關,未對NH3在催化劑表面吸附形成競爭[8]。通過國家環境分析測試中心檢測,溫度在160 ℃時,出口氮氧化物濃度為85 mg/Nm3,二氧化硫未檢出,煙塵濃度3.26 mg/Nm3,氯化氫濃度為3.94 mg/Nm3,氨氣濃度為0.575 mg/Nm3。

2.3 氨水對脫硝效率的影響

氨氮比是氨氣與氮氧化物的摩爾比。本項目還原劑采用20%濃度的氨水。如果氨氮比太小則會導致脫硝反應過程中還原劑供給不足,氮氧化物脫除不完全;如果氨氮比過大則會導致氨逃逸量增加,逃逸的氨氣會與煙氣中的SO2(SO3)、H2O反應形成硫酸氫銨,堵塞催化劑的微孔結構,減少催化劑反應表面積,最終導致活性降低,并且所造成的失活是不可逆轉的[9]。本項目通過體積流量計控制NH3的投入量,測試在不同氨氮比下催化劑的脫硝效率,確定最合理的氨氮比取值。試驗過程中煙氣流量10 000 Nm3/h,控制氨水流量1~6 L/min(氨氮比在0.6~1.1)的范圍內變化,其他條件采用表2所示的基本工況,試驗結果見圖5。


從圖5可以看出,脫硝效率并沒有隨著氨水的增加呈現出急劇增長的趨勢。溫度不同,氨水流量對脫硝效率的貢獻不同。這進一步說明,溫度是影響脫硝效率的關鍵因素。尤其是在130 ℃時,氨水的增加并沒有對脫硝效率有實質性的影響。150 ℃時,氨水流量增加對脫硝效率開始有增加趨勢。170 ℃時,氨水流量增加,脫硝效率出現明顯的增長趨勢。試驗顯示,氨水流量5 L/min(氨氮摩爾比0.85)時,在不同溫度下的脫硝效率曲線開始出現分界,該數值也與大部分研究吻合,證實SCR脫硝的機理是NH3在催化劑活性位上的吸附氧化作用,溫度對催化劑活性起活至關重要。

2.4 煙氣成分對系統運行的影響

根據文獻顯示,煙氣中水蒸氣、SO2、粉塵等對催化劑均有一定影響。其中,水蒸氣對催化劑的主要作用機理是抑制NH3在催化劑表面的吸附,其他作用是通過與煙氣中SO2生成硫酸鹽,沉積在催化劑表面,引起催化劑中毒。SO2對催化劑的失活作用主要是通過與水形成硫酸,與催化劑中釩發生反應,抑制催化,另外一種影響是與氨發生反應生成硫酸銨,堵塞催化劑通道。文獻顯示5%以內的含水率對催化劑不會造成失活,而且還具備一定的促進催化作用。積灰對催化劑影響主要通過高濃度沉積堵塞通道,堿金屬、堿土金屬與釩、硫酸、碳酸等生成堿金屬鹽類占據活性位[10]。通過計算,按照風量8 645 Nm3/h,含水率5%計,煙氣中未通入20%濃度氨水時,含水量大約347.4 kg/h,通入2~6 L/h氨水時,增加水大約1.2~4.8 kg/h,基本不影響煙氣中含水率。由于煙氣在布袋除塵器后,溫度較低,粉塵濃度小于20 mg/Nm3,而且煙氣中未檢測出二氧化硫,含水率未發生明顯變化,催化劑上并未檢測出硫酸銨鹽。

2.5 實際應用過程中應注意的問題

由于新型干法水泥熟料燒成系統的操作運行與生料磨基本同步,而經廢氣處理系統處理后的廢氣溫度一般小于100 ℃,所以本次試驗結果表明:采用釩鎢鈦系催化劑時,由于煙氣溫度對催化劑的重要影響,在脫硝的成本增加中應考慮設置廢氣的加熱系統及電耗的費用。對于安裝窯尾余熱發電的水泥企業,可考慮減少余熱鍋爐出口煙氣進入生料磨的煙氣量,提高布袋除塵器入口煙氣溫度,實現SCR與分解爐SNCR聯合脫硝。

3 結論

1)由于二氧化硫、粉塵濃度低,布置在布袋除塵器后的低溫SCR脫硝對于水泥窯具有很好的適應性。

2)溫度是影響低溫SCR脫硝效率的關鍵因素。煙氣溫度低于130 ℃時效果不明顯,隨著溫度升高,脫硝效率上升;130 ℃時,脫硝效率可達30%,150 ℃后脫硝效率從50%開始急劇上升,180 ℃時可達80%以上;可實現50 mg/Nm3 NOx的排放。

3)空速、氨水流量的變化對脫硝效率影響均在催化劑起活溫度后才開始顯現。設計上選取空速5 000 h-1是可行的。

4)實際應用中,可考慮通過減少窯尾余熱鍋爐出口煙氣進入生料磨的煙氣量,提高布袋除塵器后煙氣溫度,通過SNCR與SCR聯合進行氮氧化物超低排放控制。
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