水泥窑烟气SCR脱硝技术和工程应用
水泥窑烟气SCR脱硝技术和工程应用
李海波,雷 华
(西安西矿环保科技有限公司,陕西 西安)
摘 要:随着水泥行业超低排放政策的实施,水泥窑烟气氮氧化物深度治理是实现超低排放的核心技术之一。西矿环保结合中国水泥窑工艺特点,领先开发出“高温电除尘器+SCR脱硝一体化技术”,具有低阻高效的显著优点。西矿环保在取得全国首台套水泥窑SCR脱硝技术示范工程成功投运后,共实施了9个水泥SCR脱硝工程,氮氧化物排浓度放稳定达到50mg/Nm3以下,对我国水泥氮氧化物深度减排具有重要的引领示范作用。
1.前言
SCR脱硝技术在我国电力行业应用成熟,氮氧化物排放可达到50mg/Nm3以下。在煤电行业实行“超低排放”的背景下,水泥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。2020年,河北省、河南省、安徽省出台地方标准,要求水泥窑烟气氮氧化物排放浓度不高于100mg/Nm3的“超低排放”要求,2019年,河北省邯郸市要求不高于50mg/Nm3的氮氧化物排放要求。国家环保要求日趋严厉,水泥行业面临巨大的氮氧化物减排压力,排放标准进一步收紧是未来发展的大趋势。
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,是水泥行业氮氧化物治理最理想的技术路线之一。欧洲水泥行业氮氧化物深度治理技术主要是在SCR脱硝技术方面展开研究应用,取得了一定的试验和运行经验。国内水泥生产规模和工艺特点相较于欧洲有较大差异,需消化改进。
西矿环保作为水泥行业烟气治理的领军企业,自主研发的“高温电除尘器+SCR脱硝一体化技术”,在水泥行业开展首台4500t/d水泥窑全烟气工程示范应用,顺利通过环保检测验收,且已稳定运行两年以上时间。2018年至今,西矿环保已经实施了9个水泥SCR脱硝工程,为我国水泥行业氮氧化物深度减排提供技术支撑和工程示范。
2.水泥SCR脱硝技术路线
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,水泥窑尾预热器C1出口温度280~330℃,是应用SCR脱硝最佳工艺温度段,可获得较高的脱硝效率。但工况条件恶劣,须采取改善措施,以保障SCR脱硝系统长期稳定运行。
项目 | 高温高尘 | 高温中尘 | 中低温中尘 | 低温低尘 |
布置位置 | C1与余热锅炉间 | C1与余热锅炉间 | 高温风机前/后 | 尾排除尘器后 |
配置形式 | SCR | 高温电除尘器+SCR | SCR | SCR |
温度(℃) | 260-350 | 260-350 | 180-220 | 80-130 |
O2含量(%) | ~3 | ~3 | ~5 | ~10 |
粉尘浓度 (g/Nm3) | 100 | 20~40 | 30-50 | 0.02 |
SO2允许浓度 (mg/Nm3) | >200 | >200 | <50 | ≈0 |
建议 | 备选 | 优选方案 | 备选 | 催化剂在研究 |
通过多项工程实践证明,选择“高温电除尘器+SCR脱硝一体化技术” 相较于其他工艺路线具有高效、稳定与运行费用低等特点,是目前水泥行业SCR脱硝的最佳选择。
3.水泥SCR脱硝关键技术
3.1降尘防堵
水泥烟气中的粉尘具有浓度大、粒径小、钙质成分高的特点,降低粉尘浓度是水泥高温SCR脱硝的关键技术之一。西矿环保凭借多年在水泥和电力行业烟气治理经验以及计算和实践,研发出适用水泥高温工况的电除尘器技术,有效改善催化剂冲刷和堵塞风险。高温电除尘器相对比其它除尘方式,具有低阻高效的特点。
西矿环保高温电除尘器采用耐高温的阳极板、阴极线等专利技术,有效提高除尘器的稳定性,通过对高温放电性能、绝缘性能、机械结构等方面进行研究改进,使其在经受高温工况仍有较高除尘效率。保证SCR脱硝系统的可靠稳定运行,选用大孔径蜂窝催化剂,同时选择合适的催化剂高度,提升清灰效果,有效降低粉尘对催化剂堵塞的几率。
图1 水泥SCR脱硝工艺流程图
3.2高效清灰
经过高温电除尘器预除尘之后,进入反应器的烟气仍含一定的粉尘。相对于燃煤电厂粉尘粘性较大,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。为保障催化剂长期运行,采用声波吹灰器和耙式吹灰器组合吹灰方式。西矿环保经过多项工程实践,对声波吹灰器和耙式吹灰器进行技术优化,已掌握关键技术,可大幅提升组合吹灰系统的清灰性能和稳定性。
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利用专用换热器加热后,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。
3.3水泥行业SCR催化剂研发
水泥窑烟气粉尘中GaO等碱金属氧化物含量高,会造成催化剂产生碱金属中毒,活性大幅降低,导致脱硝效率低下。此外,水泥窑烟气脱硝温度区间较窄,且相对电厂脱硝温度,水泥窑烟气温度偏低。西矿环保与清华大学国家工程实验室开展课题研究,致力适用于水泥行业烟气脱硝的国产催化剂研发。目前应用水泥行业首台套SCR烟气脱硝示范工程的催化剂已运行两年,脱硝运行效果良好。
3.4还原剂制备与混合
目前水泥企业均已建成SNCR脱硝系统,可以利用现有氨站系统。SCR脱硝技术常采用蒸汽或热风将氨水蒸发为氨气,再经稀释风机稀释后利用喷氨格栅在烟道内均匀喷射,通过混合器使氨气与烟气中氮氧化物充分混合。水泥窑工艺热源短缺,没有洁净热风或富裕蒸汽等热源,电加热器能耗过大。
结合在水泥工艺特点,西矿环保开发出氨水直接喷入工艺以及专用双流体喷枪技术,将氨水喷射与混合技术与高温除尘有机结合。适用水泥窑工艺特点的氨水蒸发与混合技术,可大幅简化工艺流程,具有降低投资成本,运行维护简便,运行能耗低等显著优势。
西矿环保始终坚持技术创新,针对水泥污染物减排需求,全面开展水泥SCR脱硝各类关键技术的研究和应用优化,保障系统可靠运行,脱硝效率稳定,系统能耗降低。
4.示范项目和工程应用
西矿环保自主研发的水泥窑烟气SCR脱硝技术,已在登封宏昌水泥有限公司4500t/d水泥熟料生产线成功应用,是全国首台套水泥SCR脱硝示范工程。
2018年10月,经环保专家现场核查验收,氮氧化物排放浓度可稳定实现50mg/Nm3以下,脱硝率可达90%以上,氨逃逸小于3ppm。项目投运后,全系统阻力1000Pa左右,温度降10℃左右,大幅降低原SNCR还原剂消耗量,降低余热锅炉进口粉尘浓度,改善余热锅炉换热效率。该项运行至今已近两年时间,氮氧化物稳定达到超低排放要求。
2019年至今,西矿环保已顺利执行9个水泥生产线SCR脱硝超低排放治理工程,均选用稳定可靠的“高温电除尘器+SCR脱硝一体化”技术,其中5个项目已投入运行,详见水泥窑烟气SCR脱硝工程业绩表。水泥SCR脱硝项目的持续成功投运,将会进一步推动全国水泥环保产业的发展,显著降低水泥工业氮氧化物排放总量,改善我国生态环境质量。
图2 全国水泥行业首台套SCR脱硝示范工程 图3武安新峰水泥SCR脱硝工程
表1 水泥窑烟气SCR脱硝工程业绩表
序号 | 客户单位 | 生产线规模 | 布置方式 | 投产时间 |
1 | 登封宏昌水泥有限公司 | 5000t/d | 高温中尘 | 2018 |
2 | 武安市新峰水泥有限责任公司1#线 | 2500t/d | 高温中尘 | 2019 |
3 | 武安市新峰水泥有限责任公司2#线 | 5000t/d | 高温中尘 | 2020 |
4 | 武安市新峰水泥有限责任公司3#线 | 5000t/d | 高温中尘 | 2020 |
5 | 江西万年青股份有限公司万年水泥厂A线 | 5100t/d | 高温中尘 | 建设中 |
6 | 江西万年青股份有限公司万年水泥厂B线 | 5100t/d | 高温中尘 | 建设中 |
7 | 河南省大地水泥有限公司1#线 | 5000t/d | 高温中尘 | 2020 |
8 | 安阳湖波熟料有限公司 | 4500t/d | 高温中尘 | 建设中 |
9 | 河北曲寨矿峰水泥有限公司2#线 | 4500t/d | 高温中尘 | 建设中 |
10 | ………… | / | 高温中尘 | 建设中 |
5.结语
(1)水泥窑出口烟气粉尘浓度高,可达80g/Nm3~100g/Nm3,高温电除尘可有效降低水泥窑烟气粉尘含量,保证SCR脱硝反应器高效、稳定运行。
(2)水泥窑烟气粉尘中CaO含量高,粉尘粒径小且黏度大,对SCR脱硝催化剂有特殊要求,选用大孔抗中毒耐冲刷催化剂及高效组合吹灰,可保障反应器系统稳定可靠运行。
(3)“高温电除尘+SCR脱硝一体化”技术及氨水蒸发混合技术,脱硝效率可达90%以上,同时降低了余热锅炉入口粉尘浓度及系统喷氨量,提高余热锅炉利用效率并减少对系统末端设备的腐蚀,降低系统运行成本。
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