結合現有環保政策，論述了水泥窯窯尾煙氣SCR脫硝的必要性，闡述了水泥窯窯尾煙氣中高溫高塵/半塵、中低溫低塵及低溫低塵SCR脫硝工藝路線。通過對各種SCR脫硝工藝的比對，表明中高溫高塵SCR脫硝技術更適用于國內技改項目或采用布袋除塵器的工藝流程。而中高溫半高塵SCR脫硝技術則在窯尾使用電除塵器的新建項目上有一定的市場。中低溫低塵SCR脫硝適合用于窯尾現場場地較為富余的企業或新建的水泥廠。低溫低塵SCR脫硝適用于就近有廉價補熱熱源或者補熱燃燒介質的企業。

0 引言

作為全球水泥第一大生產國，中國在2016年的水泥產量接近24億t，全國上規模的水泥生產線超過2300條，占世界產量的一半以上。在水泥生產過程中每年排放氮氧化物約200萬t，約占全國氮氧化物工業排放量的12~15%左右，僅次于火力電廠和機動車的NOx的排放量。最新的國家標準GB4915—2013《水泥工業大氣污染物排放標準》規定水泥企業的NOx排放限值由原來的800mg/Nm3（NO2@10%O2，以下同）降到400mg/Nm3（重點地區NOx排放限值為320mg/Nm3）。而北京作為全國空氣污染治理的重點城市，2016年1月1日起執行水泥制造企業氮氧化物排放不得高于200mg/m3的地方標準。 近年來，國家大力實施非電領域煙氣超低排放改造，水泥窯煙氣超低排放改造已經提上日程，多個省份已經出臺地方標準及大氣污染防治工作方案等政策文件要求水泥窯煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度要分別不高于10 mg/m3、50 mg/m3、150 （或100）mg/m3。目前國內有數千條水泥熟料生產線，在新標準的限定下，全部需要增加或改造脫硝系統。因此減少NOx的排放成為當前水泥行業的一個迫切而又艱巨的任務。現有水泥窯使用的選擇性非催化還原（SNCR）氮氧化物脫除效率在60%左右，難以滿足更嚴格的排放標準。因此對水泥制造企業來說，意味著脫硝工藝路線將全新升級，由選擇性非催化還原（SNCR）全面轉向選擇性催化還原技術（SCR）。

1 SCR脫硝原理及系統構成

1.1 SCR脫硝原理

選擇性催化還原（SCR）法，即在裝有催化劑的反應器內用氨作為還原劑來脫除氮氧化物。煙氣中的氮氧化物一般由體積濃度約95%的NO和5%的NO2組成。脫硝反應按照下面的基本反應轉化成分子態的氮氣和水蒸氣。

SCR主要反應方程式如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

上面第一個反應是主要的，因為煙氣中幾乎95%的NOX以NO的形式存在。

圖2-1：SCR脫硝反應示意圖

1.2 SCR脫硝系統構成

SCR脫硝系統由氨儲罐、氨蒸發器、氨緩沖罐、稀釋風機、氨/空氣混合器、噴氨格柵、混合單元和催化劑組成。氨水或液氨經蒸發器轉化為NH3，經氨緩沖罐，在氨/空氣混合器內稀釋，經噴氨格柵噴入煙道，與煙氣均勻混合，在SCR反應器內發生還原反應將NOx去除。

2 水泥窯窯尾煙氣SCR脫硝工藝介紹

2.1 中高溫高塵/半高塵SCR脫硝工藝

中高溫高塵（High dust）SCR脫硝指水泥窯尾出口煙氣經過預除塵（可選）后，粉塵濃度可達80-120 g/Nm3，，且存在大量的堿土金屬CaO，有堵塞催化劑的風險，易加快催化劑的磨損和中毒。此時不經過除塵器處理，直接進入 SCR 脫硝反應器進行脫硝處理。考慮到脫硝反應最佳溫度在280 ℃以上，一般選用的高塵脫硝位置在 C1 旋風預熱器的出口，此處溫度在290-350 ℃。水泥窯尾廢氣從預熱器C1引出進入中高溫高塵SCR脫硝工藝，煙氣中NOx和經噴氨格柵噴入的氨氣進行混合，經過催化劑后發生脫硝反應，完成預定的脫硝過程，脫硝后的煙氣再引風機抽吸下進入后續生產工藝。 催化劑采用5用1備的布置方式。該工藝已經成功應用于歐洲多個水泥窯窯尾煙氣SCR脫硝，建設于2006年的意大利Monselice水泥窯SCR脫硝穩定運行至今。工藝流程如圖3-1所示。

圖3-1：高溫高塵SCR脫硝工藝流程

除了中高溫高塵脫硝技術外，國外在水泥窯上應用的還有一種中高溫半高塵（Semi dust）脫硝技術。是指窯尾煙氣經過預除塵（可選）后，先通過高溫電除塵器對粉塵進行預處理，使粉塵濃度降到100-250 mg/Nm3以下，然后再進入 SCR 脫硝反應器進行脫硝處理。該工藝已經于2013年成功應用于拉法基(Lafarge)旗下的Joppa水泥廠脫硝，為美國第一條水泥窯窯尾煙氣SCR 脫硝。工藝流程如圖3-2所示。

圖3-2：中高溫半塵SCR脫硝工藝流程

2.2 中低溫低塵SCR脫硝工藝

水泥窯尾廢氣從余熱鍋爐后引出進入中低溫SCR除塵脫硝一體化裝置，完成預定的脫硝除塵過程。水泥窯余熱鍋爐后高塵煙氣中的干燥顆粒物先被濾袋過濾收集，將煙氣中的顆粒物降至一定水平（50 mg/Nm3以下），有效防止顆粒物對低溫催化劑的磨損及中毒，延長低溫催化劑使用壽命。除塵后的煙氣通過除塵器中間風道進入脫硝反應器，煙氣中NOx與噴氨格柵噴入的氨氣經過混合器進行充分混合。混合后的煙氣進入中低溫SCR脫硝催化劑層，在催化劑作用下發生脫硝反應并脫除氮氧化物，經脫硝除塵后的潔凈煙氣在引風機抽吸作用下，進入后續生產工藝。采用中低溫SCR脫硝催化劑（活性溫度范圍為180℃~250℃），無需煙氣加熱。該種工藝在國內焦爐煙道氣脫硝上已經成功應用并成為主流工藝路線。工藝流程如圖3-3所示。

圖3-3：中低溫低塵SCR脫硝工藝流程

2.3低溫低塵SCR脫硝工藝

2.3.1 RTO蓄熱式SCR脫硝工藝

水泥窯尾廢氣經過窯尾布袋除塵器除塵后的凈煙氣由下端先進入第一塔(左側塔)的蓄熱器1，獲取熱能達到SCR反應所需要的最佳溫度后，進入SCR 反應區，與噴入的氨氣進行反應使NOx生成氮氣與水，之后進入蓄熱器2 進一步被升溫，最后進入燃燒室，使CO 及有機化合物進行燃燒。燃燒后的煙氣由第二塔(中間塔)上部進入，并與蓄熱器2 及蓄熱器1 進行換熱后作為凈化后的氣體排出，此時第三塔(右側塔)處于凈化狀態，如此3 塔交替進行角色的交換，保證系統處于最佳反應狀態。該設備對蓄熱體材料的要求較高，以保證熱量盡量少外泄， 保證反應的順利進行及節約能源，對SCR 催化劑的要求則是面積小、反應效率高。該工藝為奧地利蘇伊西公司在奧地利Kirchdorfer水泥廠于2015年建設投運。工藝流程如圖3-4 所示。

圖3-4：RTO蓄熱式SCR脫硝工藝流程(以3 塔為例，從左到右分別為1、2、3號塔)

2.3.2 回轉式換熱SCR脫硝工藝

水泥窯尾廢氣經過窯尾布袋除塵器除塵后的凈煙氣經出口煙道至回轉式GGH（氣氣換熱器），100%負荷工況下，將低溫煙氣進行加熱，升高到150~220℃；再將此煙氣通過天然氣進行補燃或者蒸汽，加熱至180~250℃，然后進入脫硝SCR反應器。在180~250℃的煙氣溫度下，煙氣中NOx和經噴氨格柵噴入的氨氣進行混合，經過催化劑后發生脫硝反應，完成預定的脫硝過程。脫硝后的煙氣再次進入回轉式GGH，此時的煙氣稱為凈煙氣。進入回轉式GGH的凈煙氣溫度還維持在180~250℃左右，經過回轉式GGH后將熱量傳遞給剛開始的低溫煙氣，凈煙氣溫度降至大于100℃。通過引風機排至煙囪。該種工藝路線為德國GEA集團公司在德國Rohrdofer水泥廠于2011年建設投運。同時，該種工藝在國內燒結機煙氣脫硝上已經成功應用并成為主流工藝路線。工藝流程如圖3-5所示。

圖3-5：回轉式換熱SCR脫硝工藝流程

3 水泥窯窯尾煙氣SCR脫硝工藝比對

為了方便國內各大水泥企業或者工程公司結合自身實際選取最佳的水泥窯SCR脫硝工藝路線，下面從水泥窯窯尾煙氣條件、操作溫度、煙氣加熱、脫硝還原劑、清灰方式、催化劑、系統阻力、一次性投資等方面，進行形象直觀的比較分析。水泥窯窯尾煙氣SCR脫硝工藝比對如表3-1所示。

表3-1：水泥窯窯尾煙氣SCR脫硝工藝比對表

4 結論

隨著水泥工業氮氧化物排放越來越嚴格，為滿足更加嚴格的環保標準，SCR脫硝將成為水泥窯爐脫硝的主流工藝，結合水泥窯爐實際情況，通過對比分析，得出如下結論：

（1）中高溫高塵脫硝由于粉塵濃度高，因此技術難度較大。但由于其不需要進行預除塵處理，節約了高溫電除塵的高昂設備投資和運行成本，特別是國內水泥窯尾煙氣一般采用布袋除塵器的工藝，經濟效益更加明顯。因此，中高溫高塵脫硝技術更適用于國內技改項目或采用布袋除塵器的工藝流程。而中高溫半高塵脫硝技術則在窯尾使用電除塵器的新建項目上有一定的市場。由于煙氣中粉塵過多，催化劑表面磨損很大，所以水泥SCR 催化劑不適合再生，端面硬化有助于催化劑壽命的延長。

（2）中低溫低塵脫硝布置于余熱鍋爐之后，創造性地采用除塵脫硝一體化裝置，節約系統占地，采用先除塵后脫硝工藝，有效防止顆粒物對低溫催化劑的磨損及中毒，延長低溫催化劑使用壽命。該工藝適合用于窯尾現場場地較為富余的企業或新建的水泥廠。

（3）低溫低塵脫硝布置于窯尾袋除塵器之后，有效防止顆粒物對低溫催化劑的磨損及中毒，延長低溫催化劑使用壽命。RTO蓄熱式和回轉式SCR脫硝工藝均需要耗費額外能源來進行煙氣加熱，系統運行成本高。該工藝適用于就近有廉價補熱熱源或者補熱燃燒介質的企業。

作者：黃乃金

所屬單位：《安徽威達環保科技股份有限公司》

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