江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

選擇性催化還原SCR法煙氣脫硝技術(shù)（五）

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

6 SCR法脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

6.1 國(guó)外應(yīng)用實(shí)例

水泥窯爐采用SCR法脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用在近幾年已有發(fā)展，到2013年底已由原來3條已發(fā)展到現(xiàn)在的7條水泥生產(chǎn)線投入運(yùn)行應(yīng)用，簡(jiǎn)列于表9中。另外，意大利Renato Ltalcementl 和德國(guó)Kollenbach兩個(gè)水泥廠都正在籌建SCR法脫硝系統(tǒng)工程。

表9 國(guó)外水泥生產(chǎn)線采用SCR法脫硝的應(yīng)用實(shí)例

6.1.1 實(shí)例1：德國(guó)Solnhofen水泥廠

德國(guó)Solnhofen水泥廠是Solnhofer Portland-Zementwerke的簡(jiǎn)稱，有一條1 800 t/d熟料帶4級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線。由于德國(guó)水泥需求量減少，當(dāng)時(shí)控制產(chǎn)量為1 100 t/d熟料。該廠使用廢輪胎的替代燃料，用量有時(shí)會(huì)超過燃料總量的50%。故一般情況下，將NOx的排放濃度執(zhí)行500 mg/ Nm3標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)替代燃料超過總量的50%時(shí)，才執(zhí)行NOx排放濃度限值為200 mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)。該廠從1997年就開始籌劃煙氣脫硝措施，在2000年左右安裝了一套SNCR法脫硝系統(tǒng)，于2001年開始運(yùn)行SCR法脫硝系統(tǒng)，兩種脫硝系統(tǒng)不同時(shí)使用。

（1）系統(tǒng)流程。

這套SCR法脫硝系統(tǒng)是第一個(gè)全面可控的示范脫硝系統(tǒng)，由德國(guó)政府資助于2001年建成投產(chǎn)運(yùn)行。本SCR法脫硝系統(tǒng)采用高溫高塵布置方式，系統(tǒng)流程如圖34所示。

圖34 Solnhofen廠SCR法脫硝系統(tǒng)流程圖

該廠重新建設(shè)SCR法脫硝系統(tǒng)，主要是為了降低生產(chǎn)成本。采用SCR法脫硝可以節(jié)省氨水的費(fèi)用；另外，在四級(jí)預(yù)熱器頂部出口處的煙氣溫度在320～350 ℃之間，恰好適合SCR法脫硝所需要的溫度，對(duì)煙氣不需要另外加熱。如果采用低溫低塵布置方式，即將脫硝系統(tǒng)置于袋收塵器和煙囪之間，對(duì)煙氣就需要另外加熱，從而增大了運(yùn)行費(fèi)用。從這兩方面考慮，所以本脫硝系統(tǒng)采用高溫高塵的布置方式。

（2）催化塔。

本脫硝工程中的催化塔最多可以安裝6層催化劑，每層由6個(gè)催化劑模塊組成，每個(gè)模塊由72個(gè)催化劑單元構(gòu)成。每個(gè)單體的外形尺寸為150 mm×150 mm×900 mm ，梳狀結(jié)構(gòu)，活性物質(zhì)為V2O5，載體為TiO2。為防止堵塞，孔道節(jié)距除中間層為10 mm外，其余選為13 mm。綜合吹灰系統(tǒng)采用經(jīng)預(yù)熱器的高壓空氣為氣源，其噴嘴可以不斷地在每層催化劑表面移動(dòng)，每層不需要安裝多個(gè)吹灰器就可以全面進(jìn)行清灰。通過優(yōu)化除塵系統(tǒng)，每噸熟料的高壓空氣消耗量由最初的100 m3降到18 m3，這時(shí)每噸熟料催化劑運(yùn)行的能源成本大約為0.098歐元。

為了保證催化塔的盡可能長(zhǎng)的使用壽命，采用上下都可操作的型式。因此，綜合吹灰系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可清吹每個(gè)催化劑床層上下表面的積灰。

（3）還原劑和NSR控制。

本SCR法脫硝系統(tǒng)采用25%濃度的氨水作為還原劑，噴入到C1出口的煙氣中，氨氮適宜當(dāng)量比NSR = 0.8～0.9。實(shí)踐證明，在這種情況下，氨水的消耗量明顯低于SNCR法脫硝系統(tǒng)，氨逃逸濃度一般都低于1 mg/Nm3。從SCR法脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果可以看出，由于綜合吹灰系統(tǒng)存在額外壓力損失，所以電耗稍有增加。

（4）脫硝效率。

這套SCR法脫硝系統(tǒng)通常的脫硝效率為59%～67%，在特殊情況下操作，有時(shí)NOx的初始濃度會(huì)達(dá)到3 000 m g/Nm3，甚至更高，此時(shí)的脫硝效率會(huì)超過80%。在正常情況下，煙氣中NOx的濃度會(huì)從1 000～1 600 mg/Nm3降至400～550 mg/Nm3，有時(shí)可以達(dá)到300 mg/ Nm3。在一次試驗(yàn)中通過增加噴氨量，NOx的排放濃度降到了200 mg/Nm3。這表明，采用SCR法脫硝確實(shí)具有很大的脫硝潛力。這還是在只用三層催化劑的情況，如果催化劑的床層增加，肯定脫硝效果還會(huì)更好。

（5）經(jīng)濟(jì)分析。

Solnhofen水泥廠所建這套SCR法脫硝裝置不包括還原劑儲(chǔ)存和輸送管路系統(tǒng)的總投資約為350萬歐元（EUR），這是因?yàn)榇呋?床層催化劑的容量設(shè)計(jì)，又考慮能夠上下層都能運(yùn)行，所以投資較高。否則，有220萬歐元的投資即可，其中包括25萬歐元的催化劑費(fèi)用。德國(guó)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)以這條生產(chǎn)線為例對(duì)采用兩種脫硝方法的成本進(jìn)行了估算，估算的基礎(chǔ)參數(shù)列在表10中。當(dāng)窯產(chǎn)量為1 500 t/d熟料，NOx的排放濃度由1000 mg/Nm3降到500 mg/Nm3和200 mg/Nm3時(shí)的成本估算見表11。

德國(guó)UBA對(duì)德國(guó)一個(gè)水泥廠采用SCR與SNCR兩種脫硝方法在25%濃度氨水用量相同情況下的氨水消耗量或者運(yùn)行成本進(jìn)行了核算對(duì)比，其中SCR法脫硝包括催化劑重新購(gòu)置的費(fèi)用在內(nèi)。得出的結(jié)論是：對(duì)于脫硝后NOx排放濃度為500 mg/Nm3時(shí)，兩種脫硝方法的運(yùn)行成本大致相同；對(duì)于脫硝后NOx排放濃度為200 mg/ Nm3時(shí)，SCR法比SNCR法脫硝的運(yùn)行成本還少。雖然從氨水用量來看，SNCR法比SCR法大得多，為什么運(yùn)行成本兩者還幾乎相同呢？這是因?yàn)樵诤怂鉙NCR法脫硝運(yùn)行成本時(shí)考慮了氨逃逸大的因素，在核算SCR法脫硝運(yùn)行成本時(shí)考慮了重新購(gòu)置催化劑在內(nèi)的費(fèi)用。

表10 德國(guó)Solnhofen水泥廠SCR法脫硝工程的基本參數(shù)

表11 德國(guó)UBA對(duì)某廠采用SCR與SNCR兩種脫硝方法的成本估算

這里需要說明的是，表10是根據(jù)德國(guó)的具體情況而核算的，不符我國(guó)的國(guó)情，所以僅供參考。在核算脫硝成本時(shí)氨水的價(jià)格和電價(jià)是兩個(gè)重要影響因素?？傮w來說，SCR法脫硝系統(tǒng)總比SNCR法脫硝系統(tǒng)要貴不少。有資料顯示，前者比后者的投資成本要貴4～9倍，運(yùn)行成本也高，所以該廠于2005年就停止使用SCR法脫硝系統(tǒng)了。因?yàn)檫@個(gè)廠使用替代燃料已達(dá)40%左右，NOx排放較低，使用SNCR法脫硝就可達(dá)到使用SCR法脫硝的水平。

由上述可見，這套SCR法脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶有試驗(yàn)性質(zhì)，為SCR法脫硝在水泥窯爐上的應(yīng)用開辟了一條新途徑。

6.1.2 實(shí)例2：意大利Monselice水泥廠

意大利帕多省Monselice水泥廠于2006年投運(yùn)了一套SCR法脫硝系統(tǒng)，采用高溫高塵的布置方式，這是水泥窯爐采用這種煙氣脫硝方法最早成功商業(yè)運(yùn)行的脫硝實(shí)例。這個(gè)脫硝系統(tǒng)可以將水泥窯爐所排煙氣中氮氧化物NOx的濃度控制在200 mg/ Nm3以下，即NOx的含量小于0.5 1b/t·cl ≈0.23 kg/t熟料。

該廠采用SCR法脫硝系統(tǒng)的流程圖和催化塔安裝的實(shí)物照片示于圖35。

圖35 SCR系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及催化塔的安裝現(xiàn)場(chǎng)照片

這套SCR法脫硝系統(tǒng)投入運(yùn)行最初六周的運(yùn)行結(jié)果列在表12中，可以看出其脫硝效率可高達(dá)95%，NOx的濃度可以低至75 mg/ Nm3，每噸熟料的NOx脫出量低于0.2 1b/t熟料，系統(tǒng)阻力小于500 Pa，NH3逃逸濃度在1 mg/ Nm3以下。催化塔中催化劑的床層設(shè)計(jì)為一用五備方案，選用活性物質(zhì)為V2O5、載體為TiO2蜂窩式催化劑，蜂窩孔道直徑為11.9 mm，空速約為1 000 h-1。

表12 SCR法脫硝系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果（2006年數(shù)據(jù)）

6.1.3 實(shí)例3：德國(guó)Mergelstetten水泥廠

德國(guó)Mergelstetten水泥廠有一條帶有4級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)能力為3 000 t/d熟料，實(shí)際能力為2 500 t/d熟料，熟料冷卻采用篦冷機(jī)。這條生產(chǎn)線使用100%的替代燃料，按照德國(guó)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，NOx的排放濃度必須小于200 mg/ Nm3。該廠原來已建設(shè)了一套SNCR法脫硝系統(tǒng)，可是都不能達(dá)到低于350 mg/ Nm3的NOx排放濃度，所以于2008年該廠又新建一套SCR法脫硝系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)。這套SCR法脫硝系統(tǒng)采用高溫高塵布置方式，還原劑的噴嘴安裝在預(yù)熱器的C1筒上，可以保證氨和煙氣流到達(dá)催化塔之前就已經(jīng)混合的比較均勻和充分。催化塔內(nèi)布置有4層可用的催化劑床層，第一層為備用層，沒有安裝催化劑，僅第二、三、四層安裝了正六邊形的蜂窩式催化劑。于2010年7月將第一層也安裝了0.6 m長(zhǎng)的催化劑；于2011年2月將最下面的第四層換成了長(zhǎng)度為0.9 m的正方形蜂窩式催化劑；2011年11月，將中間兩層催化劑一層換新，一層為再生催化劑；2012年9月，最上層的催化劑進(jìn)行了再生處理后使用；2013年6月，對(duì)兩層再生催化劑進(jìn)行了修補(bǔ)。這套SCR脫硝系統(tǒng)自2010年4月投運(yùn)后，氮氧化物的排放濃度可以穩(wěn)定地控制在200 mg/ Nm3以下。該廠新建的SCR法脫硝系統(tǒng)如圖36a所示。在預(yù)熱器塔和催化塔之間安裝一臺(tái)電梯，方便于人員上下和催化劑的上下運(yùn)輸。圖36b所示為SCR法脫硝系統(tǒng)催化塔的安裝位置和外形照片。

圖36 德國(guó)Mergelstetten水泥廠 SCR法脫硝系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該SCR法脫硝系統(tǒng)于2010年4月投運(yùn)以來，除了維護(hù)期間停止運(yùn)行外，一直能穩(wěn)定運(yùn)行。這套脫硝系統(tǒng)采用25%濃度的氨水為還原劑，運(yùn)行時(shí)每噸熟料的氨水消耗量?jī)H為3.5 kg/t熟料，與SNCR法脫硝系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，還原劑可以節(jié)省40%，單獨(dú)運(yùn)行時(shí)比單獨(dú)運(yùn)行SNCR法脫硝時(shí)，氨水可節(jié)省50%以上，如圖37所示。

圖37 SNCR與SCR氨水用量的月平均比較圖

該廠對(duì)新建的SCR法脫硝系統(tǒng)的耗電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳列表13中。

表13 德國(guó)Mergelstetten水泥廠新建SCR法脫硝系統(tǒng)耗電量

該廠自SCR法脫硝系統(tǒng)投運(yùn)以來，廠方對(duì)不同形貌和不同尺寸的催化劑進(jìn)行了多次試驗(yàn)，也嘗試使用過再生催化劑來替代已失活的催化劑。廠方總結(jié)出，只有通過三年的運(yùn)行才能估算出某種催化劑的成本。該廠的運(yùn)行結(jié)果表明，基本上每年需更換一層新的催化劑，相當(dāng)于催化劑的單位成本為0.30歐元/t熟料。

由于這條水泥生產(chǎn)線燒100%的替代燃料，煙塵中有重金屬有害物的排放，參見表6所列?？梢钥闯?，與傳統(tǒng)燃煤火電廠的煙塵相比，鉈（Tl）的含量較高，燃煤火電廠中一般沒有鉈中毒的存在。由試驗(yàn)表明，在高塵布置方式的SCR法脫硝系統(tǒng)中，鉈引起的催化劑中毒只是中等程度。這主要是由于水泥粉塵中的鉈一般富集在細(xì)微粉塵中，鉈含量隨粉塵粒度有如下的變化規(guī)律，參見圖29所示。

德國(guó)Mergelstetten水泥廠通過幾年的使用運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)并掌握了一定規(guī)律：脫硝效率和氨逃逸濃度都能滿足預(yù)期的要求；使用四層催化劑，操作穩(wěn)定，每年更換一層催化劑即可；根據(jù)統(tǒng)計(jì)核算，SCR法脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行成本為1.12歐元/t熟料。如果再進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)行成本還有改善的空間。

6.1.4 實(shí)例4：奧地利Mannersdorf水泥廠

奧地利Mannersdorf水泥廠有一條 2 500 t/d熟料預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線，要求煙氣中氮氧化物的排放濃度小于200 mg/Nm3。該廠原來建設(shè)了一套SNCR法脫硝系統(tǒng)，但達(dá)不了標(biāo)，因此，于2012年又新建了一套SCR法脫硝系統(tǒng)，采用高溫中塵布置方式，即在預(yù)熱器C1筒排出的煙氣進(jìn)入催化塔前加設(shè)一臺(tái)高溫靜電收塵器，以降低煙氣中的粉塵濃度。該脫硝系統(tǒng)采用尿素為還原劑，噴射在預(yù)熱器C1筒的入口處。這套SCR法脫硝系統(tǒng)的催化塔安裝在預(yù)熱器塔架旁側(cè)。見圖38現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖38 Mannersdorf水泥廠SCR系統(tǒng)的催化塔現(xiàn)場(chǎng)照片

該廠這套SCR法脫硝系統(tǒng)于2012年4月建成并投入運(yùn)行，效果十分良好。第一年運(yùn)行期間，NOx的排放濃度就達(dá)到了200 mg/Nm3。由于采取避免催化劑中毒的措施很有效，第一年催化劑幾乎沒有失活現(xiàn)象，對(duì)催化劑活性的檢測(cè)結(jié)果示于圖39。

圖39 催化劑活性的檢測(cè)結(jié)果

該廠兩套脫硝系統(tǒng)可以聯(lián)合運(yùn)行，在煙氣中NOx的初始濃度低于1 000 mg/ Nm3時(shí)，SNCR法脫硝系統(tǒng)不投運(yùn)，僅靠SCR法脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行就可使所排煙氣中的NOx濃度降到200 mg/Nm3以下且比較穩(wěn)定，圖40示出了SCR法脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果曲線。

圖40 SCR系統(tǒng)的運(yùn)行曲線圖

目前，SNCR法脫硝系統(tǒng)只在SCR法脫硝系統(tǒng)無法正常工作時(shí)才打開系統(tǒng)旁路短時(shí)間的使用。SCR法脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，氨氮適宜當(dāng)量比基本為1，即NSR = 1。該廠這套SCR法脫硝系統(tǒng)自投運(yùn)以來一直運(yùn)行良好，完全能滿足NOx排放濃度小于200 mg/ Nm3的限值標(biāo)準(zhǔn)要求。通過目前國(guó)外在水泥窯爐上采用SCR法脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用情況可以看出，其脫硝效率可高達(dá)85%～95%，甚至可達(dá)到99%，排放煙氣中的NOx濃度可控制100～200 mg/ Nm3，而且不受水泥生產(chǎn)線大型化的影響，但投資大，運(yùn)行費(fèi)用高。

6.1.5 實(shí)例5：美國(guó)Joppa水泥廠

美國(guó)Joppa水泥廠是法國(guó)拉法基（Lafarge）水泥公司旗下的一個(gè)水泥廠，采用設(shè)計(jì)能力為1 250 t/d熟料干法長(zhǎng)窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)。在美國(guó)這是第一個(gè)采用SCR法脫硝系統(tǒng)的水泥生產(chǎn)線，并且采用中塵布置方式設(shè)計(jì)，如圖41所示。

圖41 美國(guó)Joppa水泥廠

水泥窯所排煙氣中的含塵濃度為100～250 mg/ Nm3，SCR煙氣溫度為290～330 ℃，因此需要對(duì)煙氣進(jìn)行再加熱。還原劑采用25%濃度的氨水，脫硝效率＞80%，NOx排放濃度≤200 mg/ Nm3，氨逃逸濃度小于10 mg/Nm3。催化塔的吹灰系統(tǒng)效果較好，每天清灰4次就可滿足清灰的要求。這套SCR法脫硝系統(tǒng)工作很好，得到了美國(guó)環(huán)保署（EPA）的認(rèn)可。因?yàn)闊煔庵械暮瑝m濃度很低，僅為100～250 mg/Nm3，比2 000 mg/Nm3小得多，采用低塵布置方式即可。

（未完待續(xù)）

TQ172.622.4

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