朱思佳 郭旸旸 王東書(shū) 羅 雷 李 晶 母佰龍 宋杰明 朱廷鈺,3#

(1.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，過(guò)程污染控制工程研究中心，北京 100190；2.邯鄲金隅太行水泥有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056299；3.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心，福建 廈門(mén) 361021)

NOx的大量排放已造成多種嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染問(wèn)題，如酸雨、光化學(xué)煙霧等[1-2]。我國(guó)大部分NOx來(lái)自于工業(yè)源排放，特別是電力、水泥、冶煉等行業(yè)[3-4]。水泥行業(yè)NOx排放量約占全國(guó)NOx總排放量的15%，是繼電力行業(yè)后NOx的第二大工業(yè)排放源。近年來(lái)，隨著電力行業(yè)超低排放改造的完成，水泥行業(yè)開(kāi)始面臨NOx的減排壓力[5]。為推進(jìn)水泥行業(yè)NOx減排，各地方政府相繼出臺(tái)了相關(guān)排放要求。江蘇省要求水泥行業(yè)在2019年6月1日前達(dá)到NOx排放質(zhì)量濃度≤100 mg/Nm3；河北省規(guī)定自2022年1月1日起水泥生產(chǎn)企業(yè)的NOx排放質(zhì)量濃度≤50 mg/Nm3；河南省要求到2021年，NOx標(biāo)準(zhǔn)限值升級(jí)至50 mg/Nm3，并且將氨逃逸問(wèn)題列入了監(jiān)測(cè)要求。

目前，水泥行業(yè)一般采用低氮燃燒和選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)控制NOx，其脫硝效率一般為50%～70%，NOx排放質(zhì)量濃度為200～400 mg/Nm3[6]。學(xué)者們嘗試加大噴氨量來(lái)提高脫硝效率，發(fā)現(xiàn)效果并不理想[7-8]，而且會(huì)導(dǎo)致尾端氨逃逸增加，造成二次污染[9-11]。隨著標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)，水泥行業(yè)現(xiàn)有脫硝技術(shù)已基本無(wú)法滿足超低排放的需求。

廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)超低排放改造的選擇性催化還原(SCR)技術(shù)具有脫硝效率高、氨逃逸低等優(yōu)點(diǎn)[12]。然而，水泥行業(yè)煙氣與電力行業(yè)不同，水泥行業(yè)煙氣中粉塵濃度極高，且粒度細(xì)(20 μm左右)，還含有大量的CaO、CaCO3等組分，易導(dǎo)致催化劑的積灰、磨損及中毒等問(wèn)題，制約了SCR技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用[13-14]。因此，開(kāi)發(fā)適用于水泥行業(yè)的SCR技術(shù)非常必要。溫度是水泥行業(yè)應(yīng)用SCR技術(shù)必須考慮的因素[15]。目前，國(guó)內(nèi)外水泥廠已對(duì)高溫SCR進(jìn)行了不少研究，有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了中試或示范應(yīng)用[16-18]。但對(duì)于中溫SCR，國(guó)內(nèi)外均無(wú)成熟的示范應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)適用于水泥行業(yè)的中溫SCR技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)中溫實(shí)際煙氣的直接脫硝[19]。

本研究在某水泥廠4 500 t/d的新型干法水泥生產(chǎn)線的余熱發(fā)電高溫風(fēng)機(jī)后增加中溫SCR反應(yīng)器，并進(jìn)行中試，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD)流場(chǎng)模擬，對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)的顆粒物分布及流場(chǎng)進(jìn)行分析，全面分析此中試工藝的脫硝效果，并探究了工藝的影響因素。

1 試驗(yàn)方法

在某水泥廠4 500 t/d的新型干法水泥生產(chǎn)線的余熱發(fā)電高溫風(fēng)機(jī)后增加中溫SCR反應(yīng)器，并進(jìn)行中試，新增裝置主要包括3個(gè)部分：靜電除塵系統(tǒng)(ESP)、SCR反應(yīng)器和噴氨系統(tǒng)，其中SCR反應(yīng)器長(zhǎng)1.95 m、寬1.01 m、高7.30 m。煙氣參數(shù)由連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS，2000BS)、自動(dòng)煙塵分析儀(3012H)、紅外煙氣分析儀(MGA 6 plus，德國(guó)MRU公司)和氨逃逸分析儀(RB 120 P，加拿大優(yōu)勝公司)進(jìn)行檢測(cè)記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 中溫SCR反應(yīng)器流場(chǎng)模擬結(jié)果

利用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行了CFD流場(chǎng)模擬，主要模擬了SCR反應(yīng)器內(nèi)速度分布、壓力分布和氨濃度分布，網(wǎng)格數(shù)約110萬(wàn)個(gè)，以燃煤為燃料，煙氣計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算得到SCR反應(yīng)器的邊界條件見(jiàn)表2。

根據(jù)SCR反應(yīng)器內(nèi)各截面的速度分布情況可知，在合理的導(dǎo)流板和整流格柵布置下，煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)部催化劑層時(shí)流場(chǎng)趨于均勻，無(wú)局部高速區(qū)，也無(wú)低速死角，催化劑層流場(chǎng)良好，有利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。

根據(jù)SCR反應(yīng)器內(nèi)各截面的壓力分布情況可知，主要壓力損失集中在彎道和催化劑層。經(jīng)計(jì)算，兩層催化劑的反應(yīng)器壓降為275 Pa，隨運(yùn)行時(shí)間的推移，壓降會(huì)增大。

根據(jù)SCR反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布情況可知，經(jīng)噴氨格柵、導(dǎo)流板及整流格柵調(diào)整后，氨濃度分布趨于均勻，能夠滿足脫硝反應(yīng)要求。

2.2 中溫SCR反應(yīng)器中試運(yùn)行效果

由表3可見(jiàn)，在空速為2 000 h-1、ESP電壓為60 kV、吹灰周期為1 h、反應(yīng)溫度為180 ℃的條件下，中溫SCR反應(yīng)器脫硝效率雖不能穩(wěn)定在80%以上，但基本可以達(dá)到80%，可滿足超低排放的需求。水泥廠原有的SNCR反應(yīng)器氨逃逸質(zhì)量濃度為68～99 mg/Nm3，中溫SCR反應(yīng)器可以有效降低氨逃逸濃度，但由于SCR反應(yīng)器入口NOx濃度已經(jīng)較低，前端逃逸的氨不能全部參與反應(yīng)，所以在SCR反應(yīng)器出口仍有一定的氨逃逸。

中溫SCR反應(yīng)器出口的NOx濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，脫硝效果受工況影響會(huì)有一定的波動(dòng)，但中溫SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度基本可基本穩(wěn)定在10～30 mg/Nm3，可基本滿足小于50 mg/Nm3的超低排放要求。由此可見(jiàn)，中試運(yùn)行穩(wěn)定，脫硝效果較好。

2.3 空速對(duì)脫硝效率的影響

固定ESP電壓為60 kV、吹灰周期為1 h、反應(yīng)溫度為180 ℃，在1 100～2 000 h-1的空速條件下測(cè)試中溫SCR反應(yīng)器的中試脫硝效率，結(jié)果見(jiàn)圖2。隨著空速的升高脫硝效率降低，原因?yàn)椋嚎账偕邔?dǎo)致煙氣停留時(shí)間變短，煙氣和催化劑的接觸時(shí)間變少，NOx被還原的概率變小。但本研究中空速為1 100～2 000 h-1，脫硝效率都能超過(guò)80%，可以滿足超低排放的需求，因此建議選擇煙氣停留時(shí)間短的空速(2 000 h-1)。

表1 煙氣計(jì)算參數(shù)

表2 SCR反應(yīng)器邊界條件

表3 中溫SCR反應(yīng)器煙氣組分測(cè)試結(jié)果

圖1 中溫SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.1 On-line monitoring data of NOx mass concentration at medium temperature SCR reactor outlet

圖2 空速對(duì)脫硝效率的影響Fig.2 Effect of space velocity on denitration efficiency

2.4 ESP電壓對(duì)脫硝效率的影響

固定空速為2 000 h-1、吹灰周期為1 h、反應(yīng)溫度為180 ℃，在55～65 kV的ESP電壓條件下測(cè)試中溫SCR反應(yīng)器的中試脫硝效率，結(jié)果見(jiàn)圖3。隨著ESP電壓從55 kV升高至65 kV，脫硝效率升高了1.62百分點(diǎn)，說(shuō)明ESP電壓對(duì)脫硝效率有一定的影響，ESP電壓主要是通過(guò)影響粉塵濃度而影響脫硝效率的。圖3中脫硝效率都在80%以上，可以滿足超低排放的需求。因此，ESP電壓為55～65 kV是可行的。

圖3 ESP電壓對(duì)脫硝效率的影響Fig.3 Effect of ESP voltage on denitration efficiency

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)脫硝效率的影響

固定空速為2 000 h-1、吹灰周期為1 h、ESP電壓為60 kV，受水泥廠條件的限制，此次測(cè)試僅在177～203 ℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)試中溫SCR反應(yīng)器的中試脫硝效率，結(jié)果見(jiàn)圖4。隨著反應(yīng)溫度的升高脫硝效率升高，當(dāng)反應(yīng)溫度超過(guò)190 ℃后，脫硝效率超過(guò)80%，滿足超低排放的需求。實(shí)際中試中由于考慮到能耗的問(wèn)題，反應(yīng)溫度采用了180 ℃，若條件允許，后續(xù)建議采用200 ℃，這樣基本可以保證脫硝效率穩(wěn)定超過(guò)80%。

2.6 吹灰周期對(duì)反應(yīng)器壓降的影響

吹灰周期過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致催化劑堵塞，脫硝效率下降，甚至造成催化劑的不可逆損壞；吹灰周期過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)，聲波吹灰器損耗加快。不同類(lèi)型的催化劑所需的吹灰周期不同，找到適合催化劑的最佳吹灰周期在實(shí)際工程運(yùn)行中可以使經(jīng)濟(jì)效益最大化。本研究的催化劑為釩基脫硝催化劑。固定空速為2 000 h-1、反應(yīng)溫度為180 ℃、ESP電壓為60 kV，設(shè)置吹灰周期為1、2 h和吹灰器關(guān)閉3種條件，考察反應(yīng)器壓降的變化，結(jié)果見(jiàn)圖5。在吹灰器關(guān)閉的情況下，反應(yīng)器壓降隨著時(shí)間延長(zhǎng)總體呈升高趨勢(shì)，壓降變化較大，運(yùn)行14 h壓降升高了近30%。本研究的水泥廠粉塵粒度細(xì)，在催化劑孔道內(nèi)容易被吸附，吹灰器關(guān)閉就容易導(dǎo)致反應(yīng)器壓降逐漸上升。吹灰周期為2 h時(shí)，雖然反應(yīng)器壓降較穩(wěn)定，但總體壓降較大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，吹灰周期應(yīng)小于2 h。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)脫硝效率的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on denitration efficiency

圖5 吹灰周期對(duì)反應(yīng)器壓降的影響Fig.5 Effect of ash cleaning interval on reactor pressure decrement

3 結(jié) 論

在新型干法水泥生產(chǎn)線的余熱發(fā)電高溫風(fēng)機(jī)后增加中溫SCR反應(yīng)器，并進(jìn)行了中試研究，反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)均勻，無(wú)局部高速區(qū)，也無(wú)低速死角，催化劑層流場(chǎng)良好，主要壓力損失集中在彎道和催化劑層，氨濃度分布均勻，有利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。中試結(jié)果表明，脫硝效率可基本達(dá)到80%，出口NOx質(zhì)量濃度可基本穩(wěn)定在10～30 mg/Nm3，基本滿足超低排放的要求。在1 100～2 000 h-1的空速和55～65 kV的ESP電壓條件下，脫硝效率均超過(guò)80%。建議反應(yīng)溫度采用200 ℃，吹灰周期小于2 h。