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。

   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

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。