聯(lián)系熱線(xiàn):0871-65179400 13888188022
水泥是國家社會(huì )經(jīng)濟建設重要的基礎原材料,我國現有水泥生產(chǎn)線(xiàn)約1650余條,2020年水泥和水泥熟料產(chǎn)量分別達到23.8億噸和15.5億噸。隨著(zhù)“新基建”、“內循環(huán)”的逐步開(kāi)展,水泥工業(yè)也面臨著(zhù)新的發(fā)展機遇。然而水泥工業(yè)又是典型的高NOx排放行業(yè),按污染源普查NOx排放系數為1.65 kg/t熟料計算,2020年我國水泥工業(yè)窯爐NOx排放量約為256萬(wàn)噸,占全社會(huì )NOx排放總量的15%,也是繼煤電和交通運輸行業(yè)之后的第三大排放源。
NOx是一種嚴重的大氣污染物。其包含多種化合物,如一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)等,統稱(chēng)為氮氧化物。氮氧化物是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的一個(gè)重要原因。光化學(xué)煙霧是有毒煙霧,具有特殊刺激氣味,可傷害人體視覺(jué)器官,妨礙植物生長(cháng),使大氣能見(jiàn)度下降。酸雨會(huì )導致土壤酸化,使農作物大幅度減產(chǎn),酸雨還會(huì )使水泥混凝土建筑結構加快老化,導致建筑結構強度下降、表面溶解,發(fā)生“黑殼”效應。更為嚴重的是氮氧化物會(huì )傷害人體肺部器官,導致肺部組織病變,危害人們的身體健康。
保護生態(tài)環(huán)境是我國的一項基本國策,國家《大氣污染防治行動(dòng)計劃》提出“加快脫硫、脫硝等方面的技術(shù)研發(fā)”,《工業(yè)窯爐大氣污染綜合治理方案》提出“完善工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理管理體系,推進(jìn)工業(yè)爐窯全面達標排放,實(shí)現工業(yè)行業(yè)二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物進(jìn)一步下降”。為此,以火電廠(chǎng)為主體的煤電行業(yè)通過(guò)采用催化還原技術(shù)(SCR),已基本實(shí)現了全行業(yè)的超低排放,即排放煙氣中顆粒物、SO2和NOx濃度分別低于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3和50 mg/Nm3;鋼鐵行業(yè)到2025年底也力爭80%以上產(chǎn)能完成超低排放改造。 目前地方大氣污染物防治相關(guān)文件中,關(guān)于水泥窯大氣污染物排放的指導值,河北、河南、四川、山西等省,已明確提出氮氧化物排放標準要達到超低排放水平,即NOx排放數值不高于50mg/Nm3。盡管在水泥工藝方面進(jìn)行了諸多如低氮燃燒器、分級燃燒技術(shù)、選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)等技術(shù)改造來(lái)降低氮氧化物的排放,但目前在不考慮氨逃逸的情況下,通過(guò)過(guò)量噴氨,可把氮氧化物排放值降低到100mg/m3以下,甚至達到70mg/m3,但是要想達到低于50mg/m3就比較困難,因此目前加裝SCR脫硝系統是水泥廠(chǎng)氮氧化物達到超低排放的一個(gè)重要的選項。
1 水泥窯SCR脫硝技術(shù)發(fā)展過(guò)程
SCR脫硝技術(shù)由美國Eegelharol公司提出,并于1959年申請發(fā)明專(zhuān)利。20世紀70年代日本率先將SCR脫硝技術(shù)用于電廠(chǎng)燃煤鍋爐的煙氣脫硝。我國在20世紀90年代開(kāi)始引進(jìn)這一技術(shù),并于2006年建立了具有自主知識產(chǎn)權的電廠(chǎng)燃煤鍋爐SCR脫硝工程,目前已在煤電行業(yè)全面推廣采用了SCR脫硝技術(shù),為煤電行業(yè)實(shí)現超低排放奠定了基礎。
SCR脫硝技術(shù)最早由德國Solnhofen公司于2000年用于水泥窯爐煙氣脫硝,并已在歐美水泥工業(yè)得到廣泛應用。我國于2018年開(kāi)始引進(jìn)學(xué)習國際先進(jìn)技術(shù),目前已有數十家水泥生產(chǎn)企業(yè)采用了SCR脫硝技術(shù)。 水泥窯爐煙氣從預熱器系統排出時(shí),溫度約為320 ℃,含塵濃度約為120 g/m3,煙氣經(jīng)過(guò)余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收發(fā)電,排出時(shí)溫度降為160~220 ℃,含塵濃度約為55 g/m3;煙氣再通過(guò)生料粉磨系統,進(jìn)行物料烘干,最終經(jīng)袋式收塵器除塵后排放,排出時(shí)溫度為80~120 ℃,含塵濃度小于10 mg/m3。針對水泥窯爐煙氣排放過(guò)程,SCR脫硝工藝也可分為“高溫布置”、“中溫布置”和“低溫布置”三種形式。即分別位于預熱器系統后、余熱鍋爐后和袋式收塵器后。
2 目前水泥窯SCR脫硝技術(shù)路線(xiàn)
2.1 高溫路線(xiàn)
高溫高塵路線(xiàn)是把脫硝反應塔安裝在預熱器C1煙氣出口與余熱鍋爐之間的位置,窯尾煙氣直接通過(guò)脫硝反應塔。優(yōu)點(diǎn)是窯尾C1出口煙氣溫度達290~320℃,在電廠(chǎng)SCR脫硝催化劑適用溫度區間內,因此可基本套用電廠(chǎng)SCR脫硝催化劑的成分及加工工藝。但是對于一條5000t/d熟料生產(chǎn)線(xiàn),窯尾煙氣量大約400000Nm3/h,含塵量大約為24~32t/h,這么多的粉塵均需通過(guò)脫硝塔和催化劑,使得催化劑容易堵塞,所以為此技術(shù)路線(xiàn)設置可靠的吹灰、清灰系統至關(guān)重要。因為煙氣流程中一旦堵塞,就會(huì )影響窯通風(fēng),進(jìn)而對窯的運行產(chǎn)生較大影響。 因此,為了減輕粉塵濃度過(guò)高的不利影響,規避或減少對窯可能造成的影響,高溫中塵、高溫低塵技術(shù)路線(xiàn)誕生了。高溫中塵技術(shù)路線(xiàn)是在脫硝塔前加裝電收塵器,先對煙氣粉塵進(jìn)行預收集,盡量減少通過(guò)催化劑的灰塵總量,將減少催化劑堵塞和對窯通風(fēng)的影響。 由于電收塵器在高溫狀態(tài)收塵效果有待提高,因此一些廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)了耐高溫袋收塵器、電袋復合收塵器或特殊材質(zhì)收塵器,力爭提高收塵效果,把通過(guò)催化劑的粉塵濃度降到最低,這就是從高溫中塵技術(shù)路線(xiàn)向高溫低塵技術(shù)路線(xiàn)的提升。 但是因為高溫路線(xiàn)安裝在余熱鍋爐前,煙風(fēng)管道、收塵器均會(huì )有一定的散熱,帶來(lái)一定的煙氣溫度的損失,降低了余熱鍋爐的進(jìn)口煙氣溫度,從而降低了窯尾余熱鍋爐的產(chǎn)汽量而影響余熱發(fā)電量。另外高溫中塵和高溫低塵技術(shù)路線(xiàn)把一部分帶有高品質(zhì)熱量的高溫粉塵收集走,減少了進(jìn)入余熱鍋爐的總熱量,也會(huì )帶來(lái)余熱鍋爐產(chǎn)汽量的減少,從而降低余熱發(fā)電量,這些影響是不可逆的。高溫路線(xiàn)也給高溫風(fēng)機的能力帶來(lái)了挑戰,一般情況,均需對高溫風(fēng)機進(jìn)行提效改造或者更換電動(dòng)機甚至整機更換。 高溫SCR脫硝塔由于布置在余熱鍋爐之前,SCR脫硝塔的煙風(fēng)接口需要布置余熱鍋爐進(jìn)口煙道之前,接口位置高度較高,煙風(fēng)管道的長(cháng)度較長(cháng)以及煙風(fēng)阻力較大,造成系統電耗偏高。但是高溫路線(xiàn)也有優(yōu)點(diǎn),由于煙氣溫度高,催化劑供應廠(chǎng)家較多,技術(shù)比較成熟,高溫催化劑的單價(jià)較低,并且高溫高塵和高溫中塵路線(xiàn)中,煙氣中剩余的粉塵具有吸附性,雖然增加了吹灰系統的壓力,但是能夠減緩硫酸氫銨的影響。
圖1 水泥窯窯尾廢氣高溫高塵SCR脫硝系統工藝流程
2.2 中溫路線(xiàn)
中溫路線(xiàn)是把脫硝反應塔安裝在余熱鍋爐后面。和高溫路線(xiàn)相比,水泥廠(chǎng)窯尾余熱鍋爐后面區域一般場(chǎng)地情況良好,脫硝反應塔無(wú)論是布置在高溫風(fēng)機前還是高溫風(fēng)機后,都可能找到比高溫路線(xiàn)更舒適的布置位置,脫硝反應塔進(jìn)、出口煙風(fēng)管道的長(cháng)度也大大減少,煙氣阻力降低、流程更加順暢。而且當脫硝反應塔布置在高溫風(fēng)機后時(shí),中溫脫硝對水泥窯操作運行的影響將會(huì )更小。
中溫路線(xiàn)之所以滯后于高溫路線(xiàn)出現,是因為中溫路線(xiàn)工作溫度在180~220℃之間,由于不能直接借鑒電力行業(yè)的高溫催化劑,因此需要開(kāi)發(fā)適用于水泥行業(yè)中溫區間的催化劑,以及改變催化劑加工工藝使得催化劑容易成型并具有一定強度。目前國內已有制造商成功研發(fā)、生產(chǎn)出此適用溫度的中溫催化劑。
對于中溫中塵技術(shù)路線(xiàn),窯尾C1出口煙氣經(jīng)余熱鍋爐后,大約有40%以上的粉塵會(huì )被余熱鍋爐灰斗收集下來(lái),因此進(jìn)入脫硝反應塔的粉塵總量大幅降低,這大大減輕了粉塵對催化劑的影響,同時(shí)未影響余熱鍋爐產(chǎn)汽量。由于中溫中塵技術(shù)路線(xiàn)的煙氣中仍然有一些粉塵,這些粉塵可以吸附一部分硫酸氫銨,從而可以降低硫酸氫銨對催化劑的影響。
中溫低塵技術(shù)路線(xiàn)就是在脫硝塔前安裝普通袋收塵器,煙氣中的粉塵經(jīng)余熱鍋爐及袋收塵器收塵后,可以降低到30~50mg/Nm3,這可以大大改善脫硝催化劑的運行工況,減輕粉塵造成的催化劑的堵塞。同時(shí)由于對袋收塵器的耐溫性、除塵效率要求不高,袋收塵器成本低。這種方案的缺點(diǎn)是由于增加了收塵器后,脫硝系統阻力增加顯著(zhù),造成系統電耗偏高;同時(shí)粉塵對硫酸氫銨的吸附作用減小,硫酸氫銨對脫硝系統的影響就凸顯出來(lái)了。
圖2 水泥窯窯尾廢氣中溫中塵SCR脫硝系統工藝流程
2.3 低溫路線(xiàn)
低溫低塵技術(shù)路線(xiàn)是把脫硝塔放置在窯尾大收塵器之后、窯尾煙囪之前,此技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是對窯的煅燒、余熱發(fā)電運行、窯尾生料粉磨的影響都降到了最低。缺點(diǎn)是目前低溫催化劑的活性較差,并且催化劑燒制時(shí)成型困難,目前僅有進(jìn)行中試的相關(guān)報道。高溫高塵系統誕生最早,因此目前應用數量最多,中溫中塵技術(shù)路線(xiàn)正逐漸被大家認可,這兩種路線(xiàn)的煙氣流程分別見(jiàn)圖1和圖2。由于是在水泥窯窯尾煙氣流程中加裝SCR脫硝系統,因此SCR建設后,會(huì )對水泥窯通風(fēng)、余熱鍋爐運行、增濕塔的運行、生料磨運行造成影響,同時(shí)也摻雜著(zhù)可能對硫對NOx排放帶來(lái)影響的因素,因此,從對水泥線(xiàn)運行影響降低到最小來(lái)看,低溫低塵SCR技術(shù)具有較好的發(fā)展前景。但研究表明:在有催化劑作用的條件下,SO2會(huì )在300 ℃以上的溫度窗口氧化成SO3,同時(shí)形成硫酸銨鹽,在煙氣溫度低于150 ℃條件下,冷凝吸附到催化劑材料表面,引起催化劑硫氨中毒失活,因此解決硫酸氫銨的問(wèn)題是水泥窯窯尾SCR脫硝低溫低塵技術(shù)路線(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。