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水泥窑炉烟气SCR脱硝技术的现状分析



摘 要:烟气SCR脱硫技术作为我国电力行业生产中进行污染控制应用的一项重要技术,其在电力行业生产中技术应用与发展相对成熟,能够对氮氧化物的排放控制在50mg/Nm3水平以下,以有效避免电力生产的氮氧化物排放污染影响。该文在对水泥窑炉烟气脱硝技术原理分析基础上,结合其技术应用的影响因素,对水泥窑炉烟气SCR脱硝技术的现状进行研究,以促进其技术优化改进与在实践中推广应用。

    值得注意的是,水泥工业作为氮氧化物的主要排放源之一,有研究显示,水泥工业生产中烟气污染物排放总量中,对氮氧化物的排放量在全国工业总排放量中占到10%~12%的比例,由此可见,水泥工业生产烟气污染排放控制形势十分严重,尤其是随着国家对污染排放控制要求的不断提高,水泥行业所面临的氮氧化物污染排放控制压力也更大。

    1·烟气SCR脱硝技术及其工作原理分析

    烟气SCR脱硝技术,即选择性催化还原法(SCR),它是一种具有高脱硝效率与低氨逃逸效果的脱硝技术。其中,高效脱硝催化剂是烟气SCR脱硝技术的核心,根据烟气SCR脱硝技术在电力行业发电锅炉SCR装置中的应用情况,其进行脱硝处理的工艺效率能够达到80%~90%之间,并且脱硝处理中氨逃逸情况控制在3mg/Nm3水平以下,完全能够满足水泥工业烟气排放的高脱硝效率要求,是水泥工业烟气排放氮氧化物深度治理的有效技术。

    烟气SCR脱硝技术的工作原理是通过雾化喷射系统将氨或尿素在具有催化剂的情况下喷入到反应器内,以在合适的温度区间内对烟气中的NOx进行选择性的还原,使之生成N2和H2O,从而达到烟气SCR脱硝的目的,该技术进行工业生产中烟气排放控制运用的脱硝率能够达到85%~95%之间,其脱硝工艺系统中以二氧化钛、沸石基材料以及五氧化二钒作为催化剂,包含蜂窝式与板式等多种不同样式。如式(1)和(2)所示,为烟气SCR脱硝技术的催化反应公式。其中,式(1)为烟气SCR脱硝技术的主反应公式。

    在上述催化还原反应过程中,通过催化剂反应与NO通过反应生成不稳定的中间化合物,同时对NO和还原剂之间的反应提供支持,实现脱硝反应活化能降低,以促进脱硝反应的效率提升,达到相应的烟气脱硝处理目的。值得注意的是,烟气SCR脱硝技术在电力行业的应用较为广泛,火电厂发电生产中其锅炉燃烧能源以煤炭为主,其烟气排放受煤燃烧排放气体成分的影响较大,而工业生产中锅炉燃烧的高温气体成分则相对复杂,且含尘量较大,是以燃煤及相关物料的各种成分为主,因此,其烟气SCR脱硝技术运用的具体工艺也更加复杂,成本投入相对较大。

    2·烟气SCR脱硝技术应用的影响因素分析

    烟气SCR脱硝技术的核心是脱硝催化剂,因此,该技术在工业生产中的运用实现,对其技术效能具有重要影响作用因素还是催化剂与还原剂的选择。其中,催化剂对SCR脱硝技术的效能影响上,对其所对应的工艺系统脱硝效果及投入成本有着直接的关系,同时对整个工艺系统设备的采购以及更换、维护等也存在着一定的影响。一般情况下,烟气SCR脱硝技术运用中对催化剂的选择,多以活性高且寿命较长、经济性较好、无二次污染的催化剂类型为主,并且要求其具有合适的活性溫度窗口,不容易出现中毒失效等情况,具有再生效果。以烟气SCR脱硝技术工艺中常用的二氧化钛催化剂为例,它属于一种碱金属催化剂,该催化剂的最佳反应温度一般在300℃~400℃之间。此外,针对烟气SCR脱硝技术原理,国内在针对该技术工艺的研究中所开发实现的新型催化剂以中温烟气脱硝处理和低温烟气脱硝处理两种类型为主,其最佳反应温度分别为220℃~410℃和130℃~170℃之间,其中,适用于中温烟气脱硝处理的催化剂在水泥窑炉的窑尾高温风机入口废气脱硝处理中应用较多,而低温烟气催化剂在水泥窑煅烧烟气经废气处理后的烟气脱硝中具有较好的适用性。

    此外,烟气SCR脱硝技术中另一重要因素为还原剂的选择和应用。结合当前SCR脱硝技术应用的还原剂类型情况,主要为尿素、氨水以及纯氨。值得注意的是,上述三种SCR技术常用还原剂中,一般情况下,对高温煅烧系统的脱硝处理,采用氮系还原剂会对其工艺系统产生额外干扰,从而对其系统脱硝效率产生不利影响。根据这一情况可以看出,对还原剂的选择应用需要结合烟气SCR技术工艺的实际情况进行合理对比选择,以确保其工艺系统的运行效率,从而提高其技术效能。

    3·水泥窑炉烟气SCR脱硝技术现状研究

    结合上述对SCR技术原理及其技术效能的影响因素分析,水泥窑炉烟气SCR脱硝技术应用中,根据水泥工业的大气污染排放控制标准,要求对水泥生产烟气排放的氮氧化物(NO2)浓度控制在400mg/Nm3以下,其中,重点地区水泥生产烟气排放中氮氧化物(NO2)浓度需要控制在320mg/Nm3以下。根据这一标准,结合当前国内水泥生产中所采用的水泥窑炉烟气SCR脱硝系统情况,由于水泥窑炉煅烧的高温废气与其他热工系统相比较为复杂,导致其技术运用的具体效能分析仍然需要从催化剂和还原剂选择、高温烟气调质方面进行分析。

    结合水泥窑炉烟气SCR脱硝系统常用催化剂、还原剂类型及其高温烟气调质情况,为避免水泥窑炉煅烧烟气有害成本对催化剂使用安全及使用寿命的影响,在具体工艺系统改进及技术优化应用中,首先针对水泥窑炉煅烧的高钙运行工况,由于烟气中CaO浓度较高,导致SCR脱硝工艺系统运行中容易和烟气中的SO3形成粘连,产生CaSO4覆盖,在其煅烧反应温度达到300℃以上时发生烧结情况,对催化剂的活性形成影响,因此,在实际应用中应注意加强水泥窑炉煅烧的高温烟气CaO浓度控制,并注意选择含有WO3的催化剂进行烟气脱硫处理应用,以确保其技术效能。

    其次,水泥窑炉烟气SCR脱硫技术运用中,针对水泥窑炉煅烧的高飞灰运行工况,由于这一工况条件下,烟气SCR脱硫处理中会产生催化剂堵塞情况,从而对其技术运用的效能产生影响,造成相应的工艺系统脱硝效率降低,严重情况下甚至会导致重大事故问题发生,需要在催化剂选择中以表面积较大且不容易发生堵塞的催化剂类型为为主,以对其工艺运行效率进行保障。根据这一情况,结合当前水泥窑炉烟气SCR脱硝技术应用实际,有研究显示采用具有一定间距的方孔催化剂能够起到较好的防堵塞效果,并且这一类型的催化剂在烟气含尘为10~20g/Nm3的工况条件下均具有较好的适用性。

    此外,针对水泥窑炉煅烧的高温工况条件,根据其SCR脱硝催化剂的活性温度窗口条件,并且即使处于催化剂的活性温度窗口也会存在温度升高造成其活性降低特征,因此,为避免高温工况条件下的催化剂活性降低,应适当增加催化剂的使用量,以满足工艺系统的脱硝效能。

    4·结语

    总之,对水泥窑炉烟气SCR脱硝技术的现状进行分析,有利于促进其水泥窑炉烟气排放污染控制中推广应用,进而促进水泥窑炉烟气SCR脱硝技术水平,具有十分积极的作用和意义。

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