水泥窑低温SCR脱硝技术中试研究

水泥窑低温水泥窑低温SCR脱硝技术中试研究脱硝技术中试研究0引言引言随着国家标准的提高以及火电行业超低排放的带动，SCR可能成为今后脱硝的首选工艺。目前水泥行业作为高污染高能耗的产业，其脱硝工艺也势必面临由SNCR向SCR方向的转变[1]。目前国际上水泥行业SCR脱硝示范线很少，且均布置在预热器310~350℃出口，由于该区域温度窗口正好处于SCR催化剂活性温度范围，效率较高，但是该区域含尘量高达80~120g/Nm3，且存在大量的碱和碱土金属，如CaO等，容易造成催化剂孔道的堵塞，导致催化剂中毒失活等，限制了其推广应用。鉴于此，国内外学者将研究重点转向低尘低温脱硝催化剂配方研究上，主要集中在锰基（MnOx）、钒基（V2O5），以及其他金属氧化物基，如铈基（CeO2）、铁基（FeOx）、铜基（CuO）等催化剂的方向上，并取得了较好的效果。因此，本研究通过3200t/d新型干法水泥生产线窑尾布袋除尘器后建设低温SCR脱硝中试装置，以水泥窑实际烟气情况研究了低温SCR脱硝系统运行过程中烟气温度、喷氨速率、气体空速等工艺参数对脱硝效率的影响，为下一步工业示范提供了数据支持和依据。1试验部分试验部分1.1试验系统试验系统在北京太行前景水泥有限公司3200t/d水泥生产线窑尾布袋除尘器后建设了1套13000m3/h风量的低温SCR催化反应系统。系统主要由引风机、烟道调节阀、反应器、超声波雾化器、氨水流量计、计量泵、温度传感器等组成。120~180℃烟气由窑尾风机出口引入催化反应器，在催化剂作用下通过氨水将烟气中氮氧化物还原成氮气和水。催化系统主要设备见表1。1.2主要设计参数主要设计参数催化剂采用整体蜂窝式，主要成分为钒钛，掺杂Ce等稀土元素。催化剂单元模块尺寸为150mm×150mm×810mm，催化剂比表面积459m2/m3，共有108个模块，3层布置，每层36个，总体积约1.97m3。该催化剂具有良好的脱硝活性和抗硫性能。主要设计参数见表2。原燃料燃烧产物灰元素分析见表3。1.3工艺流程中试装置建在北京市太行前景水泥有限公司3200t/d熟料生产线。烟气处理量为6000~13000m3/h。120~180℃烟气从窑尾布袋除尘器后经旁路烟道引出，经过蝶阀、反应器后经引风机送入窑尾风机出口烟道。烟气流量通过调整蝶阀控制实现。脱硝还原剂采用20%浓度氨水，通过小型氨水计量泵将氨水罐里的氨水送入超声波雾化器，雾化成70μm氨水雾滴与烟气混合后，进入催化反应器反应，氨水流量通过调整流量计实现。烟气温度通过调整水泥窑生料磨开启控制。中试装置的流程见图1，反应器结构设计见图2。2中试结果与讨论中试结果与讨论2.1空速对脱硝效率的影响空速对脱硝效率的影响脱硝过程为气固化学反应过程，其反应程度与烟气和催化剂接触时间长短、接触面等因素有关[7]。接触面主要和催化剂断面孔数有关，孔数越大，比表面积越大，壁厚越薄，本项目催化剂孔数为22×22。空速=烟气流量/催化剂体积，是烟气在催化剂内停留时间的倒数（h-1）。空速越大，烟气在催化剂内停留的时间越短，催化反应作用时间越短，反应效率越低。然而，在烟气流量确定的条件下，降低空速催化剂体积增大。实际空速的选择需要对脱硝效率和催化剂用量两者进行权衡。现有在建或者已运行的SCR系统中空速一般为4000~6000h-1左右。空速对脱硝效率的影响见图3。试验过程中控制空速在2000~7000h-1的范围内变化，温度150℃、170℃，氨水流量2.5L/h。通过调整烟气阀门控制烟气流量，从而调节空速。由图3可以看出，在空速增大即反应时间减小的情况下，催化剂脱硝效率总体趋势降低，但在一定空速范围内催化剂活性较高且较为稳定。当温度在170℃时，空速在2500~7000h-1范围内时，催化剂的脱硝效率均高于80％，可实现60mg/Nm3排放。当温度在150℃时，催化剂效率在50%。试验显示，空速在5000h-1左右有明显的分界，可作为工程参考。温度对催化效率的影响比空速大。这可能是由于催化反应发生在布袋除尘器后，粉尘浓度较低，虽然空速增大，但是由于NH3在催化剂表面的吸附和阶段氧化脱氢是SCR反应的核心，主要均受表面性质和反应温度的影响，由于催化剂表面孔数未发生变化，故而脱硝效率并未有大的改变。2.2温度对脱硝效率的影响温度对脱硝效率的影响温度是影响SCR脱硝效率的重要因素。SCR系统的最佳操作温度决定于催化剂成分和烟气组成。一般工业用SCR催化剂的最佳操作温度为250~430℃。SCR脱硝效率随着温度的升高而增大，这是因为温度升高能使化学反应速度以指数倍增加。当温度高于催化剂系统所需温度时，造成催化剂的烧结和失活，效率下降[9]。试验过程中控制脱硝反应温度在130~180℃的范围内变化，烟气流量10000m3/h，氨水流量