高溫高塵SCR脫硝技術的應用

我公司目前擁有兩條4?000t/d熟料生產線，A線由天津水泥工業(yè)設計研究院設計，于2004年3月點火投產；B線為河北省建筑材料工業(yè)設計研究院設計，于2011年1月6日點火生產。B線采用的是Φ4.8m×72m回轉窯與五級預熱器相匹配的方案，同時煤磨、生料立磨都是從窯尾取風。本文就此二線高溫高塵SCR系統(tǒng)的優(yōu)勢與應用實例和大家探討。1、必要性根據(jù)2020年6月29日生態(tài)環(huán)境部辦公廳發(fā)布的《重污染天氣重點行業(yè)應急減排措施制定技術指南（2020年修訂版）》（環(huán)辦大氣函[2020]340號）中水泥企業(yè)績效分級指標中，差異化指標污染治理技術、排放限值中規(guī)定，A級企業(yè)水泥窯配備兩種及以上低氮燃燒技術，窯尾配備SNCR/SCR等脫硝設備，氨水用量＜4kg/t，窯磨同步運轉率大于80%。PM、SO2、NOx排放濃度分別不高于10mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3，氨逃逸≤5mg/Nm3。2022年10月17日，唐山市生態(tài)環(huán)境局下發(fā)《關于開展焦化、水泥、玻璃、燃煤發(fā)電行業(yè)企業(yè)深度整治工作的通知》（唐環(huán)氣[2022]2號）文件，對域內水泥企業(yè)脫硝系統(tǒng)提出了具體的升級要求，要求在產水泥熟料企業(yè)在現(xiàn)有SNCR脫硝設施的基礎上，配套建設SCR脫硝設施。SCR脫硝工藝的氨逃逸不高于2.5mg/Nm3。目前，我公司使用的是SNCR氨水脫硝系統(tǒng)，為保證氮氧化物排放達標，系統(tǒng)氨水用量偏大（約合1.1m3/h左右），系統(tǒng)氨逃逸值低于8mg/Nm3左右，在與窯系統(tǒng)配套的兩臺生料立磨全部停止運行30min以上時會造成氨逃逸值波動，存在一定的環(huán)保壓力。為滿足環(huán)保要求與生產需要，提高環(huán)?？冃Ч芾硭剑瑢λ喔G煙氣脫硝系統(tǒng)進行升級改造勢在必行。2、SCR不同技術方案的比較我公司根據(jù)現(xiàn)有幾種SCR脫硝工藝運行的現(xiàn)狀，重點研究和比較了高溫高塵、高溫中塵和中溫中塵三種工藝。2.1高溫高塵高溫高塵SCR脫硝指水泥窯尾廢氣從預熱器C1出口直接進入SCR脫硝系統(tǒng)，煙氣中的NOx與還原劑氨水等充分混合，在催化劑作用下發(fā)生還原反應，生成氮氣和水。該處的煙氣溫度在280~400℃，適合于多數(shù)催化劑。由于C1出口煙氣中粉塵濃度多在100g/Nm3以上，催化劑出現(xiàn)堵塞的可能性較大，且易加快催化劑的磨損，此時就需配置一套安全可靠高效的清灰系統(tǒng)來保障設備運行。高溫高塵工藝在增加脫硝反應塔及進入口煙道后阻力增加約800~1?000Pa（初裝3層催化劑）。2.2高溫中塵高溫中塵SCR脫硝技術是從C1出口的窯尾煙氣先經過高溫電除塵器進行預處理，使粉塵濃度降低到30g/Nm3左右，然后再進入SCR脫硝反應塔進行脫硝處理。這樣可以大大降低粉塵對催化劑的磨損和堵塞。采用該脫硝工藝缺點也很明顯，占用空間較大，系統(tǒng)阻力增大，運行費用略高。2.3中溫中塵中溫中塵SCR脫硝設備通常布置在高溫風機之后，或者高溫風機與窯尾余熱鍋爐之間，煙氣溫度通常在180~230℃，粉塵50~60g/Nm3。在一定程度上緩解了催化劑的堵塞、磨損等問題。反應塔設置在余熱鍋爐之后，對余熱發(fā)電量幾乎沒有影響。工況煙氣量小，SCR反應塔占地面積略小。但是此溫度區(qū)間，煙氣中的SO3易與NH3反應形成硫酸氫銨，其具有黏性，使粉塵附著在催化劑表面，易造成催化劑微孔堵塞，中毒失活。中溫中塵工藝在增加脫硝反應塔及進出口煙道后增加阻力約800Pa。3、高溫高塵SCR脫硝技術的應用目前我公司兩條窯系統(tǒng)全部采用了高溫高塵SCR脫硝技術，窯尾NOx排放濃度能夠穩(wěn)定在50mg/Nm3以下。下面以B線為例進行介紹。3.1整體技術方案在已有SNCR系統(tǒng)的基礎上，新增高溫高塵SCR脫硝設施，整個脫硝系統(tǒng)由氨水循環(huán)輸送系統(tǒng)、計量/噴射系統(tǒng)、SCR反應塔、脫硝煙道系統(tǒng)、催化劑系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、輸灰系統(tǒng)等組成。在設計SCR方案時，對現(xiàn)有SNCR系統(tǒng)噴氨點位置進行優(yōu)化。新建SCR脫硝系統(tǒng)，由于位置與工藝布置原因，拆除了原增濕塔系統(tǒng)，拆除增濕塔后的框架作為SCR反應塔的基礎支撐，從C1出口匯總管道處新建管道，將煙氣引至脫硝反應塔，后經管道回窯尾鍋爐進口。設置旁路煙道和旁路擋板門，在啟窯初期烘窯階段，為避免煙氣中水分凝結、煙氣升溫過快損壞催化劑，此時煙氣從旁路通過。待通過吹灰壓縮空氣對催化劑升溫至酸露點以上后，關閉旁路擋板。新增壓縮空氣系統(tǒng)，作為耙式清灰器的氣源。新增管道噴淋降溫系統(tǒng)，代替拆除的增濕塔作用。3.2補充噴氨系統(tǒng)為保證SCR脫硝效率和出口氨逃逸濃度滿足設計要求，在C1預熱器煙氣入口增設氨水噴槍，作為補充噴氨系統(tǒng)。我公司選用了5支雙流體噴槍，布置在C1余熱鍋爐旁路擋板下方管道上。噴槍沿管壁均勻布置且分組控制，以減少壓縮空氣的損耗。還原劑為20%的氨水溶液，來自原有氨水儲存系統(tǒng)。氨水由兩臺加壓泵（1開1備）輸送至霧化噴嘴，泵電機為變頻電機，泵的轉速與窯尾煙囪NOx的排放量形成PLC程序聯(lián)鎖，實現(xiàn)按排放量噴氨。噴槍噴嘴等關鍵部件的外表面經過特殊處理，耐磨、耐腐、耐高溫性能優(yōu)越，能將氨水霧化成細小液滴，擴散角度大，覆蓋范圍廣，整個霧化系統(tǒng)都有PDI功能回路，實現(xiàn)了精準噴氨，降本增效。3.3煙氣管道系統(tǒng)煙氣管道系統(tǒng)由反應塔進風管、反應塔回風管、旁路風管組成，用于實現(xiàn)SCR系統(tǒng)、PH爐、增濕系統(tǒng)（塔/管）在各種工況下切換從而保證水泥生產線正常運行，每個風管在合理位置設有電動閥門及膨脹補償裝置。由于新增的SCR脫硝系統(tǒng)布置在窯尾增濕塔位置，取消了增濕塔，而利用Cl出口風管匯合后的直管段，在直管道內安裝雙流體管道增濕噴霧系統(tǒng)，并采用變頻調節(jié)，從而使煙氣經管道增濕降溫后進入高溫風機。PH爐停用，生料磨開一臺磨機時，入磨溫度可達到215~230℃；生料磨全停，進窯尾收塵器的煙氣溫度可控制在180℃±15℃（根據(jù)實際布袋耐受溫度調整）。PH爐運行時，管道增濕噴霧系統(tǒng)可不運行。管道與SCR殼體外保溫采用加厚形式，厚度140~200mm，最大程度防止熱量損失。由于反應塔及煙道表面散熱，加之部分飛灰在反應塔內自然沉降，會造成余熱發(fā)電量下降約0.6~1kWh/t，因此旁路風管需根據(jù)現(xiàn)有水泥生產線實際情況決定改造或者新增。為防止SCR運行時旁路風管漏風從而影響脫硝效率，旁路風管閥門需采用高性能密封閥門。SCR反應塔布置在C1預熱器出口與高溫風機入口之間，只需要對現(xiàn)有管道進行改造，而SCR及鋼支架等施工不影響水泥窯生產線的運營，停窯時煙道改造對接即可。3.4反應塔反應塔為4層設計，其中1層為備用層。反應塔內部布置有導流板、整流柵格、催化劑、催化劑支撐梁、加強筋等。為減小粉塵對催化劑的磨損，反應塔入口煙道結構設計合理，并在SCR反應塔入口及出口設置導流、均流裝置，以保證煙氣在進入第一層催化劑時入射角度。SCR反應塔外壁一側在催化劑層處設有檢修門，用于將催化劑模塊裝入催化劑層。每個催化劑層都設有人孔門，方便在機組停運時進入檢查催化劑模塊。煙氣從反應塔的頂部進入并且垂直向下通過反應塔，反應塔橫截面和催化劑的層間距設計，符合煙氣的特點要求、催化劑的運行要求及脫硝裝置運行維護與檢修的要求。在反應塔的豎直段裝有催化劑床，在出口端設置回灰收集灰斗。反應塔催化劑層間安裝吹灰器用來吹除沉積在催化劑上的灰塵和SCR反應副產物，以減少反應塔壓降。反應塔內部易于磨損的部位設計必要的防磨措施，并且各類加強板、支架設計成不易積灰的型式，同時考慮熱膨脹的補償措施。反應塔設置旁路系統(tǒng)。在開機階段，要求烘窯煙氣走旁路管道，不能直接進入反應塔，防止升溫過快、煙氣水分過大以及酸性成分對催化劑使用壽命造成很大影響。同時，使用加熱器對清灰壓縮空氣進行加熱，然后加熱反應塔系統(tǒng)，待反應塔系統(tǒng)溫度達到酸露點溫度以上才能讓窯尾煙氣進入反應塔系統(tǒng)。另外當出現(xiàn)異常工況或反應塔需停機等緊急情況時，也可開啟旁路系統(tǒng)，保護反應塔。反應塔殼體見圖1。圖1反應塔殼體3.5催化劑目前市場上主流的SCR催化劑有三種，分別為蜂窩式、平板式與波紋板式。經跟蹤、走訪研究發(fā)現(xiàn)，蜂窩催化劑較適合水泥行業(yè)的煙氣及粉塵特征，因此我公司選擇了蜂窩式催化劑。催化劑設置方式為3+1層，初裝3層，1層備用。滿足不低于92%的設計脫硝效率，這樣的工藝配置不僅可以滿足催化劑的更換，還具有更高的政策安全邊際，可滿足未來更嚴格的氮氧化物排放標準要求。催化劑進氣端作邊緣硬化處理，以增強催化劑耐磨性，從而減弱飛灰對催化劑的沖刷影響。催化劑設計已考慮燃料中可能含有的微量元素導致的催化劑中毒。首先裝入3層，運行2年后加裝第四層，之后每一年更換一層。催化劑更換周期見表1。表1催化劑層安裝數(shù)隨時間變化情況注：X為需要在相應年份更換的催化劑層。3.6氣流均布設計為了保證良好的脫硝效果，要求煙氣在SCR反應塔內部必須均勻分布。SCR系統(tǒng)噴氨點位于分解爐出口、C5旋風筒和C1旋風筒進風管上。氨水經壓縮空氣霧化后噴入，與煙氣充分混合均勻后進入反應塔（混合時間達5s以上）。SCR反應塔進口處氣流均布主要措施有：（1）盡量設計接近正方形的反應塔截面，避免狹長型反應塔截面，減少氣流分布偏差；（2）在反應塔入口設置氣體導流板，提高氣流分布的均勻度；（3）盡量拉長反應塔入口的變徑管，減小風管截面變化幅度。SCR反應塔入口導流板結構見圖2。圖2SCR反應塔入口導流板3.7清灰系統(tǒng)考慮到清灰用壓縮空氣的溫度要求，壓縮空氣管道和SCR反應塔集灰斗處安裝有管道換熱器。SCR系統(tǒng)啟動階段，壓縮空氣經電加熱器加熱至150℃后供SCR反應塔耙式清灰器吹掃工作；SCR系統(tǒng)正常運行時，關閉電加熱器，壓縮空氣經旁路管道至集灰斗處管道換熱器換熱至200℃后，供耙式清灰器吹掃工作。耙式清灰器結構見圖3。圖3耙式清灰器結構3.8壓縮空氣系統(tǒng)由于原系統(tǒng)空壓機需要供窯系統(tǒng)與原料、礦山系統(tǒng)使用，為保險起見，新增3臺螺桿式空壓機及其配套干燥機和壓縮空氣儲罐等設備，空壓機2用1備，為清灰系統(tǒng)提供壓縮空氣。配套加熱系統(tǒng)，僅在烘窯啟動階段使用。3.9回灰系統(tǒng)S