高溫高塵SCR脫硝技術(shù)的應(yīng)用

我公司目前擁有兩條4?000t/d熟料生產(chǎn)線，A線由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，于2004年3月點(diǎn)火投產(chǎn)；B線為河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，于2011年1月6日點(diǎn)火生產(chǎn)。B線采用的是Φ4.8m×72m回轉(zhuǎn)窯與五級(jí)預(yù)熱器相匹配的方案，同時(shí)煤磨、生料立磨都是從窯尾取風(fēng)。本文就此二線高溫高塵SCR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用實(shí)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(diǎn)行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南（2020年修訂版）》（環(huán)辦大氣函[2020]340號(hào)）中水泥企業(yè)績(jī)效分級(jí)指標(biāo)中，差異化指標(biāo)污染治理技術(shù)、排放限值中規(guī)定，A級(jí)企業(yè)水泥窯配備兩種及以上低氮燃燒技術(shù)，窯尾配備SNCR/SCR等脫硝設(shè)備，氨水用量＜4kg/t，窯磨同步運(yùn)轉(zhuǎn)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(guān)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(hào)）文件，對(duì)域內(nèi)水泥企業(yè)脫硝系統(tǒng)提出了具體的升級(jí)要求，要求在產(chǎn)水泥熟料企業(yè)在現(xiàn)有SNCR脫硝設(shè)施的基礎(chǔ)上，配套建設(shè)SCR脫硝設(shè)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(dá)標(biāo)，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(tái)生料立磨全部停止運(yùn)行30min以上時(shí)會(huì)造成氨逃逸值波動(dòng)，存在一定的環(huán)保壓力。為滿足環(huán)保要求與生產(chǎn)需要，提高環(huán)?？?jī)效管理水平，對(duì)水泥窯煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造勢(shì)在必行。2、SCR不同技術(shù)方案的比較我公司根據(jù)現(xiàn)有幾種SCR脫硝工藝運(yùn)行的現(xiàn)狀，重點(diǎn)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(yù)熱器C1出口直接進(jìn)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(yīng)，生成氮?dú)夂退Ｔ撎幍臒煔鉁囟仍?80~400℃，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(shí)就需配置一套安全可靠高效的清灰系統(tǒng)來保障設(shè)備運(yùn)行。高溫高塵工藝在增加脫硝反應(yīng)塔及進(jìn)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(shù)是從C1出口的窯尾煙氣先經(jīng)過高溫電除塵器進(jìn)行預(yù)處理，使粉塵濃度降低到30g/Nm3左右，然后再進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)塔進(jìn)行脫硝處理。這樣可以大大降低粉塵對(duì)催化劑的磨損和堵塞。采用該脫硝工藝缺點(diǎn)也很明顯，占用空間較大，系統(tǒng)阻力增大，運(yùn)行費(fèi)用略高。2.3中溫中塵中溫中塵SCR脫硝設(shè)備通常布置在高溫風(fēng)機(jī)之后，或者高溫風(fēng)機(jī)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(yīng)塔設(shè)置在余熱鍋爐之后，對(duì)余熱發(fā)電量幾乎沒有影響。工況煙氣量小，SCR反應(yīng)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(yīng)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(yīng)塔及進(jìn)出口煙道后增加阻力約800Pa。3、高溫高塵SCR脫硝技術(shù)的應(yīng)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(shù)，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(jìn)行介紹。3.1整體技術(shù)方案在已有SNCR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增高溫高塵SCR脫硝設(shè)施，整個(gè)脫硝系統(tǒng)由氨水循環(huán)輸送系統(tǒng)、計(jì)量/噴射系統(tǒng)、SCR反應(yīng)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(shè)計(jì)SCR方案時(shí)，對(duì)現(xiàn)有SNCR系統(tǒng)噴氨點(diǎn)位置進(jìn)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(yīng)塔的基礎(chǔ)支撐，從C1出口匯總管道處新建管道，將煙氣引至脫硝反應(yīng)塔，后經(jīng)管道回窯尾鍋爐進(jìn)口。設(shè)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(jié)、煙氣升溫過快損壞催化劑，此時(shí)煙氣從旁路通過。待通過吹灰壓縮空氣對(duì)催化劑升溫至酸露點(diǎn)以上后，關(guān)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(bǔ)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(shè)計(jì)要求，在C1預(yù)熱器煙氣入口增設(shè)氨水噴槍，作為補(bǔ)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(chǔ)存系統(tǒng)。氨水由兩臺(tái)加壓泵（1開1備）輸送至霧化噴嘴，泵電機(jī)為變頻電機(jī)，泵的轉(zhuǎn)速與窯尾煙囪NOx的排放量形成PLC程序聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)按排放量噴氨。噴槍噴嘴等關(guān)鍵部件的外表面經(jīng)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(xì)小液滴，擴(kuò)散角度大，覆蓋范圍廣，整個(gè)霧化系統(tǒng)都有PDI功能回路，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)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(yīng)塔進(jìn)風(fēng)管、反應(yīng)塔回風(fēng)管、旁路風(fēng)管組成，用于實(shí)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(chǎn)線正常運(yùn)行，每個(gè)風(fēng)管在合理位置設(shè)有電動(dòng)閥門及膨脹補(bǔ)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(fēng)管匯合后的直管段，在直管道內(nèi)安裝雙流體管道增濕噴霧系統(tǒng)，并采用變頻調(diào)節(jié)，從而使煙氣經(jīng)管道增濕降溫后進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)。PH爐停用，生料磨開一臺(tái)磨機(jī)時(shí)，入磨溫度可達(dá)到215~230℃；生料磨全停，進(jìn)窯尾收塵器的煙氣溫度可控制在180℃±15℃（根據(jù)實(shí)際布袋耐受溫度調(diào)整）。PH爐運(yùn)行時(shí)，管道增濕噴霧系統(tǒng)可不運(yùn)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(yīng)塔及煙道表面散熱，加之部分飛灰在反應(yīng)塔內(nèi)自然沉降，會(huì)造成余熱發(fā)電量下降約0.6~1kWh/t，因此旁路風(fēng)管需根據(jù)現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線實(shí)際情況決定改造或者新增。為防止SCR運(yùn)行時(shí)旁路風(fēng)管漏風(fēng)從而影響脫硝效率，旁路風(fēng)管閥門需采用高性能密封閥門。SCR反應(yīng)塔布置在C1預(yù)熱器出口與高溫風(fēng)機(jī)入口之間，只需要對(duì)現(xiàn)有管道進(jìn)行改造，而SCR及鋼支架等施工不影響水泥窯生產(chǎn)線的運(yùn)營(yíng)，停窯時(shí)煙道改造對(duì)接即可。3.4反應(yīng)塔反應(yīng)塔為4層設(shè)計(jì)，其中1層為備用層。反應(yīng)塔內(nèi)部布置有導(dǎo)流板、整流柵格、催化劑、催化劑支撐梁、加強(qiáng)筋等。為減小粉塵對(duì)催化劑的磨損，反應(yīng)塔入口煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，并在SCR反應(yīng)塔入口及出口設(shè)置導(dǎo)流、均流裝置，以保證煙氣在進(jìn)入第一層催化劑時(shí)入射角度。SCR反應(yīng)塔外壁一側(cè)在催化劑層處設(shè)有檢修門，用于將催化劑模塊裝入催化劑層。每個(gè)催化劑層都設(shè)有人孔門，方便在機(jī)組停運(yùn)時(shí)進(jìn)入檢查催化劑模塊。煙氣從反應(yīng)塔的頂部進(jìn)入并且垂直向下通過反應(yīng)塔，反應(yīng)塔橫截面和催化劑的層間距設(shè)計(jì)，符合煙氣的特點(diǎn)要求、催化劑的運(yùn)行要求及脫硝裝置運(yùn)行維護(hù)與檢修的要求。在反應(yīng)塔的豎直段裝有催化劑床，在出口端設(shè)置回灰收集灰斗。反應(yīng)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(yīng)副產(chǎn)物，以減少反應(yīng)塔壓降。反應(yīng)塔內(nèi)部易于磨損的部位設(shè)計(jì)必要的防磨措施，并且各類加強(qiáng)板、支架設(shè)計(jì)成不易積灰的型式，同時(shí)考慮熱膨脹的補(bǔ)償措施。反應(yīng)塔設(shè)置旁路系統(tǒng)。在開機(jī)階段，要求烘窯煙氣走旁路管道，不能直接進(jìn)入反應(yīng)塔，防止升溫過快、煙氣水分過大以及酸性成分對(duì)催化劑使用壽命造成很大影響。同時(shí)，使用加熱器對(duì)清灰壓縮空氣進(jìn)行加熱，然后加熱反應(yīng)塔系統(tǒng)，待反應(yīng)塔系統(tǒng)溫度達(dá)到酸露點(diǎn)溫度以上才能讓窯尾煙氣進(jìn)入反應(yīng)塔系統(tǒng)。另外當(dāng)出現(xiàn)異常工況或反應(yīng)塔需停機(jī)等緊急情況時(shí)，也可開啟旁路系統(tǒng)，保護(hù)反應(yīng)塔。反應(yīng)塔殼體見圖1。圖1反應(yīng)塔殼體3.5催化劑目前市場(chǎng)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(jīng)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(shè)置方式為3+1層，初裝3層，1層備用。滿足不低于92%的設(shè)計(jì)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(yán)格的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。催化劑進(jìn)氣端作邊緣硬化處理，以增強(qiáng)催化劑耐磨性，從而減弱飛灰對(duì)催化劑的沖刷影響。催化劑設(shè)計(jì)已考慮燃料中可能含有的微量元素導(dǎo)致的催化劑中毒。首先裝入3層，運(yùn)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(shí)間變化情況注：X為需要在相應(yīng)年份更換的催化劑層。3.6氣流均布設(shè)計(jì)為了保證良好的脫硝效果，要求煙氣在SCR反應(yīng)塔內(nèi)部必須均勻分布。SCR系統(tǒng)噴氨點(diǎn)位于分解爐出口、C5旋風(fēng)筒和C1旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)管上。氨水經(jīng)壓縮空氣霧化后噴入，與煙氣充分混合均勻后進(jìn)入反應(yīng)塔（混合時(shí)間達(dá)5s以上）。SCR反應(yīng)塔進(jìn)口處氣流均布主要措施有：（1）盡量設(shè)計(jì)接近正方形的反應(yīng)塔截面，避免狹長(zhǎng)型反應(yīng)塔截面，減少氣流分布偏差；（2）在反應(yīng)塔入口設(shè)置氣體導(dǎo)流板，提高氣流分布的均勻度；（3）盡量拉長(zhǎng)反應(yīng)塔入口的變徑管，減小風(fēng)管截面變化幅度。SCR反應(yīng)塔入口導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)見圖2。圖2SCR反應(yīng)塔入口導(dǎo)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(yīng)塔集灰斗處安裝有管道換熱器。SCR系統(tǒng)啟動(dòng)階段，壓縮空氣經(jīng)電加熱器加熱至150℃后供SCR反應(yīng)塔耙式清灰器吹掃工作；SCR系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉電加熱器，壓縮空氣經(jīng)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(jié)構(gòu)見圖3。圖3耙式清灰器結(jié)構(gòu)3.8壓縮空氣系統(tǒng)由于原系統(tǒng)空壓機(jī)需要供窯系統(tǒng)與原料、礦山系統(tǒng)使用，為保險(xiǎn)起見，新增3臺(tái)螺桿式空壓機(jī)及其配套干燥機(jī)和壓縮空氣儲(chǔ)罐等設(shè)備，空壓機(jī)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(dòng)階段使用。3.9回灰系統(tǒng)S