水泥窑烟气不同SCR脱硝技术研究

0　引言

浙江省2020年底依次发布《浙江省水泥行业超低排放改造实施方案》（浙环函[2020]260号）、《浙江省水泥行业超低排放评估监测技术指南》（浙环办函[2020]65号）。与政策配套，浙江省2023年12月发布了《水泥工业大气污染物排放标准》（DB 33/1346-2023）大力推进超低排放改造（二阶段NOx执行50 mg/Nm3的超低限值，于2025年6月底生效）。根据生态环境部《关于推进实施水泥行业超低排放的意见》，要求2025年底重点区域熟料产能全面完成超低排放改造，到2027年全国80%的熟料产能完成超低排放改造。NOx排放浓度限值执行50 mg/Nm3，氨排放浓度不超过8 mg/Nm3，吨熟料氨水消耗不超过3.5 kg/t.cl。生态环境部组织专题座谈会，基于NOx执行50 mg/Nm3的超低限值，披露了单纯的LCR、管道炉脱硝等技术路线存在的问题，浙江省也组织专题调研，基本确定实施超低排放改造需配套SCR的技术路线。水泥窑生产线因流程较长，SCR脱硝的配置技术路线也呈现出多样化，基于当前市面上不同的技术路线展开技术比选，为行业高质量实施水泥窑烟气NOx超低排放改造提供参考。

一、水泥窑烟气脱硝深度治理技术发展

水泥炉窑烟气脱硝超低排放技术，提倡“源头脱硝+过程控制+末端治理”全流程控制，NOx排放限值持续收严。2013年以前，水泥窑烟气NOx执行800 mg/Nm3限值，水泥厂均不配置脱硝装置。到2013年NOx排放限值收严至400 mg/Nm3（重点区域320 mg/Nm3），水泥厂开始全面采用SNCR脱硝。该技术路线可以覆盖到部分地方标准收严到200 mg/Nm3，还能取得较好的技术经济效果，部分水泥厂从经济运行角度，还配套实施低氮改造，全国水泥厂技术路线基本趋同。

直至2018年，江苏省率先提出推进非电行业超低排放改造，要求NOx排放浓度低于100 mg/Nm3，对脱硝治理技术要求大幅提升，此时，基本呈现多样化发展，依适配的反应温度窗口，主要有图1所示的各类技术，点位1在烟气和分解炉之间内嵌管道炉脱硝（低氮改造2代技术），点位2的iSNCR脱硝技术（也叫精准SNCR脱硝、智能SNCR脱硝技术，可视为SNCR脱硝2代技术），布置在点位3~5的SCR脱硝技术，分别对应高温SCR（C1级预热器后320~350 ℃区段）、中温SCR（余热锅炉后220~260 ℃）、低温SCR（窑尾除尘器后100 ℃）。基于NOx排放限值100 mg/Nm3，三类主要技术均有应用，其中iSNCR脱硝综合技术经济指标最佳，低温低尘SCR脱硝经验证不适用。

 

图1　水泥窑烟气脱硝技术分布点位图

直至2023年底，浙江省发布地方标准，二阶段NOx执行50 mg/Nm3超低限值，生态环境部发布通知定下主基调NOx收严至50 mg/Nm3，配置SCR脱硝被认为是可有效实现NOx和NH3双指标稳定可靠达标排放的必要条件，唐山、邢台等地市直接明确应选配SCR脱硝技术。由于SCR脱硝技术的核心在于催化剂的活性，基于火电行业几十年的应用业绩及水泥厂的试用业绩，仍然以320~350 ℃的高温SCR脱硝作为主流，据此，在点位3又发展出高温高尘SCR、高温中尘SCR和高温微尘SCR脱硝三条技术路线，差别主要在于：高温高尘SCR脱硝不配置预除尘，通过催化剂选型、高效吹灰等抗高尘设计解决高尘问题；高温中尘SCR在SCR反应器前安装电除尘进行预除尘，控制SCR反应器入口烟尘浓度<30 g/m3；高温微尘SCR则是在SCR反应器前安装金属滤袋，控制SCR反应器入口烟尘浓度<10 mg/Nm3。SCR反应器催化剂选型、建设、系统综合能耗均存在较大差异。中温中尘SCR脱硝（点位4）从能效综合利用角度，也被较多水泥企业选用。

二、水泥窑烟气SCR脱硝技术

1.高温高尘SCR脱硝

从水泥窑尾预热器C1出口引出的废气不经过预收尘直接进入SCR反应器进行脱硝。温度在320~350 ℃，粉尘浓度为80~120 g/m3，从抗高尘角度，该点位需要选择大孔径催化剂，通常为11孔+13孔配置。催化剂技术成熟，脱硝效率较高，可满足50 mg/Nm3的排放指标要求。图2为某高温高尘SCR脱硝实物照片。

 

 

图2　高温高尘SCR脱硝

高温高尘SCR脱硝的技术难点在于，送入SCR反应器的烟尘浓度非常大，整套SCR脱硝需配置强有力的清灰系统。催化剂运行在高尘环境下，堵塞、磨损、中毒风险大。运行维护费用主要是催化剂更换费用较高、吹灰器清灰周期短、频次高，吹灰能耗大。目前市场承诺高温高尘催化剂使用寿命在2年左右，催化剂使用寿命能否达到预期有待验证。

此外，由于C1出口烟气中含尘量相对较大，灰尘黏性相对较高，通过催化剂很容易堵塞，由于该技术的SCR反应器布置在余热锅炉之前，会影响余热锅炉的发电量约1.5~2.0 kWh/t.cl。为有效减少系统能效的影响，应设计合理的清灰系统，目前有高压清灰系统、高效低阻清灰系统和声波+高压清灰系统多种配置，其中以蒂森克虏伯为代表的高效低阻清灰系统的清灰效果、综合能效相对较优。

2.2　高温中尘SCR脱硝

从窑尾预热器C1出口引出的废气先经过高温电收尘，然后进入SCR反应器进行脱硝。SCR反应器入口烟气温度320~350 ℃，粉尘浓度＜30 g/m3，相较于高温高尘SCR脱硝催化剂的磨损、中毒、堵塞风险大幅减少，烟气条件略优于火电高温高尘SCR脱硝，脱硝后NOx浓度可达＜50 mg/Nm3排放。图3为某高温中尘SCR脱硝现场照片。

 

图3　高温中尘SCR脱硝

高温中尘SCR脱硝的主要技术难点在于：其一，虽然进入SCR反应器的颗粒物比高温高尘SCR脱硝有大幅下降，催化剂选型和系统清灰仍然是设计运行维护的重点，需妥善设计，避免出现堵孔导致系统压损过高，高温风机跳闸等安全问题，通常配置耙式吹灰器，属于机械运动部件，长期工作在高温高尘环境中，一旦出现故障，催化剂就面临堵塞、中毒及磨损的巨大风险。其二，受场地制约，该工艺路线高温电收尘一般选用1~2个电场。高温电收尘对制造、安装质量及运行工况要求很高，运行过程中任何一个环节出现问题都有可能导致收尘效果下降甚至收尘器停机，进而导致催化剂运行环境恶化，催化剂磨损、堵塞、中毒，从而导致催化剂失活、脱硝效率下降。占地面积大，改造成本高、运行维护量大。

3.高温微尘SCR脱硝

从水泥窑尾预热器C1出口引出的废气首先经过高温金属滤袋进行过滤，再送入SCR反应器。SCR反应器入口烟气温度在320~350 ℃左右，颗粒物浓度＜10 mg/Nm3。颗粒物不再是SCR脱硝设计的限制性因素，可以选择小孔径催化剂和低频次吹扫，有利于SCR反应器的减容和高效运行。脱硝后NOx浓度能达到＜50 mg/Nm3排放。因增加高温滤袋收尘后粉尘浓度大幅度降低，可减少对余热锅炉、高温风机等后续设备的磨损。

高温微尘SCR脱硝主要难点在于，由于高温除尘器面积大，系统温降偏高，收尘器收集下大量高温粉尘，影响后续余热发电效率。系统布置占地面积太大，影响检修通道，增加施工周期。金属滤袋系统运行阻力高达1?300~1?500 Pa，增加高温风机运行电耗和运行成本。金属滤袋成本高，总投资成本偏高。金属滤袋应用业绩相对较少，建设运行问题暴露不足，金属滤袋使用寿命有待验证。

4.中温中尘SCR脱硝

中温中尘SCR脱硝反应器布置在水泥窑尾余热锅炉后，从高温风机引出的废气送入SCR反应器。SCR反应器入口烟气温度在220~260 ℃，颗粒物浓度通常为40~60 g/m3。中温中尘SCR反应器布置在余热发电和高温风机后，对余热发电量及窑系统工况基本无影响。可根据现场情况利旧原系统的增湿塔进行改造利用，不新增占地面积，解决场地受限问题。烟气在经过余热锅炉之后经过沉降，粉尘浓度在40~60 g/m3左右，相当于预除尘，适当减少了粉尘对催化剂的磨损和冲刷作用，减缓了催化剂中毒风险，延长了催化剂使用寿命。同高温低尘技术路线相比，该路线烟道走向设计简洁流畅，系统阻力增加幅度相对较低，该路线设计阻力小于800 Pa，相对较高温低尘方案系统电耗大大减少。

中温中尘SCR脱硝技术的难点在于，由于运行温度比传统催化剂温度偏低，对中温催化剂的活性要求高，中温催化剂的造价较高，同时需要重点考虑烟气中的硫成分对催化剂中毒的影响。目前市场上商用中温SCR脱硝催化剂成熟度还有待验证。存在硫酸铵沉积风险，通常需要配置再热系统，脱硝系统能耗高，运行成本高。中温催化剂价格相对较高，对于处置固体废物生产线中毒风险更大。

三、技术经济比选
1.技术性能对比

从技术特点、系统稳定性、灵敏性、改造难度、系统风险，对经筛选后相对适配的高温高尘SCR、高温中尘SCR、高温微尘SCR和中温中尘SCR脱硝超低排放技术开展技术性能比选，详见表1。

表1　技术指标比选

 

2.经济性能对比

建设投资成本方面，主要构成包括预除尘器费用、SCR反应器、吹灰器费用、催化剂费用、催化剂再热器、高温风机改造或更新等费用，分项构成通过权重表征差异性，综合建设投资基于业绩统计分析。

运行维护成本方面，氨水消耗费用、系统电耗、余热锅炉能效损失、中温催化剂补热电耗、催化剂损耗更换和处置费、吹灰器蒸汽消耗、脱硝系统的日常维护费用等各种技术路线均有的消耗。根据不同技术路线对各部分费用通过权重形成比选，并根据业绩统计综合运行成本。经济性指标比较见表2。

3.应用业绩对比

综观目前省内外水泥行业深度脱硝工程，上述四种主要的技术都有实际工程应用案例，配合技术经济的发展，重点从数量、达标稳定性、运行稳定性等角度开展比选，见表3。

表2　水泥窑SCR脱硝经济性指标比较

 

表3　不同水泥炉窑SCR脱硝业绩比选

 

 

经综合比选，还是高温高尘SCR在以环保效益为主导导向下综合性能更优，优势在于预热器C1筒出口烟气温度在300~320 ℃的范围，正好是目前市场上成熟催化剂的应用温度范围，该温度区间安装催化剂，活性高，稳定性好，可获得较高的脱硝效果，能保证NOx排放浓度小于50 mg/Nm3。高尘环境确实会导致催化剂面临高粉尘冲刷、堵塞、中毒等风险最高，正常催化剂使用寿命仅约2年（16?000 h），清灰消耗压缩空气量大，运行成本高；同时因高温粉尘收集、系统温降等原因估计影响窑尾余热发电约1.0 kWh/t.cl左右。据报道，当前高效低阻耙式吹灰器、抗高尘催化剂及有效的抗高尘设计有效弥补了高温高尘SCR脱硝的技术劣势，相关应用业绩与其他SCR脱硝技术路线相比，在工程造价、性能发挥及运行费用上均有优势。基于不同企业的基础和诉求，各类技术路线开展比选时可以调整各自分项权重，将有利于企业选配合理的技术路线。

四、结论和展望

综观上述方面因素，从技术、经济、应用业绩等方面的比较，高效低阻吹灰高温高尘SCR脱硝工艺脱硝改造优势明显：

（1）基于当前水泥窑烟气超低排放改造NOx控制目标明确在＜50 mg/Nm3，选配SCR脱硝具有必要性。

（2）从经济运行角度，由于适用于不同温度窗口的技术具有兼容性，鼓励多技术联用：通过低氮改造降低初始NOx浓度，进一步兼容iSNCR脱硝系统，减少分解炉段产生的NOx，以NOx浓度＜100~200 mg/Nm3为宜，最后配套SCR脱硝，作为兜底，实现NOx和NH3双指标达标。

（3）高温高尘SCR脱硝技术是经过烟气条件相对较好的火电行业脱硝筛选后，是适应新形势超低排放技术发展方向的先进技术。借助专有的高效低阻耙式吹灰器和大孔径催化剂，并通过合理化设计，有效应对水泥厂固有的高尘环境。

（4）多技术联用，进一步挖掘源头和过程降NOx空间，如此SCR脱硝装置、催化剂用量、氨水用量及运行电耗均可大幅下降；若能通过源头降氮实现NOx超低排放目标，真正实现无氨降氮，有利于实现氨水减量、催化剂危废减量、氨逃逸减量，有利于宏观环境综合提质增效。