水泥窑尾烟气SCR脱硝技术工艺路线探讨

近年来，为降低氮氧化物排放，大部分水泥企业已进行SNCR脱硝技术改造；还有企业同时进行了低氮燃烧改造或者进行了燃料分级燃烧和空气分级燃烧改造。然而这些脱硝技术的脱硝效率较低，一般为50%以下，氮氧化物排放浓度基本都在100mg/Nｍ³以上；同时氨逃逸量大，腐蚀生产设施设备、产生安全隐患、影响回转窑系统操作，增加生产能耗（包括煤耗、电耗），导致运行成本提高[1-2]。

随着国家及地方政府环保政策的趋严，多省市连续出台水泥工业大气污染物特别排放限值实施计划，要求水泥行业全部完成超低排放，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度都要分别不高于10mg/Nｍ³、50mg/Nｍ³、100mg/Nｍ³，有些省份计划参照燃煤火力发电厂的超低排放标准，控制氮氧化物50mg/Nｍ³以下，以及对氨逃逸进行限制。为满足氮氧化物和氨逃逸的超低排放改造要求，借鉴燃煤火力发电厂成功成熟的SCR脱硝技术工艺路线基础上，结合水泥窑尾烟气性质将是今后解决水泥窑尾烟气氮氧化物超低排放的不二选择[3-5]。

1 SCR脱硝技术工艺路线

1.1 水泥窑尾烟气工艺流程现状

如图1所示，普通水泥窑尾C1出口后烟气通常在300℃以上，粉尘浓度达80~120g/Nｍ³，其烟气工艺流程中依次设置有增湿塔、与增湿塔并联设置的余热锅炉、高温风机、生料磨系统、布袋除尘器、引风机以及烟囱；其中生料磨系统由依次连接的生料磨、物料分离器以及物料风机组成，且系统设有旁路烟道[6]。

图1普通水泥窑尾烟气工艺流程原理图

如图2所示，特种水泥尾C1出口后烟气通常在300℃以下, 粉尘浓度亦为80~120g/Nｍ³，其烟气工艺流程中依次设置有高温风机、增湿塔、与增湿塔并联设置的生料磨系统、布袋除尘器、引风机以及烟囱；其中生料磨系统也由依次连接的生料磨、物料分离器以及物料风机组成[6]。

图2特种水泥窑尾烟气工艺流程原理图

对水泥行业窑尾烟气进行SCR脱硝技术改造时，具体有两种的工艺路线可供选择，即传统SCR脱硝技术工艺路线和“预除尘+SCR”脱硝技术工艺路线，为简述起见，下文以特种水泥窑尾烟气工艺流程为基础进行论述。

1.2 传统SCR脱硝技术工艺路线

进行水泥行业窑尾烟气SCR脱硝技术改造时，其中一种可供选择的工艺路线是直接借鉴燃煤电厂的氮氧化物治理方式，将SCR脱硝反应器布置在窑尾C1出口的高温高尘区，即传统SCR脱硝技术工艺路线，如图3所示。

传统SCR脱硝技术工艺路线优点是，系统简单，只需设计SCR反应器，阻力低。但其缺点也是比较明显：催化剂堵塞、磨损、中毒，氨逃逸等问题，吹灰是难点。

图3传统SCR脱硝技术工艺路线

1.3 “预除尘+SCR”脱硝技术工艺路线

水泥行业窑尾烟气SCR脱硝技术的另一种可供选择的工艺路线是“预除尘+SCR”脱硝技术工艺路线。由于水泥行业窑尾C1出口烟气的粉尘浓度可达80-120 g/Nｍ³，以及粉尘高温时粘度较大的性质和粉尘粒径细小且分布较为集中：10%的粒径小于0.826μm，粉尘的粒径中位值为3.237μm，粉尘中90%的粒径小于11.696μm；PM2.5占比为40.59%，PM10占比为86.58%；另窑尾烟气粉尘性质与燃煤电厂烟气粉尘性质完全不同，因此非常有必要对水泥窑尾高温烟气先进行预除尘再进入SCR反应器，即形成“预除尘+SCR”脱硝技术工艺路线，为有效控制粉尘浓度，预除尘可采用高温电除尘、高温金属滤袋除尘、高温电袋除尘等。

1.3.1电除尘+SCR脱硝技术工艺路线

如图4所示，在SCR反应器的前端设置高温电除尘，窑尾C1出口后的高温高尘烟气先通过高温电除尘进行预除尘，但由于高温烟气比电阻大（如图5所示），高温电除尘效率较低约50%（如图6所示），因此电除尘后的高温烟气粉尘含量仍然很高，浓度与燃煤电厂设置SCR工艺的在同一个等级，甚至更高，因而与传统SCR脱硝的问题一样，无法解决传统SCR脱硝工艺路线原有问题。

图4电除尘+SCR脱硝技术工艺路线

图5-温度对比电阻的影响

图6-比电阻对电除尘效率的影响

1.3.2袋除尘+SCR脱硝技术工艺路线

如图7所示，袋除尘+SCR脱硝技术工艺路线为SCR催化剂布置于高温除尘器顶部，无磨损堵塞，催化剂保证设计寿命、催化剂无碱金属中毒风险；脱硝无氨逃逸、无喷氨过量问题，保证脱硝效率，无氮氧化物超标风险；正常设计寿命条件下无运维费用、无吹灰器投资及其运营维护成本、减少了阻力后的风机运营成本等。但其缺点在于滤袋直接面对高粉尘浓度的冲刷风险，根据现有的工程经验，阻力和清灰效果无法预测。

图7高温金属滤袋除尘+SCR脱硝技术工艺路线

1.3.3电袋除尘+SCR脱硝技术工艺路线

高温电袋尘+SCR脱硝技术工艺路线，水泥窑尾C1出口高温高尘烟气先经烟道设计的机械沉降预除尘、高温电除尘、高温金属滤袋除尘等三级的逐级预除尘，确保除尘安全可靠稳定运行，不会对滤袋的冲刷，保证进入脱硝催化剂的烟气是干净的。

进口喇叭采用上进风型式，烟气通过预热器C01下降管接入到除尘器进口，粗颗粒粉尘先经过进口喇叭的气流封板进行一部分机械除尘，根据以往的工程案例反复推算，该部分机械除尘可以达到20~30%的效率。粗颗粒经过气流均布板通过撞击等失去动能，顺延进口喇叭底部壁板掉落在灰斗中，其余细颗粒或者较细和偏细的颗粒粉尘随烟气进入电场。由于电除尘在高温时荷电能力偏弱、电场效率较低，但也能保证50~70%的效率范围，不同温度下烟气粉尘的比电阻关系以及在静电除尘器中的除尘效率的影响[7]。因此确保进入袋区的粉尘可以在30g以下，袋区的粉尘浓度得到有效控制，减少袋区粉尘对高温金属滤料的冲刷，延长滤袋的使用寿命。

图8高温电袋除尘+SCR脱硝技术工艺路线

另外值得的探讨的是，经过电袋除尘+SCR脱硝技术方案改造后，水泥窑尾烟气系统，后续只要进行简单的改造升级，如图9所示，把生料磨系统的烟气进出接口改到电袋尘硝一体化设备的前端，把原布袋除尘器和增湿塔取消，增加烟气余热回收利用的节能系统，即可实现节能环保的升级改造，保证环保的同时为企业降低生产成本。

图9高温电袋除尘+SCR脱硝技术工艺路线对窑尾烟气系统的完善和改造升级

1.4 SCR脱硝技术工艺路线比较

表1-脱硝技术工艺路线比较

2电袋除尘+SCR脱硝技术工艺路线工程案例

河南某特种水泥厂1200t/d熟料水泥生产线，标况烟气量为150000Nm³/h，窑尾C1出口烟气粉尘含量100g/ Nm³，烟气温度320℃，烟气从窑尾预热器出来后，经高温风机后分成两路烟气走向，一路去增湿塔，另一路去生料磨、物料分离器、物料风机后与增湿塔出口管路相连接汇合，烟气再进入到布袋除尘器除尘后经引风机送入到烟囱而排放到大气中。

本工程项目技术方案采用电袋除尘+SCR脱硝技术工艺路线，即在窑尾预热器C1出口与高温风机之间接入电袋尘硝一体化设备，改造后端烟气系统工艺流程如图8所示，从投运半年以来，氮氧化物浓度排放稳定性、氨逃逸极少、以及设备进出口差压和袋区压差也很稳定，如图9-12所示。

图10-氮氧化物排放

图11-氨逃逸

图12-系统和袋区除尘差压

如图9-12所示，通过对本项目实际运行数据整理分析可知，水泥窑尾烟气经电袋尘硝一体化技术改造后，电袋尘硝一体化系统的阻力值稳定在1300Pa左右，比预期设计值1800Pa低；烟气的氮氧化物排放浓度稳定在30mg/Nm³以下，氨逃逸量稳定在2.5mg/Nm³以下，达到极好的改造效果。

3结论

（1）水泥窑尾烟气进行脱硝超低排放技术改造时，宜选择高温预除尘结合SCR脱硝的工艺技术路线，且首选高温电袋除尘+SCR脱硝一体化技术，此技术容易实现脱硝超低排放标准50mg/Nm³以下，氨逃逸可控制在2.5mg/Nm³以内。

（2）采用高温电袋除尘+SCR脱硝一体化技术，SCR脱硝催化剂使用寿命长，无运维费用，系统阻力相对较低，投资运维的综合成本低。

（3）水泥窑尾烟气采用高温电袋除尘+SCR脱硝一体化技术改造后，有利于后续烟气系统流程的进一步优化完善，即改造生料磨烟气系统的烟气进出接口至一体化设备烟气进口前端，取消原有布袋除尘器等高温风机后端的原有设备，同时增设节能设备，达到环保与节能的有机统一。

参考文献

[1] 马现奇，高旭东等. 国内水泥行业氮氧化物治理及氨排放浅议[J]. 中国水泥, 2019, 05:78-80.

[2] 郝晓波. 水泥行业氮氧化物减排探讨[J]. 中国水泥, 2012, 04:53-56.

[3] 王鹏. 水泥行业氮氧化物减排现状分析[J]. 能源与节能, 2014, 01(100):89-113.

[4] 陈跃勋，张训. 对水泥脱硝技术的探讨[J]. 广东建材, 2016, 08:33-35.

[5] 李海波，雷华等. 水泥窑烟气SCR脱硝技术应用[J]. 中国水泥, 2019, 02:46-49.

[6] 王金旺, 李春祥，刘雷陈. 一种水泥工业烟气除尘脱硝一体化治理系统[P]. 中国：ZL 201921422452.3, 2019.

[7] 全国勘察设计注册工程师环保专业管理委员会，中国环境保护产业协会. 注册环保工程师专业考试复习教材,大气污染防治工程技术与实践（上）[M]. 第四版.北京：中国环境出版社，2017:34-77.

作者简介：

王金旺（1974-11），男，福建永定人，硕士研究生，主要从事节能环保技术研发工作。

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