高温高尘SCR脱硝技术的应用

我公司目前拥有两条4 000t/d熟料生产线，A线由天津水泥工业设计研究院设计，于2004年3月点火投产；B线为河北省建筑材料工业设计研究院设计，于2011年1月6日点火生产。B线采用的是Φ4.8m×72m回转窑与五级预热器相匹配的方案，同时煤磨、生料立磨都是从窑尾取风。本文就此二线高温高尘SCR系统的优势与应用实例和大家探讨。1、必要性根据2020年6月29日生态环境部办公厅发布的《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南（2020年修订版）》（环办大气函[2020]340号）中水泥企业绩效分级指标中，差异化指标污染治理技术、排放限值中规定，A级企业水泥窑配备两种及以上低氮燃烧技术，窑尾配备SNCR/SCR等脱硝设备，氨水用量＜4kg/t，窑磨同步运转率大于80%。PM、SO2、NOx排放浓度分别不高于10mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3，氨逃逸≤5mg/Nm3。2022年10月17日，唐山市生态环境局下发《关于开展焦化、水泥、玻璃、燃煤发电行业企业深度整治工作的通知》（唐环气[2022]2号）文件，对域内水泥企业脱硝系统提出了具体的升级要求，要求在产水泥熟料企业在现有SNCR脱硝设施的基础上，配套建设SCR脱硝设施。SCR脱硝工艺的氨逃逸不高于2.5mg/Nm3。目前，我公司使用的是SNCR氨水脱硝系统，为保证氮氧化物排放达标，系统氨水用量偏大（约合1.1m3/h左右），系统氨逃逸值低于8mg/Nm3左右，在与窑系统配套的两台生料立磨全部停止运行30min以上时会造成氨逃逸值波动，存在一定的环保压力。为满足环保要求与生产需要，提高环保绩效管理水平，对水泥窑烟气脱硝系统进行升级改造势在必行。2、SCR不同技术方案的比较我公司根据现有几种SCR脱硝工艺运行的现状，重点研究和比较了高温高尘、高温中尘和中温中尘三种工艺。2.1高温高尘高温高尘SCR脱硝指水泥窑尾废气从预热器C1出口直接进入SCR脱硝系统，烟气中的NOx与还原剂氨水等充分混合，在催化剂作用下发生还原反应，生成氮气和水。该处的烟气温度在280~400℃，适合于多数催化剂。由于C1出口烟气中粉尘浓度多在100g/Nm3以上，催化剂出现堵塞的可能性较大，且易加快催化剂的磨损，此时就需配置一套安全可靠高效的清灰系统来保障设备运行。高温高尘工艺在增加脱硝反应塔及进入口烟道后阻力增加约800~1 000Pa（初装3层催化剂）。2.2高温中尘高温中尘SCR脱硝技术是从C1出口的窑尾烟气先经过高温电除尘器进行预处理，使粉尘浓度降低到30g/Nm3左右，然后再进入SCR脱硝反应塔进行脱硝处理。这样可以大大降低粉尘对催化剂的磨损和堵塞。采用该脱硝工艺缺点也很明显，占用空间较大，系统阻力增大，运行费用略高。2.3中温中尘中温中尘SCR脱硝设备通常布置在高温风机之后，或者高温风机与窑尾余热锅炉之间，烟气温度通常在180~230℃，粉尘50~60g/Nm3。在一定程度上缓解了催化剂的堵塞、磨损等问题。反应塔设置在余热锅炉之后，对余热发电量几乎没有影响。工况烟气量小，SCR反应塔占地面积略小。但是此温度区间，烟气中的SO3易与NH3反应形成硫酸氢铵，其具有黏性，使粉尘附着在催化剂表面，易造成催化剂微孔堵塞，中毒失活。中温中尘工艺在增加脱硝反应塔及进出口烟道后增加阻力约800Pa。3、高温高尘SCR脱硝技术的应用目前我公司两条窑系统全部采用了高温高尘SCR脱硝技术，窑尾NOx排放浓度能够稳定在50mg/Nm3以下。下面以B线为例进行介绍。3.1整体技术方案在已有SNCR系统的基础上，新增高温高尘SCR脱硝设施，整个脱硝系统由氨水循环输送系统、计量/喷射系统、SCR反应塔、脱硝烟道系统、催化剂系统、吹灰系统、压缩空气系统、输灰系统等组成。在设计SCR方案时，对现有SNCR系统喷氨点位置进行优化。新建SCR脱硝系统，由于位置与工艺布置原因，拆除了原增湿塔系统，拆除增湿塔后的框架作为SCR反应塔的基础支撑，从C1出口汇总管道处新建管道，将烟气引至脱硝反应塔，后经管道回窑尾锅炉进口。设置旁路烟道和旁路挡板门，在启窑初期烘窑阶段，为避免烟气中水分凝结、烟气升温过快损坏催化剂，此时烟气从旁路通过。待通过吹灰压缩空气对催化剂升温至酸露点以上后，关闭旁路挡板。新增压缩空气系统，作为耙式清灰器的气源。新增管道喷淋降温系统，代替拆除的增湿塔作用。3.2补充喷氨系统为保证SCR脱硝效率和出口氨逃逸浓度满足设计要求，在C1预热器烟气入口增设氨水喷枪，作为补充喷氨系统。我公司选用了5支双流体喷枪，布置在C1余热锅炉旁路挡板下方管道上。喷枪沿管壁均匀布置且分组控制，以减少压缩空气的损耗。还原剂为20%的氨水溶液，来自原有氨水储存系统。氨水由两台加压泵（1开1备）输送至雾化喷嘴，泵电机为变频电机，泵的转速与窑尾烟囱NOx的排放量形成PLC程序联锁，实现按排放量喷氨。喷枪喷嘴等关键部件的外表面经过特殊处理，耐磨、耐腐、耐高温性能优越，能将氨水雾化成细小液滴，扩散角度大，覆盖范围广，整个雾化系统都有PDI功能回路，实现了精准喷氨，降本增效。3.3烟气管道系统烟气管道系统由反应塔进风管、反应塔回风管、旁路风管组成，用于实现SCR系统、PH炉、增湿系统（塔/管）在各种工况下切换从而保证水泥生产线正常运行，每个风管在合理位置设有电动阀门及膨胀补偿装置。由于新增的SCR脱硝系统布置在窑尾增湿塔位置，取消了增湿塔，而利用Cl出口风管汇合后的直管段，在直管道内安装双流体管道增湿喷雾系统，并采用变频调节，从而使烟气经管道增湿降温后进入高温风机。PH炉停用，生料磨开一台磨机时，入磨温度可达到215~230℃；生料磨全停，进窑尾收尘器的烟气温度可控制在180℃±15℃（根据实际布袋耐受温度调整）。PH炉运行时，管道增湿喷雾系统可不运行。管道与SCR壳体外保温采用加厚形式，厚度140~200mm，最大程度防止热量损失。由于反应塔及烟道表面散热，加之部分飞灰在反应塔内自然沉降，会造成余热发电量下降约0.6~1kWh/t，因此旁路风管需根据现有水泥生产线实际情况决定改造或者新增。为防止SCR运行时旁路风管漏风从而影响脱硝效率，旁路风管阀门需采用高性能密封阀门。SCR反应塔布置在C1预热器出口与高温风机入口之间，只需要对现有管道进行改造，而SCR及钢支架等施工不影响水泥窑生产线的运营，停窑时烟道改造对接即可。3.4反应塔反应塔为4层设计，其中1层为备用层。反应塔内部布置有导流板、整流栅格、催化剂、催化剂支撑梁、加强筋等。为减小粉尘对催化剂的磨损，反应塔入口烟道结构设计合理，并在SCR反应塔入口及出口设置导流、均流装置，以保证烟气在进入第一层催化剂时入射角度。SCR反应塔外壁一侧在催化剂层处设有检修门，用于将催化剂模块装入催化剂层。每个催化剂层都设有人孔门，方便在机组停运时进入检查催化剂模块。烟气从反应塔的顶部进入并且垂直向下通过反应塔，反应塔横截面和催化剂的层间距设计，符合烟气的特点要求、催化剂的运行要求及脱硝装置运行维护与检修的要求。在反应塔的竖直段装有催化剂床，在出口端设置回灰收集灰斗。反应塔催化剂层间安装吹灰器用来吹除沉积在催化剂上的灰尘和SCR反应副产物，以减少反应塔压降。反应塔内部易于磨损的部位设计必要的防磨措施，并且各类加强板、支架设计成不易积灰的型式，同时考虑热膨胀的补偿措施。反应塔设置旁路系统。在开机阶段，要求烘窑烟气走旁路管道，不能直接进入反应塔，防止升温过快、烟气水分过大以及酸性成分对催化剂使用寿命造成很大影响。同时，使用加热器对清灰压缩空气进行加热，然后加热反应塔系统，待反应塔系统温度达到酸露点温度以上才能让窑尾烟气进入反应塔系统。另外当出现异常工况或反应塔需停机等紧急情况时，也可开启旁路系统，保护反应塔。反应塔壳体见图1。图1反应塔壳体3.5催化剂目前市场上主流的SCR催化剂有三种，分别为蜂窝式、平板式与波纹板式。经跟踪、走访研究发现，蜂窝催化剂较适合水泥行业的烟气及粉尘特征，因此我公司选择了蜂窝式催化剂。催化剂设置方式为3+1层，初装3层，1层备用。满足不低于92%的设计脱硝效率，这样的工艺配置不仅可以满足催化剂的更换，还具有更高的政策安全边际，可满足未来更严格的氮氧化物排放标准要求。催化剂进气端作边缘硬化处理，以增强催化剂耐磨性，从而减弱飞灰对催化剂的冲刷影响。催化剂设计已考虑燃料中可能含有的微量元素导致的催化剂中毒。首先装入3层，运行2年后加装第四层，之后每一年更换一层。催化剂更换周期见表1。表1催化剂层安装数随时间变化情况注：X为需要在相应年份更换的催化剂层。3.6气流均布设计为了保证良好的脱硝效果，要求烟气在SCR反应塔内部必须均匀分布。SCR系统喷氨点位于分解炉出口、C5旋风筒和C1旋风筒进风管上。氨水经压缩空气雾化后喷入，与烟气充分混合均匀后进入反应塔（混合时间达5s以上）。SCR反应塔进口处气流均布主要措施有：（1）尽量设计接近正方形的反应塔截面，避免狭长型反应塔截面，减少气流分布偏差；（2）在反应塔入口设置气体导流板，提高气流分布的均匀度；（3）尽量拉长反应塔入口的变径管，减小风管截面变化幅度。SCR反应塔入口导流板结构见图2。图2SCR反应塔入口导流板3.7清灰系统考虑到清灰用压缩空气的温度要求，压缩空气管道和SCR反应塔集灰斗处安装有管道换热器。SCR系统启动阶段，压缩空气经电加热器加热至150℃后供SCR反应塔耙式清灰器吹扫工作；SCR系统正常运行时，关闭电加热器，压缩空气经旁路管道至集灰斗处管道换热器换热至200℃后，供耙式清灰器吹扫工作。耙式清灰器结构见图3。图3耙式清灰器结构3.8压缩空气系统由于原系统空压机需要供窑系统与原料、矿山系统使用，为保险起见，新增3台螺杆式空压机及其配套干燥机和压缩空气储罐等设备，空压机2用1备，为清灰系统提供压缩空气。配套加热系统，仅在烘窑启动阶段使用。3.9回灰系统S