SCR脫硝技術(shù)推廣未來可期——訪中國建材研究總院教授、中低溫SCR脫硝工程技術(shù)研發(fā)項目負(fù)責(zé)人汪瀾
近年來，隨著國家環(huán)保政策收緊、管控力度的加大，各地對于水泥工業(yè)氮氧化物（NOx）排放要求更加嚴(yán)苛。如何加強水泥工業(yè)大氣污染物治理、保護生態(tài)環(huán)境、減少污染物排放、實現(xiàn)綠色發(fā)展仍是水泥工業(yè)面臨的緊迫任務(wù)。
2020年12月18日，《中國建材報》刊登了《國內(nèi)外首臺套水泥窯爐中低溫?zé)煔釹CR脫硝工程項目通過專家評審》的消息。該項目通過評審意味著我國水泥工業(yè)實現(xiàn)了煙氣脫硝技術(shù)的超越和引領(lǐng)，為水泥工業(yè)大氣污染物治理、節(jié)能減排及綠色發(fā)展提供了堅實有力的技術(shù)支撐。消息一經(jīng)發(fā)布，便受到水泥行業(yè)多方面的關(guān)注，不少水泥生產(chǎn)企業(yè)來電咨詢此項技術(shù)的詳細(xì)情況。為此，《中國建材報》記者采訪了項目負(fù)責(zé)人汪瀾，希望通過他的詳細(xì)解答能為相關(guān)企業(yè)了解、掌握和應(yīng)用這項工程技術(shù)提供更多的幫助。
記者：我國是水泥生產(chǎn)大國，在水泥制造過程中會產(chǎn)生大量的NOx，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此降低水泥窯NOx的排放刻不容緩。針對工業(yè)窯爐NOx減排，我國有哪些具體要求？
汪瀾：保護環(huán)境是我國的基本國策?！豆I(yè)窯爐大氣污染綜合治理方案》提出“完善工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理管理體系，推進工業(yè)爐窯全面達標(biāo)排放，實現(xiàn)工業(yè)行業(yè)二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物排放進一步下降?！?/span>
以火電廠為主體的煤電行業(yè)通過采用催化還原技術(shù)（SCR），已經(jīng)實現(xiàn)全行業(yè)的超低排放。鋼鐵行業(yè)也是先行一步，到2025年年底，全行業(yè)力爭80%以上產(chǎn)能完成超低排放改造，即排放煙氣中顆粒物、SO2和NOx濃度分別低于10mg/m3、35mg/m3和50mg/m3。
記者：對于超低排放水泥行業(yè)有什么具體要求嗎？目前NOx減排及工程技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀如何？
汪瀾：我國年生產(chǎn)水泥熟料約為13億噸，按NOx排放系數(shù)為1.5kg/t熟料至1.8kg/t熟料算，2020年我國水泥工業(yè)窯爐排放的NOx約為200萬噸，占全國NOx總排放量的10%，也是繼火電發(fā)電廠和機動車之后的第三大排放源。
目前，國內(nèi)水泥工業(yè)執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)為《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2013）。一些地方還出臺了更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，例如，浙江省出臺的地方標(biāo)準(zhǔn)要求到2025年水泥窯爐煙氣NOx排放濃度小于50mg/Nm3。此外，環(huán)保部頒發(fā)的《重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排技術(shù)指南》則要求，水泥生產(chǎn)采用SNCR、SCR等技術(shù)達到超低排放，并且噸水泥熟料氨水耗量小于4kg，才能認(rèn)定為A級企業(yè)，享受相應(yīng)的政策支持。
我國水泥工業(yè)從2007年開始全面推廣非催化還原技術(shù)（SNCR)。SNCR技術(shù)的脫硝效率可高達60%。這期間還有研究采用分級燃燒技術(shù)，即通過控制分解爐及管道中的燃燒工況，用不完全燃燒產(chǎn)生的CO來還原NOx。分級燃燒技術(shù)的脫硝效率約為30%。2018年開始學(xué)習(xí)引入國際上水泥窯爐煙氣SCR脫硝技術(shù)，典型案例有河南登封宏昌水泥采用的高溫中塵SCR技術(shù)和山東濟寧海螺水泥采用高溫高塵SCR技術(shù)。
煙氣中低溫SCR脫硝工藝流程圖
記者：SNCR技術(shù)與SCR技術(shù)都是采用氨水作為脫硝還原劑，SNCR與SCR這兩種技術(shù)有什么區(qū)別呢？
汪瀾：SNCR是將氨水噴入到分解爐及連接管道中，在800℃以上的高溫區(qū)，NH3分子與NOx分子直接碰撞反應(yīng)，形成N2和H2O。SCR技術(shù)是在窯爐煙氣小于320℃的區(qū)域布置了脫硝反應(yīng)器，并在反應(yīng)器中安裝了多層催化劑材料。這類催化劑材料對NH3分子和NOx分子都有很強的吸附能力，使煙氣中的NH3分子和NOx分子能在催化劑表面產(chǎn)生有效接觸碰撞，進而大大加快了反應(yīng)的進行。SCR技術(shù)脫硝效率可以大于95%，并且可大大降低氨逃逸。
記者：SCR技術(shù)脫硝效率高，可以實現(xiàn)水泥窯爐煙氣NOx超低排放，但如何與既有的水泥生產(chǎn)線進行配套呢？
汪瀾：SCR反應(yīng)器可以布置在預(yù)熱器C1級筒后，布置在余熱鍋爐后，或是布置在布袋收塵器后，這就產(chǎn)生了“高溫布置”“中低溫布置”和“超低溫布置”幾種不同的模式。目前，“高溫布置”和“中低溫布置”技術(shù)都已得到實際工程應(yīng)用，可以認(rèn)為是較為成熟的工程技術(shù)，“超低溫布置”技術(shù)還在深入的研究之中。
“中低溫布置”結(jié)合了“高溫布置”除塵和不除塵兩種形式的優(yōu)點，即SCR反應(yīng)器置于余熱鍋爐后，這樣對窯爐運行及余熱鍋爐發(fā)電效率都沒有任何影響，由于余熱鍋爐中煙氣粉塵的自然沉降，進入到SCR反應(yīng)器中的煙氣粉塵濃度僅約為55g/m3，與帶除塵器的“高溫布置”基本相當(dāng)。
記者：中低溫SCR脫硝催化劑材料技術(shù)有什么創(chuàng)新？在實現(xiàn)工程化應(yīng)用做了什么工作？
汪瀾：SCR脫硝技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)、鋼鐵行業(yè)等工業(yè)部門，但采用的SCR催化劑材料工作溫度窗口大多高于300℃。
中低溫SCR脫硝技術(shù)的核心是中低溫SCR脫硝催化劑材料技術(shù)。研究團隊對傳統(tǒng)的高溫催化劑材料進行改進性研究，通過添加強吸附功能材料，使催化劑材料對NH3分子和NOx分子吸附能力增加了數(shù)倍；通過添加微量過渡金屬元素，使NH3分子與NOx分子反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移加速，反應(yīng)速率大幅度提高；通過新的加工制備工藝，使催化劑材料的表面積和孔容增加、耐磨性能也有顯著提高，最終實現(xiàn)了高性能中低溫催化劑材料的商業(yè)化生產(chǎn)。
此后，我們開展了中低溫SCR脫硝催化劑材料技術(shù)及工程化應(yīng)用的中試研究。中試研究首先是建立了高18m的小型SCR反應(yīng)器，催化劑3+1層布置，每層布置一個尺寸為1910×970×1010催化劑模塊，催化劑每層裝有吹灰裝置；引入的煙氣量為10000m3/h，溫度為200℃，含塵量為55g/m3；煙氣中NOx濃度平均為300mg/m3，SO2濃度平均為600mg/m3，但有時會高達1600mg/m3。通過近2年中試裝置的連續(xù)運行，驗證了中低溫SCR脫硝催化劑材料的長期高效穩(wěn)定性，同時也驗證了中低溫SCR脫硝工藝技術(shù)路線的可行性。2019年8月17日，“水泥窯中低溫SCR脫硝催化劑研發(fā)和應(yīng)用”通過由中國建材聯(lián)合會組織的項目鑒定，專家意見認(rèn)為“達到國際先進水平”。
記者：與5000t/d生產(chǎn)線配套建設(shè)煙氣中低溫SCR脫硝項目是一個大工程，請您介紹一下工程建設(shè)的背景。
汪瀾：前期的實驗室研究及實際工況條件下的中試試驗，形成了工程化應(yīng)用的工藝技術(shù)方案，這也得到了上海南方水泥有限公司的肯定，并安排在長興南方水泥有限公司5000t/d生產(chǎn)線上配套建設(shè)水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝工程項目。企業(yè)的5000t/d生產(chǎn)線日產(chǎn)熟料可達6300t，窯尾煙氣量360000m3/h。生產(chǎn)線帶有精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)，氨水用量為350L/h至400L/h，窯尾煙囪NOx排放濃度控制在260mg/m3至280mg/m3。
由于煙氣中低溫SCR脫硝反應(yīng)器是布置于余熱鍋爐之后，并且截面尺寸和高度都比高溫SCR脫硝反應(yīng)器小很多，故選擇在生產(chǎn)線原有SNCR氨水儲存庫上方建設(shè)，這樣就不會占用原有的任何場地，而且與窯尾煙氣的流向管道布置沒有任何拐角彎頭，滿足了水泥生產(chǎn)線工藝設(shè)備布置的基本原則要求。
記者：中低溫SCR脫硝反應(yīng)器都有哪些關(guān)鍵工藝設(shè)備？它們有什么作用？
汪瀾：設(shè)計的脫硝反應(yīng)器截面為64m2，凈高為34m，框架結(jié)構(gòu)總重量350t。盡管反應(yīng)器的總體積大大縮小，但反應(yīng)器內(nèi)布置有4+1層催化劑模塊，作為脫硝反應(yīng)的核心。每層催化劑上方緊密布置耙式吹灰器，周圍則布置聲波吹灰器；通過耙式吹灰器和聲波吹灰器的配合，防止了催化劑上方的任何積灰現(xiàn)象。整個SCR脫硝反應(yīng)器的壓力降僅為320Pa。
脫硝反應(yīng)器自帶有精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)，可以獨立進行全煙氣的脫硝；也可以與SNCR耦合，利用SNCR噴氨多余產(chǎn)生的氨逃逸進行最終的煙氣脫硝。氨水由熱盤管加熱蒸發(fā)，不增加電耗。
脫硝反應(yīng)器帶有壓力、濃度、煙氣成分等眾多在線檢測分析儀表儀器，新增DCS控制系統(tǒng)，做到遠(yuǎn)程監(jiān)控和啟停，并接入全生產(chǎn)線集散控制系統(tǒng)。
長興南方水泥有限公司俯瞰圖
記者：目前長興南方與5000t/d生產(chǎn)線配套的煙氣中低溫SCR反應(yīng)器運行情況怎么樣？
汪瀾：在長興南方的中低溫SCR反應(yīng)器及整個工程于2020年7月進行調(diào)試并投入試運行，并且也進行了一些優(yōu)化改進。根據(jù)國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)的現(xiàn)場檢測及中國建材聯(lián)合會和中國水泥協(xié)會聯(lián)合組織的專家評審會意見如下：自主研發(fā)了稀土耦合釩鈦體系的中低溫SCR脫硝催化劑，系統(tǒng)優(yōu)化了催化劑的化學(xué)組成設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)形態(tài)與催化性能之間的關(guān)系，解決了催化劑對SO2等成分的敏感性問題，實現(xiàn)了在170℃至220℃窗口溫度催化劑脫硝效率可達90%。設(shè)計開發(fā)出水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝工藝技術(shù)，建成國內(nèi)外首臺套水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝反應(yīng)器及其工藝技術(shù)裝備，實現(xiàn)工程穩(wěn)定運行。工業(yè)化應(yīng)用連續(xù)運行表明：脫硝效率達到90%、NOx排放濃度小于50mg/m3、氨逃逸小于5mg/m3。項目成果開拓了水泥煙氣治理的新技術(shù)路線，實現(xiàn)水泥煙氣中低溫SCR脫硝技術(shù)的重大創(chuàng)新和突破，為水泥工業(yè)節(jié)能減排、綠色發(fā)展提供了有力技術(shù)支撐。
記者：研究團隊成功研發(fā)了中低溫SCR脫硝催化劑材料，并實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。那么未來在推廣該項工程技術(shù)上有什么計劃呢？
汪瀾：我們希望能將這項工程技術(shù)推廣應(yīng)用到更多的水泥生產(chǎn)企業(yè)，以便為這些企業(yè)的評級和長期可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。具體講，對于有設(shè)計及工程建設(shè)能力的水泥集團公司，我們可以僅提供SCR脫硝技術(shù)咨詢和催化劑材料，以便使相關(guān)的水泥集團公司全面掌握這項工程技術(shù)，實現(xiàn)最少的投入和最大的環(huán)保收益。如有需要，我們也可以為水泥生產(chǎn)企業(yè)提供EPC服務(wù)，共同打造水泥行業(yè)節(jié)能環(huán)保引領(lǐng)示范工程。