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1、水泥窑高温高尘SCR脱硝工艺设计及影响探讨摘要介绍水泥窑高温高尘SCR脱硝超低排放工程应用情况，分析了SCR系统投运后对水泥窑及余热发电系统的影响。对高温高尘SCR脱硝烟气特性及关键工艺设计进行分析，在催化剂选型、流场设计、吹灰系统设计等方面提出建议，为其他类似工程提供借鉴。O引言水泥窑高温高尘SCR脱硝技术成熟、效率高（可达到90%以上）、投资省、占地面积小、布置相对灵活，运行成本稍低，在水泥窑NoX超低排放上得到了广泛的应用。SCR反应器布置在Cl预热器出口与窑尾余热锅炉之间，烟气中粉尘浓度高、粒径小、碱性成分大且黏性高，高粉尘运行条件下，存在催化剂磨损、堵塞、碱金属及重金属中毒的风险。为
2、解决水泥窑高温高尘SCR脱硝工艺设计难点，以某5000t/d熟料生产线高温高尘SCR工程工艺设计为例，进行介绍并分析。1工艺系统的组成水泥窑高温高尘SCR脱硝工艺系统由氨水储存、供给与喷射系统、烟气管道系统、反应催化系统、清灰系统、卸灰系统、压缩空气系统、电气及自动化系统组成。氨水储存、供给与喷射系统主要包括氨水储罐、氨水泵、计量分配及雾化喷枪，计量分配需精确，喷枪需要有较好的雾化效果，有一定的穿透力，使氨水均匀覆盖整个烟道截面；烟气管道系统主要包括SCR反应器进出口烟道、挡板门、膨胀节等设备；反应催化系统主要包括SCR反应器及催化剂，反应器进口需要设置导流板、格栅板等导流、均流装置；清灰系统
3、采用声波+耙式组合式清灰方式，将催化剂表面积灰清除，保证孔隙不堵灰，以免影响脱硝效果；压缩空气气源来自空压机，气源压力1.0MPa,保证至耙式吹灰器前不小于0.6MPa,声波吹灰器前不小于04MPa,压缩空气经过干燥、过滤，通过反应器下部的管式换热器，经过烟气加热升温至200250C；反应器下部设置灰斗和拉链机等输灰设备，用以将沉降下的粉尘，就近输送至入生料库斗式提升机；反应器进出口烟道及每层催化剂设置温度、压力仪表，用以监测系统的运行状况，实现与中控操作系统的无缝衔接，便于运行操作。高温高尘SCR脱硝系统工艺流程见图K图1高温高尘SCR脱硝系统工艺流程2关键工艺设计根据水泥窑高温高尘SCR脱
4、硝入口烟气条件，设计中主要围绕克服高粉尘浓度、高黏性粉尘给催化剂带来的磨损、堵塞、中毒等不良影响展开工作，主要包括催化剂的选型设计、SCR反应器入口流场设计、清灰系统设计。2.1 催化剂选型设计结合水泥窑烟气特性、工程运行稳定性、投资风险等因素综合考虑，高温高尘SCR脱硝宜选用大节距蜂窝式催化剂。其为整体挤压成型，端面为蜂窝状，经焙烧而成的催化剂，载体材料为TiO2,活性物质多为伺、锐、铝的氧化物。2.1.1 催化剂体积量的确定催化剂是SCR脱硝系统的核心部分，其配方和体积量的选择决定着项目的成败。首先根据烟气温度、烟气量、NOX浓度、S02氧化率、烟气中有毒物质等设计条件确定催化剂的基本配方
5、。根据烟气中灰分含量，确定催化剂的孔数，结合NOX控制目标值及氨逃逸浓度，使用催化反应的动力学方程，计算出催化剂空间速度，与标况烟气体积流量相除后，催化剂基本体积量就确定下来了。要得到实际工程催化剂用量体积，还需要根据催化剂化学寿命要求、烟气流速、烟气中有毒有害成分浓度、水分含量等条件进行多项修正。另外催化剂体积量大小，还受流场均匀性的影响，通常确定的催化剂体积量都对应一定的速度场、温度场、NH岁NoX摩尔比偏差等反应器入口烟气流场均布指标。通过修正以上影响因素，考虑一定的体积余量，就可以得出工程中实际催化剂体积用量。在设计过程中，比较难确定的因素主要是烟气中的有毒有害物质。为获得合适的催化剂
6、配方和准确的体积量，保证工程成功运行，对生产线窑尾大布袋回灰和窑尾余热锅炉回灰进行了取样分析。灰分中含有碱金属、鸵和种元素等物质，这些都是可以使催化剂中揖的有害物质。检测结果见表1。表1回灰主要有害成分含量项目CaO%Tl(mgkg)As(mgkg)窑尾大布袋回灰52.81125.133余热发电回灰52.49396.28.6不同于电力、钢铁等其他行业，水泥窑烟气粉尘中往往含有钝元素，在催化剂配方和体积量选择时需要重点考虑诧元素对催化剂的毒化作用。2.1.2 催化剂孔数选择由于烟气中粉尘含量较高（粉尘浓度70100g/Nm3）,采用“11孔+13孔组合式蜂窝催化剂，即首层催化剂（首先接触烟气）选
7、用更大孔径的11孔催化剂，剩下3层选用13孔蜂窝式催化剂。首先与烟气接触的催化剂在脱除NOX的同时起到均流的作用，更容易磨损和堵灰，所以第一层选用更大孔径和壁厚更厚的11孔蜂窝式催化剂，粉尘通过性更好，更加耐磨损。13孔蜂窝催化剂比表面积比11孔催化剂大，剩下3层采用13孔催化剂可以节约催化剂体积量，节约工程总投资。表2为某催化剂厂水泥用蜂窝式催化剂规格。表2水泥用蜂窝式催化剂规格孔数内壁厚mm外壁厚mm孔尺寸mm节距mm开孔率/%几何比表面积/（m2m3）91.72.514.616.376.74210111.42.111.9813.3877.21258131.32.010.0311.3375
8、.563012.1.3孔内流速的选择反应器内气流速度过快，烟气中的粉尘长期冲刷催化剂迎风面，催化剂的机械强度会下降；气流速度过慢，高浓度的粉尘会沉积在催化剂表面，催化剂孔道堵塞几率增大。结合烟气中粉尘浓度、粉尘特性及催化剂壁厚、开孔率等参数综合考虑，催化剂孔内流速宜选取4.56ms.2.1.4 催化剂主要设计参数根据CI出口烟气参数、粉尘浓度、回灰成分检测结果，工程催化剂选型参数见表3。表3催化剂选型参数序号技术参数数据1型式蜂窝式11孔(首层)/13孔2基材TiO23活性化学成分V2O5WO34反应器内催化剂层数(初始/将来)4/55每层催化剂模块数量406模块类型箱式7每个模块的尺寸(长X
9、宽X高)mm191997010708节距(PitCh)mm13.38/11.339壁厚mn1.4/1310开孔净距离mm11.98/10.0311催化剂比表面积/(m2)258/30112催化剂空隙率/%77.21/75.613催化剂体积总用量1122514烟气空间速度h173315催化剂孔内流速/(ms)4.752.1.5 SCR反应器入口流场设计SCR反应器入口烟气速度分布、NHTNoX摩尔比分布、温度分布、烟气入射角度是脱硝效率、氨逃逸控制及催化剂堵塞和磨损的关键影响因素。对于烟气速度分布和NH歹NoX摩尔比分布，通常采用标准偏差与平均值的商表示偏离系数Cv;烟气入射角度偏差指烟气速度流
10、线与第一层催化剂床层表面垂直方向线的偏角。SCR反应器入口流场偏差设计值见表4。表4SCR反应器入口流场偏差Cv设计值NHNO,Cv/%速度偏差，以/%温度/qC烟气入射角度/(o)5151010由于利用了原SNCR系统的分解炉鹅颈管、C5旋风筒等处的喷氨点位，经过了五级预热器混合，进入SCR反应器时NH3与NOX混合时间超过5s,氨气浓度场分布较为均匀。同样由于多级预热器及管道换热，进入SCR反应器烟气温度场也十分均匀。所以一般水泥窑高温高尘SCR流场均布主要是烟气速度分布和烟气入射角度偏差。利用计算机流体力学软件CFDF1.UENT,对SCR脱硝反应器及烟道进行了流场模拟分析,采用组合式导
11、流+均流的设计方案，通过分层分区设置导流板、均布板实现均流的目的，见图2。图2导流、均流设计示意以导流板设置为基础，进行了流场模拟，如图3图5。pathhner1VelocityMaQmtude14oeo36821327O12C60124501204163tO1123*O1e.Tetoo4oetoOoOWO图3烟气流线图图5压力场分布云图距离最上层催化剂床层入口位置100mm高度位置的截面流场模拟结果见表5.表5流场模拟结果速度场均匀度，值/%最大温度绝对偏差/PSCR系统压力降/Pa4.54对水泥窑尾设备的影响4.1 对余热锅炉发电量的影响整个SCR脱硝系统，反应器及进出口烟道全部采用容重为
12、150kg/m3、250mm厚的硅酸铝棉毡进行保温，整个系统的温降约60Co工厂统计余热发电系统月平均发电量18.4kWht,比SCR系统投运前19.2kWh/t降低约0.8kWht.4.2 对高温风机的影响SCR脱硝系统投运后，高温风机电机频率由40Hz上调至41-42Hz,烟气阻力增加约650Pa,增加的阻力将由高温风机来负担。SCR脱硝系统投运前高温风机入口负压约5800Pa,投运后高温风机入口负压约6450Pa,假设SCR脱硝系统投运前后高温风机入口烟气量707080mVh保持不变,经计算因SCR脱硝系统阻力引起的高温风机电耗增加约170kWhh(,4.3对生产线运行成本影响分析SCR
13、脱硝系统主要运行成本来自于空压机等运行设备电耗、系统阻力引起的高温风机电耗的增加、氨水消耗及定期更换催化剂的费用，运行费用统计见表九表7脱硝系统运行费用分析表名称项目明细数值吨熟料氨水耗量/（kgt）2.8氨水(20%)氨水价格/（元九）707吨熟料氨水费用/（元/D1.98吨熟料脱硝系统电耗/（kWht）1.38SCR系统投运后电耗高温风机增加电耗/（kWht）电价/（元/kWh）0.660.65运行费用1.33吨熟料电价/（元八）年平均更换体积/（113a）57.5催化剂更换费用催化剂单价/（万元/mb1.6吨熟料催化剂费用/（元八）0.75合计吨熟料总费用/（元t）4.06吨熟料氨水耗量
14、/（kgt）4.7氨水(20%)氨水价格/（元t）707原SNCR系统吨熟料氨水费用/（元九）3.32吨熟料脱硝系统电耗/（kWht）运行费用0.01电耗电价/（元/kWh）0.65吨熟料电价/（元20.01合计吨熟料总费用/（元t）3.33增加运行费用吨熟料增加费用/（元t）0.73注：熟料产量按照6152td,年运行时长按照20Od计算。从表7可以看出，SCR系统投运后吨熟料运行成本为4.06元，同单独运行SNCR时吨熟料运行费用3.33元相比，吨熟料运行费用增加0.73元。5结论高温高尘SCR脱硝工艺是水泥行业较为合适的脱硝技术路线之一，与SNCR系统联合运行，可以达到超低排放要求。设计
15、时需重点考虑高粉尘浓度、高黏性粉尘给催化剂带来的磨损、堵塞、中毒等不良影响，工艺设计关键在于催化剂的选型设计、SCR反应器入口流场设计及清灰系统设计。高温高尘SCR系统投运对水泥窑及余热发电系统生产无明显影响。附参考资料：技术I高温高尘SCR脱硝技术的应用摘要本文就SCR改造的必要性、不同技术方案的各自特点以及对现有系统工况的影响进行了简要论述,并对高温高尘SCR系统的实际应用进行了介绍。我公司目前拥有两条4000t/d熟料生产线，A线由天津水泥工业设计研究院设计，于3月点火投产；B线为省建筑材料工业设计研究院设计，于1月6日点火生产。B线采用的是4.8m72m回转窑与五级预热器相匹配的方案，
16、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2020340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V4kgt,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、50mgNm3,氨逃逸5mgNm3）2022年10月17日，市生态环境局下发关于开展焦化、水泥、玻
17、璃、燃煤发电行业企业深度整治工作的通知（唐环气20222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2.5mgNm3。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1.1mh左右），系统氨逃逸值低于8mgNm3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。2SCR不同技术方案的比较我公司根据现有几
18、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Cl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280400,适合于多数催化剂。由于Cl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800l000Pa（初装3层催化剂2.2 高温中尘高温中尘SCR脱硝技术是从Cl出口的窑尾烟气
19、先经过高温电除尘器进行预处理，使粉尘浓度降低到30gNm3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180230C,粉尘5060gNm3.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反应形成硫酸氢钱，其具有黏性，使粉尘附着在催化剂表面，易造成催
20、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800Pa3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50mgNm3以下。下面以B线为例进行介绍。3.1 整体技术方案在己有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
21、塔的基础支撑，从Cl出口汇总管道处新建管道，将烟包引至脱硝反应塔，后经管道回窑尾锅炉进口0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Cl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Cl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%
22、的氨水溶液，来自原有氨水储存系统。氨水由两台加压泵。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P1.C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PDl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
23、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215230C；生料磨全停，进窑尾收尘器的烟气温度可控制在18015（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140200mm,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0.6lkWht,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
24、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Cl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
25、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
26、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。反应塔克体见图1。图1反应塔壳体图2SCR反应塔入口导流板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
27、，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层数0123456789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CI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
28、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。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150C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200C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SCR反应塔下部设有卸灰及输送装置，将反应塔沉降物料输送至现有未拆除增湿塔底部回灰系统。此处需要注意的是，较增加系统之前回灰温度会有大幅上升，瞬时可达320C,需要对下游溜子、斜槽帆布、收尘滤袋等部位进行升级更换和加固。4总结通过项目配套建设SCR脱硝设施，水泥企业脱硝系统可以达到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）中对A级企业的要求，吨熟料成本预计增加约234元。
