水泥窑SCR脱硝技术的应用与调试

随着GB4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》的实施，要求现有和新建水泥企业的NOx排放限值由原来的800mg/Nm3（NO2@10%O2，以下同）降到400mg/Nm3（重点地区NOx排放限值为320mg/Nm3），因此需要对现有和新建水泥熟料生产线项目配置烟气脱硝装置。就目前来看，绝大多数水泥企业采用的是选择性非催化还原法（SNCR脱硝技术），SNCR的脱硝效率能达到60%，NOx排放可以满足现行的排放标准，然而随着国内环保形势的日益严峻，对污染物排放的要求越来越严格，有必要采用脱硝效率更高的选择性催化还原法（SCR脱硝技术）。下面就SNCR与SCR脱硝技术作简单比较，并对SCR脱硝技术在富阳南方水泥有限公司5000t/d水泥生产线中的应用和调试进行介绍，以供参考。

1SNCR与SCR脱硝技术比较

1）工艺原理

SNCR：采用氨水或尿素作为脱硝还原剂，将稀释好的氨水（一般质量浓度20%）或利用尿素经溶解稀释后配成尿素溶液（一般质量浓度5%~10%），通过雾化喷射系统直接喷入分解炉合适温度区域（850~1050℃），还原剂雾化后，其中的氨基成分与烟气中NOx进行选择性非催化还原反应，将NOx转化成无污染的N2和H2O，从而达到降低NOx排放的目的。

SCR：SCR脱硝技术是采用氨（NH3）作为还原剂，将原系统烟道合适区域的烟气引出至新建反应器，在反应器中设置催化剂，在远离反应器的上游烟道中设置还原剂喷射系统（喷枪），使氨与烟气充分均匀混合后进入反应器，氨在反应器中催化剂的作用下，在有氧气的条件下选择性地与烟气中NOx发生化学反应，生成N2和H2O。

2）脱硝效率

SNCR：由于SNCR脱硝需要满足反应温度的要求，温度太高或太低都会影响氨和NOx的反应，对喷氨控制的要求很高，脱硝效率一般为30%~60%。

SCR：脱硝效率一般可达到90%以上。

3）投资与运行成本

因为SNCR脱硝技术是利用原有设备（如分解炉）作为反应器，而SCR脱硝技术需要新建反应器，将原烟气引入反应器，脱硝后再送回原烟道，同时在烟道中新增反应器会导致系统压力损失增大，这就需要对原有风机系统等进行改造。此外，SCR脱硝技术需要用催化剂，系统较SNCR复杂，检修和维护也比较麻烦。因此在投资和运行成本方面SCR都比SNCR要高很多。

4）二次污染

SNCR与SCR脱硝的最终产物为氮气和水，然而由于工况、操作等原因会导致在脱硝后的烟气中含有一部分NH3，会对大气造成二次污染。实践证明SCR较SNCR对环境造成的二次污染要小。

2工艺方案

该工程SCR工艺方案采用的是中温中尘脱硝布置方案。方案流程图见图1。

该方案选用的是蜂窝式中温催化剂，在窑尾余热发电锅炉出口至窑尾高温风机入口前的烟道上取温度在220℃左右的烟气，烟气量约28715Nm3/h，在取风管道上设置高温电动通风蝶阀（4a-1）控制风量，在SCR反应器后设置高温风机（4i）取风，在SCR反应器前加旋风除尘器（4b），去除烟气中的大颗粒粉尘，经过处理后的烟气回余热发电锅炉出口至窑尾高温风机之间的烟道上。在旋风除尘器前和C1~C2筒之间下料管道上分别设置还原剂喷射系统（喷枪），还原剂采用20%~25%氨水溶液（质量分数），在SCR反应器前设置CEMS监测仪表，通过检测得到进入SCR反应器前的NOx浓度、含氧量以及相应的烟气流量。在SCR反应器出口也设置CEMS监测仪表，通过检测得到出SCR反应器后的NOx浓度、含氧量以及氨的逃逸量。同时在SCR反应器进出口以及每层催化剂都设置压力和温度监测仪表。

同时，由于水泥窑的粉尘与电厂的酸性粉尘不同，其性质为碱性，黏性较大，使用传统的声波吹气器很难将灰吹扫干净，因此配备了压缩空气吹灰器进行吹灰。利用空压机和储气罐提供压缩空气，同时利用管道加热器将压缩空气加热至150℃左右，减少其对烟气温度的影响。

3控制方案及要求

1）SCR反应器系统

首先确认氨水供应系统、氨水分配及喷射系统准备就绪，用于喷枪的压缩空气压力满足条件后，打开电动蝶阀（4a-1）、（4a-2），再打开高温风机（4i），待SCR反应器温度升高至稳定后，观察SCR进出口温度，要求温度在催化剂运行的合适范围（200~280℃）内，且记录下SCR反应器进出口压力差，然后打开氨水输送泵，开始供应氨水至氨水分配及喷射系统，控制出口NOx浓度≤100mg/Nm3，氨逃逸浓度≤2.5mg/Nm3，相应调整氨水输送泵频率和回水量，直至达到控制的NOx浓度以下。

由于催化剂的运行有一个最佳温度范围，当运行温度高于催化剂的最高温度限值时，陶瓷材质的蜂窝式催化剂将发生烧结和脆裂；当运行温度低于催化剂的最低温度限值时，容易生成硫酸氢铵附着在催化剂表面堵塞催化剂孔，导致催化剂活性降低，影响脱硝效率。本方案选用中温催化剂，其适用温度范围为200~280℃，运行温度低于200℃或高于280℃时，此时应停止向烟气中喷入氨，关闭氨水输送泵和高温风机（4i）及进口处烟道上的电动蝶阀（4a-1）、（4a-2），停运SCR脱硝装置。

同时观察进出口压力和每层催化剂的压力。压差的变化是判断催化剂是否积灰的重要参数，它决定了是否需要使用吹灰系统。反应器进出口的压力传感器主要用于测量催化剂进出口压降，该压降不超过新装催化剂设计值的120%。本中温中尘方案SCR脱硝装置中温催化剂压降设计值为每层127.5Pa，4层510Pa，则当压降超过612Pa时，系统将发出差压高位报警信号。该报警设定值按安装4层催化剂设定，当系统发出差压高位报警信号后应立即投入使用吹灰系统。

2）吹灰系统

吹灰系统设置一台空压机，额定排气量1.1m3/min，额定功率7.5kW，电压380V，频率50Hz。运行过程中间歇提供压缩空气，每隔5min启动一次，每次启动1min充满后方储气罐。储气罐和空压机之后设置空气加热器，加热器一直处于开启状态，可以使经过加热器的压缩空气加热至150℃。

每层吹灰系统设置一个电磁阀组，共4个电磁阀，每隔5min开启一层电磁阀，4层电磁阀轮流开启，每小时每个电磁阀开启3次，每次开启20s。当SCR脱硝装置停运后，吹灰系统也相应停运。

4控制系统

SCR脱硝系统采用PLC控制，本脱硝系统设一套PLC及上位机控制系统。控制系统能够完成整个脱硝装置内所有的测量、监视、操作、自动控制、报警及保护和连锁、记录等功能。根据SCR反应器入口和出口的NOx浓度及脱硝效率等要求，实现对氨水供应和SCR运行的控制，并对关键参数进行监测。

1）系统配置

由于本项目的控制点数较少，SCR脱硝系统选用西门子S7-200系列PLC对系统中的泵、阀门等进行控制。控制系统的具体配置见表1。

2）软件编程及组态

PLC所使用的编程软件是STEP7MicroWINV4.0SP9，主要通过梯形图和功能块语言，根据氨水输送、SCR反应器、吹灰系统等各个系统的工艺控制方案和要求进行编程，实现所有设备的顺序控制、模拟量参数的检测等等（程序部分省略）。

脱硝系统的上位监控软件使用的是西门子的WinCC软件，利用WinCC自带的图形文件库或自己添加的图形文件组态工艺流程画面，在WinCC各控件属性中连接对应的变量，如氨水输送泵设备，在其属性中分别连接泵的备妥、运行、故障变量，实现泵在不同状态下的不同颜色指示，同时在动作属性中利用C语言编辑脚本程序，在点击泵设备时，弹出控制对话框对泵进行启停操作。对于历史趋势的设计，可以利用WinCC的数据归档功能将脱硝中重要的生产参数进行归档，数据归档存储时间为一年，然后利用自带的趋势窗口控件调用归档数据，这样在趋势窗口中就可以根据需要任意选择查看指定参数的历史变化曲线。另外为了保证脱硝系统正常、连续、稳定的运行，诸如氨水储罐的液位、喷枪雾化用压缩空气压力、SCR反应器出入口的温度和压力、每层催化剂的压力、反应器出入口CEMS数据等信号根据工艺过程或控制要求均设置报警值，当超出设定值时，相应的数据在画面中会出现变色或闪烁，提示操作员对报警情况及时处理。图2为监控画面的一部分。

5调试运行数据

在脱硝热态调试期间，水泥窑炉负荷稳定，平均熟料产量5034t/d，分解炉出口的烟气温度为880~920℃，脱硝前窑尾烟囱出口烟气中NOx浓度为760~820mg/Nm3，投入脱硝系统后，窑尾烟囱出口的NOx平均浓度为97mg/Nm3，窑尾烟囱出口的氨逃逸平均浓度为1.83mg/Nm3，且各项数据都比较稳定。

在运行成本方面，SCR与SNCR脱硝技术相比，在还原剂消耗费用、水泵电耗、燃料额外消耗、劳动力成本和脱硝系统的日常维护费用等方面，两者耗费相同，而SCR法脱硝增加了催化剂更换维护费用，吹灰系统、加热器的电耗和吹灰压缩空气消耗。在实际运行中，SCR系统的运行成本主要为3个部分：还原剂的消耗成本、耗电量的成本和更换催化剂的成本。在调试期间，氨水消耗量平均值为0.28m3/h，系统新增电耗约140kW。SCR反应器布置了4层可用的催化剂层，选用的是16孔蜂窝式催化剂，数量约10.2m3，催化剂一般每次更换一层，具体更换和维护周期需要根据后期具体的使用情况确定。通过对调试期间的数据进行测算，SCR脱硝系统的运行成本约为3.23元/t熟料。