SCR脫硝技術推廣未來可期——訪中國建材研究總院教授、中低溫SCR脫硝工程技術研發項目負責人汪瀾

近年來，隨著國家環保政策收緊、管控力度的加大，各地對于水泥工業氮氧化物（NOx）排放要求更加嚴苛。如何加強水泥工業大氣污染物治理、保護生態環境、減少污染物排放、實現綠色發展仍是水泥工業面臨的緊迫任務。

2020年12月18日，《中國建材報》刊登了《國內外首臺套水泥窯爐中低溫煙氣SCR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實現了煙氣脫硝技術的超越和引領，為水泥工業大氣污染物治理、節能減排及綠色發展提供了堅實有力的技術支撐。消息一經發布，便受到水泥行業多方面的關注，不少水泥生產企業來電咨詢此項技術的詳細情況。為此，《中國建材報》記者采訪了項目負責人汪瀾，希望通過他的詳細解答能為相關企業了解、掌握和應用這項工程技術提供更多的幫助。

記者：我國是水泥生產大國，在水泥制造過程中會產生大量的NOx，對大氣環境造成嚴重污染，因此降低水泥窯NOx的排放刻不容緩。針對工業窯爐NOx減排，我國有哪些具體要求？

汪瀾：保護環境是我國的基本國策。《工業窯爐大氣污染綜合治理方案》提出“完善工業爐窯大氣污染綜合治理管理體系，推進工業爐窯全面達標排放，實現工業行業二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物排放進一步下降。”

以火電廠為主體的煤電行業通過采用催化還原技術（SCR），已經實現全行業的超低排放。鋼鐵行業也是先行一步，到2025年年底，全行業力爭80%以上產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有什么具體要求嗎？目前NOx減排及工程技術應用的現狀如何？

汪瀾：我國年生產水泥熟料約為13億噸，按NOx排放系數為1.5kg/t熟料至1.8kg/t熟料算，2020年我國水泥工業窯爐排放的NOx約為200萬噸，占全國NOx總排放量的10%，也是繼火電發電廠和機動車之后的第三大排放源。

目前，國內水泥工業執行的排放標準為《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB4915-2013）。一些地方還出臺了更為嚴格的排放標準，例如，浙江省出臺的地方標準要求到2025年水泥窯爐煙氣NOx排放濃度小于50mg/Nm3。此外，環保部頒發的《重污染天氣重點行業應急減排技術指南》則要求，水泥生產采用SNCR、SCR等技術達到超低排放，并且噸水泥熟料氨水耗量小于4kg，才能認定為A級企業，享受相應的政策支持。

我國水泥工業從2007年開始全面推廣非催化還原技術（SNCR)。SNCR技術的脫硝效率可高達60%。這期間還有研究采用分級燃燒技術，即通過控制分解爐及管道中的燃燒工況，用不完全燃燒產生的CO來還原NOx。分級燃燒技術的脫硝效率約為30%。2018年開始學習引入國際上水泥窯爐煙氣SCR脫硝技術，典型案例有河南登封宏昌水泥采用的高溫中塵SCR技術和山東濟寧海螺水泥采用高溫高塵SCR技術。

煙氣中低溫SCR脫硝工藝流程圖

記者：SNCR技術與SCR技術都是采用氨水作為脫硝還原劑，SNCR與SCR這兩種技術有什么區別呢？

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，NH3分子與NOx分子直接碰撞反應，形成N2和H2O。SCR技術是在窯爐煙氣小于320℃的區域布置了脫硝反應器，并在反應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生有效接觸碰撞，進而大大加快了反應的進行。SCR技術脫硝效率可以大于95%，并且可大大降低氨逃逸。

記者：SCR技術脫硝效率高，可以實現水泥窯爐煙氣NOx超低排放，但如何與既有的水泥生產線進行配套呢？

汪瀾：SCR反應器可以布置在預熱器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”技術都已得到實際工程應用，可以認為是較為成熟的工程技術，“超低溫布置”技術還在深入的研究之中。

“中低溫布置”結合了“高溫布置”除塵和不除塵兩種形式的優點，即SCR反應器置于余熱鍋爐后，這樣對窯爐運行及余熱鍋爐發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。

記者：中低溫SCR脫硝催化劑材料技術有什么創新？在實現工程化應用做了什么工作？

汪瀾：SCR脫硝技術已廣泛應用于電力行業、鋼鐵行業等工業部門，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脫硝技術的核心是中低溫SCR脫硝催化劑材料技術。研究團隊對傳統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倍；通過添加微量過渡金屬元素，使NH3分子與NOx分子反應的電子轉移加速，反應速率大幅度提高；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，最終實現了高性能中低溫催化劑材料的商業化生產。

此后，我們開展了中低溫SCR脫硝催化劑材料技術及工程化應用的中試研究。中試研究首先是建立了高18m的小型SCR反應器，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年中試裝置的連續運行，驗證了中低溫SCR脫硝催化劑材料的長期高效穩定性，同時也驗證了中低溫SCR脫硝工藝技術路線的可行性。2019年8月17日，“水泥窯中低溫SCR脫硝催化劑研發和應用”通過由中國建材聯合會組織的項目鑒定，專家意見認為“達到國際先進水平”。

記者：與5000t/d生產線配套建設煙氣中低溫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，形成了工程化應用的工藝技術方案，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生產線上配套建設水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝工程項目。企業的5000t/d生產線日產熟料可達6300t，窯尾煙氣量360000m3/h。生產線帶有精準噴氨系統，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脫硝反應器小很多，故選擇在生產線原有SNCR氨水儲存庫上方建設，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，滿足了水泥生產線工藝設備布置的基本原則要求。

記者：中低溫SCR脫硝反應器都有哪些關鍵工藝設備？它們有什么作用？

汪瀾：設計的脫硝反應器截面為64m2，凈高為34m，框架結構總重量350t。盡管反應器的總體積大大縮小，但反應器內布置有4+1層催化劑模塊，作為脫硝反應的核心。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象。整個SCR脫硝反應器的壓力降僅為320Pa。

脫硝反應器自帶有精準噴氨系統，可以獨立進行全煙氣的脫硝；也可以與SNCR耦合，利用SNCR噴氨多余產生的氨逃逸進行最終的煙氣脫硝。氨水由熱盤管加熱蒸發，不增加電耗。

脫硝反應器帶有壓力、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，做到遠程監控和啟停，并接入全生產線集散控制系統。

長興南方水泥有限公司俯瞰圖

記者：目前長興南方與5000t/d生產線配套的煙氣中低溫SCR反應器運行情況怎么樣？

汪瀾：在長興南方的中低溫SCR反應器及整個工程于2020年7月進行調試并投入試運行，并且也進行了一些優化改進。根據國內權威機構的現場檢測及中國建材聯合會和中國水泥協會聯合組織的專家評審會意見如下：自主研發了稀土耦合釩鈦體系的中低溫SCR脫硝催化劑，系統優化了催化劑的化學組成設計、物理結構形態與催化性能之間的關系，解決了催化劑對SO2等成分的敏感性問題，實現了在170℃至220℃窗口溫度催化劑脫硝效率可達90%。設計開發出水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝工藝技術，建成國內外首臺套水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝反應器及其工藝技術裝備，實現工程穩定運行。工業化應用連續運行表明：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路線，實現水泥煙氣中低溫SCR脫硝技術的重大創新和突破，為水泥工業節能減排、綠色發展提供了有力技術支撐。

記者：研究團隊成功研發了中低溫SCR脫硝催化劑材料，并實現了工程化應用。那么未來在推廣該項工程技術上有什么計劃呢？

汪瀾：我們希望能將這項工程技術推廣應用到更多的水泥生產企業，以便為這些企業的評級和長期可持續發展提供技術支撐。具體講，對于有設計及工程建設能力的水泥集團公司，我們可以僅提供SCR脫硝技術咨詢和催化劑材料，以便使相關的水泥集團公司全面掌握這項工程技術，實現最少的投入和最大的環保收益。如有需要，我們也可以為水泥生產企業提供EPC服務，共同打造水泥行業節能環保引領示范工程。