水泥窑高温高尘SCR脱硝工艺设计及影响探讨.docx

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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/Pa4.55670从图2图5及表5可以看出，通过在SCR反应器入口设置组合式多向导流板、均布板的流场设计，计算机流

12、场模拟结果良好。2.3清灰系统的设计水泥窑高温高尘SCR脱硝装置大部分采用耙式压缩空气吹灰器+声波吹灰器联合清灰，少部分工程只采用耙式压缩空气吹灰器清灰。联合清灰方式更为合理,两种清灰器优势互补,声波吹灰器清灰无死角，将催化剂表面积灰震动松散；耙式压缩空气吹灰器更容易将粉尘吹起，清灰更彻底。2.3.1 声波清灰声波吹灰器结构简单，运行基本不耗电，没有机械结构，没有易损件，体积小，重量轻,被广泛应用在各行业清灰场景。水泥窑SCR脱硝工程声波清灰系统流程设计上基本与电力、钢铁等行业SCR清灰系统相同。但是由于水泥窑尾烟气粉尘高黏度的特性，导致声波吹灰器在径向和轴向的有效作用范围变小，为获得更好的清

13、灰效果，水泥窑SCR脱硝声波吹灰器可采用对向布置，其目的是克服距离原因导致的声功率衰减，保证每个区域足够的清灰强度。单个声波吹灰器径向清灰距离按照23m设计，轴向清灰距离56m设计。距离催化剂上表面高度060.9mo但在设计时应注意声波吹灰器需要避开催化剂安装门、人孔门及反应器加固肋布置，所以声波吹灰器的间距并不是相同的。图6为工程声波吹灰器布置图。-8010X6图6声波吹灰器布置示意2.3.2 耙式清灰器压缩空气的工作压力和覆盖催化剂表面的程度决定了吹灰的效果。清灰系统的设计也是以这两点为核心工作开展的，压缩空气压力不足，积灰难以全部清除，压力过大，则会加剧催化剂的磨损；不能覆盖全部催化剂表

14、面，则会出现清灰死角，长时间累积均能引起催化剂堵灰，造成脱硝效率下降，反应器压差升高。耙式压缩空气吹灰器吹灰孔间隔4060mm,单个吹灰孔耗气量约0.30.4Nm歹min,吹灰孔距离催化剂表面高度约150200mm,吹灰压力不小于0.4MPa,为减小单台空气压缩机的体积流量，节省运行电耗，单个耙式吹灰器的吹灰孔数量不宜过多，所以需要合理选择横耙管的数量和长度。一般单个吹灰器横耙管的数量为2-3个，单个横耙管的宽度约2-3m,图7为工程单层催化剂耙式吹灰器布置图。高温高尘SCR系统投运以后，可有效将NOx排放浓度控制在35mgNm3以内，氨逃逸控制在5mgNm3以内，运行效果见表6。表6脱硝效果

15、参数数值备注生料喂料量/(th)405NOX初始浓度/(mgN11)534.9分解炉出口，10%基准氧含量NC)X排放浓度/(mg/Nn?)26.7窑尾烟囱,10%基准轼含量SCR实施前公:水用量/(kg/t)4.7SCR实施后氨水用量/(kg/t)2.8窑尾烟囱(生料磨开),10%基u.y准氧含量氨逃逸/(mgNn?)1窑尾烟囱(生料磨停),10%基4.1准较含量SCR系统压降/Pa638含进出口烟道SCR系统温降/七6.0含进出口烟道脱硝系统电耗/(kWh/t)1.38SCR脱硝系统投运前，生料喂料量400410th,采用SNCR工艺脱硝，当NOx浓度控制在35mgNm3以内时，氨水平均耗量