SCR脫硝技術在非電行業煙氣治理中的應用進展
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1 非電行業煙氣特點及處理技術分析
非電行業包括鋼鐵、焦化、水泥、玻璃、垃圾焚燒和建材等企業。近年來,焦化和鋼鐵等非電行業消耗量幾乎與電力行業等同。但非電行業污染物排放標準和治理水平遠低于燃煤電站行業,導致其NOx、SO2和顆粒物(PM)排放量占全國3/4以上。其超低排放改造推進緩慢的原因包括治理標準待完善、環保監管難度大和缺乏經濟可行的技術方案等,這些都與非電領域范圍廣、細分行業多、不同行業間生產工藝不同而導致的污染排放特性差異大的特點密切相關。
1.1鋼鐵行業煙氣特點及脫硝技術應用進展
2015年,中國鋼鐵企業NOx排放量達97.2萬t,占NOx總排放量的8%。鋼鐵生產工序繁多且各工序主要排放污染物種類多而不同。其中燒結工序是氣態污染物排放*為嚴重的工序。該工序排放的PM、SO2和NOx等污染物分別占鋼鐵企業排放總量的35%、70%和50%以上。鋼鐵行業燒結煙氣具有以下特點:
(1)煙氣量大,每生產1 t燒結礦產生4 000～6 000 m3煙氣。
(2)煙氣成分復雜,含有HCl、SO2、NOx和HF等多種腐蝕性氣體,鉛、鋅和汞等重金屬,二噁英等有毒氣體和大量粉塵(濃度達10 g/m3)。
(3)SO2濃度高且變化大,煙氣中SO2濃度一般為1000～1500 mg/m3,甚至可達3000～5000 mg/m3。
(4)煙氣溫度低且波動范圍大,燒結煙氣溫度在120～180℃,采用低溫燒結技術時甚至低至80℃。
(5)含濕量和含氧量高,含濕量一般為7%～13%,含氧量達15%～18%。
目前,應用于燒結煙氣超低排放治理的主要有3種技術方案,即SCR法、活性焦法和氧化法。采用以上3種方法,既滿足目前環保標準,也易于改造以滿足更加嚴格的環保標準。
1.2水泥行業煙氣特點及脫硝技術應用進展
我國是水泥主要生產國,水泥生產導致NOx排放約200萬t/a,占全國NOx工業排放量的15%。水泥窯爐煙氣及煙塵特點:
(1)灰分含量高,預熱器后灰塵含量高達80～120 g/m3。
(2)煙氣成分復雜,具有黏性,很 容易導致催化劑堵塞。
(3)灰分中CaO含量高,其中高粉塵濃度是水泥窯爐煙氣的*特點。
水泥廠分解爐煙氣溫度為850～1200℃,煙氣停留時間僅5s,適合選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術(溫度范圍為850～1100℃,反應時間約200ms)的應用。結合爐內控制技術(如低氮燃燒器),NOx可控制在較低水平。但環境保護標準日趨嚴格,需采用SCR脫硝工藝。
水泥行業煙氣余熱梯級利用,煙氣高溫和清潔不可兼得,SCR工藝只能選擇高溫高粉塵或低溫低粉塵條件。為保護催化劑,優選低溫低粉塵條件設置SCR工藝。但由于煙氣中仍有堿金屬和堿土金屬含量高的粉塵及少量SO2,導致催化劑堵塞、磨損和中毒失效,因此迫切需要開發和使用抗中毒能力強的催化劑。
1.3玻璃行業煙氣特點及脫硝技術應用進展
我國是玻璃生產大國,玻璃工業NOx排放量約14萬t/a。玻璃行業煙氣特點如下:
(1)NOx含量高(通常在2 000mg/m3以上)。
(2)煙道出口溫度高(450～550℃)。
(3)煙氣波動大,玻璃爐窯換火操作,爐內溫度先迅速降低再迅速升高,煙氣量和煙氣組分波動較大。
(4)煙氣成分復雜,含有多種酸性氣體(HCl和HF等);堿金屬(Na鹽和K鹽等)和堿土金屬(Ca鹽等)含量高,并有一定黏附性和腐蝕性;燃料對煙氣污染物影響明顯(如表3)。
玻璃熔窯煙氣脫硝普遍采用SCR技術。典型玻璃熔窯煙氣SCR脫硝工藝流程如圖1所示。該工藝的優勢在于:
(1)煙氣先經余熱鍋爐再進入SCR反應器,既滿足*脫硝溫度條件,也可回收部分熱量。
(2)脫硝前除塵,顯著降低對SCR催化劑的沖刷及毒化作用。該工藝尤其適用于以石油焦和重油為燃料的復雜煙氣條件,是目前玻璃廠改造以及新建玻璃廠配套脫硝工程的優選方案。
1.4垃圾焚燒行業煙氣特點及脫硝技術應用進展
我國2015年城市垃圾排放量達2.5億噸,約有2/3城市面臨“垃圾圍城”壓力。具有處理量大、衛生而且能實現資源回收利用的垃圾焚燒發電技術日益成為城市垃圾處理優先采用的技術。截至2015年,我國在運營的垃圾焚燒發電廠達220座,垃圾焚燒處理量達62 Mt/a,占垃圾處理量的32%。對焚燒排放煙氣的治理是該方法實現進一步大力推廣的關鍵因素。
垃圾焚燒發電廠煙氣成分復雜,除氮氧化物外,還伴有硫氧化物、氯化物、堿金屬和重金屬等(平均NOx342 mg/m3,SO2314 mg/m3,HCl 279 mg/m3)。應用SNCR技術脫硝可達到低于200 mg/m3的標準,但難以達到未來更低標準(<100 mg/m3)。我國目前采用“SNCR+半干法脫酸+活性炭噴射+布袋除塵”的主流技術路線能滿足現在的環保要求,但要滿足更加嚴格的環保要求,SCR技術不可缺少。
通過前面分析可以看出,一方面,SCR脫硝技術在鋼鐵企業和玻璃企業有著較大的應用需求。另一方面,盡管水泥廠和垃圾焚燒發電廠采用爐內控制技術及其與SNCR結合的方式,都能滿足目前的環保要求,但隨著環保標準的日趨嚴格,SCR技術同樣不可缺少。因此,盡管非電領域不同行業間煙氣特點差異明顯,適用的煙氣治理方式也不完全相同,但SCR脫硝技術在非電領域脫硝治理中有著廣闊的應用空間。
催化劑是SCR脫硝技術的核心,但非電領域煙氣環境復雜,通常含有高濃度SO2,玻璃煙氣中含有大量堿金屬(Na鹽和K鹽等),水泥煙氣中含有大量CaO,垃圾焚燒煙氣中含有大量揮發性有機物,SCR工藝所處理煙氣溫度往往較低(低于300℃)。因此,提高催化劑反應活性的同時,增強抗中毒能力(抗硫銨鹽中毒和抗堿金屬中毒)及多污染物協同脫除能力,對催化劑在非電領域的應用具有重要意義。
非電領域自身范圍廣、細分行業多,不同行業間生產工藝差異大,污染排放特性各不相同,相應的污染物治理工藝也不完全相同。而脫除效率高、易升級改造的SCR脫硝技術對滿足現在和將來的非電領域煙氣脫硝需求具有重要意義。同時,含有一定濃度SO2、堿金屬和堿土金屬含量高、揮發性有機物含量高及低溫的煙氣環境將是SCR催化劑面臨的嚴峻考驗。因此,提高SCR催化劑低溫活性,同時提高抗硫銨鹽、抗堿金屬和堿土金屬中毒能力,增強催化劑對NOx和VOCs的協同脫除性能,是未來SCR催化劑發展的重要方向。
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