摘" 要：

SCR脫硝技術因其出色的脫硝效率和適應廣泛的工業(yè)環(huán)境的能力，已經(jīng)成為控制NOx排放的主流技術。隨著技術的進步和環(huán)保需求的增加，SCR技術的應用將進一步擴展，市場前景看好。具體分析了SCR脫硝技術的原理、現(xiàn)狀以及應用場景，以期可以對未來技術的進步提供借鑒。

關鍵詞：

水泥行業(yè)；SCR脫硝技術；催化劑制造技術

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.004

中圖分類號：X701

文獻標識碼：B

文章編號：

1004-8901（2024）04-0013-03

作者簡介：

周楓林（1977年—），女，江蘇揚州人，本科，現(xiàn)主要從事煙氣脫硝研究等工作。

通信作者：

華靖（1986年—），男，江蘇揚州人，本科，現(xiàn)主要從事SCR脫硝催化劑的制造及應用等工作。

Application of SCR Denitrification Technology in the Cement Industry

ZHOU Feng-lin1， HUA Jing2

（1. Jiangsu Wande Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Yangzhou Jiangsu 225017， China;

2. Zhejiang Dechuang Environmental Technology Co.， Ltd.， Shaoxing" Zhejiang 312000， China）

Abstract：

SCR denitrification technology has become the mainstream technology for controlling NOx emissions， thanks to its excellent denitrification efficiency and good adaptability to a wide range of industrial scenarios. With the progress of technology and the increase of environmental protection demand， the application of SCR technology stands to be further expanded with promising market prospect. This study analyzes the principle， current situation and application scenarios of SCR denitrification technology， with a view to providing reference for future technological progress.

Keywords：

cement industry;SCR denitrification technology;catalyst manufacturing technology

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.004

SCR（選擇性催化劑還原法）脫硝技術廣泛應用于燃煤鍋爐和各類工業(yè)爐窯煙氣的NOx減排治理，脫硝效率可達90%以上，被認為是最高效、最可靠的深度脫硝技術。為應對日益嚴峻的環(huán)境問題，國家對水泥行業(yè)NOx排放標準持續(xù)收緊，之前廣泛采用的低氮燃燒技術、分級燃燒技術、SNCR（選擇性非催化劑還原法）脫硝技術均難以長期穩(wěn)定滿足煙氣出口NOx≤50 mg/Nm3、氨逃逸≤5 mg/Nm3的超低排放要求，SCR脫硝技術因其在化石燃料燃燒煙氣脫硝領域內(nèi)的優(yōu)異表現(xiàn)，成為最優(yōu)選的水泥窯氮氧化物超低排放技術［3］。

1" SCR脫硝技術原理

SCR脫硝技術是一種重要的大氣污染治理方法，其原理簡述為：通過催化劑將含有氮氧化物（NOx）的廢氣轉(zhuǎn)化為無害的氮氣（N2）和水（H2O），以減少大氣中的氮氧化物排放，改善空氣質(zhì)量。在SCR脫硝過程中，催化劑扮演著至關重要的角色，常用的催化劑包括釩鎢鈦氧催化劑、銅鐵催化劑等，這些催化劑在一定的溫度、壓力和氧氣存在下，促進氮氧化物與還原劑（如尿素、氨等）之間的反應，從而實現(xiàn)氮氧化物的高效轉(zhuǎn)化。具體而言，SCR脫硝過程可分為3個關鍵步驟：①還原劑的注入。在SCR系統(tǒng)中，通過控制系統(tǒng)精確地控制尿素水或氨水的噴射量，將其混合到含有氮氧化物的煙氣中；②氮氧化物與還原劑的反應。在催化劑的作用下，氮氧化物與還原劑發(fā)生反應，生成氮氣和水，反應過程中，催化劑起到催化作用，降低反應的活化能，從而提高了反應速率；③產(chǎn)品的排放。經(jīng)過SCR脫硝處理后的廢氣中，大部分氮氧化物已被轉(zhuǎn)化為無害的氮氣和水，通過煙囪排放至大氣中，從而達到了凈化廢氣的目的。

2" SCR脫硝技術在水泥行業(yè)中的應用現(xiàn)狀

SCR脫硝技術采用NH3作為還原劑，將經(jīng)空氣稀釋后的NH3噴入到200～420 ℃的煙氣中，與煙氣均勻混合。使混合后煙氣通過布置有催化劑的SCR反應器，此時煙氣中的NOx與NH3在催化劑的作用下發(fā)生選擇性催化還原反應，生成無污染的N2和H2O。SCR脫硝工藝流程見圖1。目前SCR脫硝技術已應用于不同容量機組，該技術的脫硝效率通常為80%～90%，結(jié)合鍋爐低氮燃燒技術后，可實現(xiàn)機組NOx排放濃度小于50 mg/m3。SCR脫硝催化劑在脫硝過程中，促使還原劑與煙氣中的NOx在一定溫度下發(fā)生化學反應，從而選擇性地將NOx轉(zhuǎn)化成N2和H2O的重要物質(zhì)，是脫硝系統(tǒng)的核心部件。工程化應用的SCR催化劑基本上是以TiO2（二氧化鈦）為載體，以V2O5（五氧化二釩）等為主要活性成分，多采用蜂窩式、平板式和波紋式等結(jié)構(gòu)。隨著我國對NOx等相關污染物的規(guī)范逐年嚴格，SCR技術得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)SCR脫硝技術在煙氣溫度較低的非電力行業(yè)（如玻璃、鋼鐵以及水泥等行業(yè)）中使用，存在著無適宜熱源、催化劑工作溫度高、加熱運行成本高等問題，需要針對催化劑進行改良，提升低溫煙氣脫硝領域中SCR技術的應用性。SCR脫硝催化劑的未來發(fā)展主要針對低溫與寬溫差等方向，提升催化劑的活性、使用年限以及穩(wěn)定性等，持續(xù)對新產(chǎn)品、新材料進行開發(fā)和應用，實現(xiàn)降低運營成本、提升工作效率的目的。

3" 行業(yè)競爭格局

目前，國內(nèi)約有幾十家脫硝催化劑生產(chǎn)企業(yè)，行業(yè)集中度較低，競爭較為激烈，但主要集中在高溫催化劑領域。適用于非電力行業(yè)的低溫SCR脫硝催化劑的研究及工程應用尚處于創(chuàng)新發(fā)展階段，在國家出臺多項量化減排指標的壓力以及電價補貼的鼓勵政策下，國內(nèi)各類資本涌入煙氣脫硝領域：一類是以大型國企所屬配套企業(yè)為代表，具有市場優(yōu)勢；另一類為專業(yè)從事煙氣治理的諸多民營企業(yè)，抓住了國家加大環(huán)保力度的市場契機，迅速發(fā)展壯大。隨著國家及地方政府對超低排放標準的不斷出臺，這對企業(yè)脫硝催化劑產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、資金等方面提出很高的要求，具有自主研發(fā)能力且具有生產(chǎn)、資金實力的企業(yè)，在競爭中將占有優(yōu)勢，行業(yè)集中度將有不斷提高的趨勢。

4" SCR脫硝催化劑在水泥行業(yè)中的應用

4.1" 催化劑物化改性

（1）注重催化劑生產(chǎn)工序中焙燒溫度的控制，改善催化劑的孔隙結(jié)構(gòu)。

催化劑孔隙結(jié)構(gòu)由微孔、中孔、大孔結(jié)構(gòu)組成。微孔、中孔由載體TiO2顆粒形成，TiO2粒徑大小對燒結(jié)時間影響較大，SCR脫硝催化劑的活性需要載體具有一定的比表面積來保證。NOx與NH3的氧化還原反應主要基于催化劑表面活性酸位數(shù)量，該數(shù)量與催化劑比表面積有直接關系，比表面積越大，活性酸位數(shù)量越多，反應進行越迅速，催化效率越高。TiO2粒徑分布也需符合催化劑生產(chǎn)工藝要求。

大孔則是由催化劑生產(chǎn)工序中的焙燒工序產(chǎn)生。提高焙燒溫度［1］可使孔徑增大，小孔數(shù)量急劇減少，大孔數(shù)量明顯增加，使得催化劑仍能保持較好活性。但隨著焙燒溫度的升高，催化劑比表面積減小，單位面積上活性酸位數(shù)量減少，在反應工況不變的情況下，催化活性降低。為此，必須注重催化劑生產(chǎn)工藝中焙燒溫度的控制。

（2） 催化劑配方優(yōu)化。適當調(diào)整催化劑配方中SiO2、Al2O3的比例，也可增加10%助劑硫酸鋁［2］，增加催化劑機械強度，提高催化劑抗磨損性能；增加活性助劑WO3含量，提高催化劑抗堿中毒性能，WO3對SO2轉(zhuǎn)化率有明顯抑制作用，能拓寬催化劑活性溫度窗口，有助于提高催化劑的催化性能。

（3） 改進催化劑模塊設計。針對水泥窯煙氣專用催化劑，為減少積灰，催化劑模塊外框高于催化劑單元體1 cm，頂部不設格柵和入口網(wǎng)。

（4） 提升催化劑選型設計［5］。因水泥窯煙氣中灰塵大多數(shù)熟料回灰，灰塵濃度＞100 g/Nm3，考慮到灰塵對催化劑壁的沖刷磨損，催化劑通常留有較大備用體積量。催化劑層按“3+1”設計，催化劑體積比正常設計體積量多30%～40%的，選用壁厚較大的13孔蜂窩式催化劑作為脫硝任務的主要貢獻者，選用更大孔徑的11孔催化劑作為耐磨層置于催化劑首層，需要時整個耐磨層硬化，提高耐磨強度。近年來，有選用板式催化劑作為耐磨層的成功案例，板式催化劑的載體是不銹鋼網(wǎng)，具有一定彈性，灰塵顆粒沖刷時會因彈性緩沖下落，可大幅度降低積灰量。

4.2" 設計科學合理的催化劑吹灰方案

水泥窯煙氣脫硝的工作重點就是清灰，積灰導致催化劑比表面積衰減較快，降低活性衰減率。高粉塵濃度，粒徑小，流動性很差，形成搭橋，造成催化劑孔道和微孔堵塞，反應器內(nèi)煙氣氣流不暢，反應器溫度降低，達不到催化劑反應溫度，反應器溫度隨著調(diào)試時間增長持續(xù)下降，長時間積灰堵塞，催化劑活性降低，脫硝率下降。

建議“聲波吹灰器+蒸汽吹灰器”聯(lián)合使用。聲波吹灰器震松積灰，蒸汽吹灰器吹掃力度較強，可徹底清掃積灰。

（1） 聲波吹灰器設置。最上面一層吹灰器以20°角傾斜向下安裝，其他層水平布置。第一層吹灰器傾斜安裝主要是考慮到偏轉(zhuǎn)聲波的指向性，使更多的聲波能量作用于積灰面，角度的選擇在于作用范圍與指向性以及聲波反射間的平衡。其他層間吹灰器采用水平布置，主要考慮兩層之間間距較小，聲波可以在此空間內(nèi)多次反射，形成良好的生產(chǎn)，有效地利用聲能，除了可以吹掃下層催化劑，還可以對上層催化劑的底部進行吹掃，各層吹灰器交錯布置，可以產(chǎn)生均勻聲場，消除死角，同時通過聲能的疊加性，提高吹灰效果。

（2） 蒸汽吹灰器設置。每層設置4臺清灰裝置，確保把粉塵吹過催化劑模塊，防止堆積或堵塞，清灰過程逐層進行，始終從頂部催化劑層開始吹灰除塵，清灰徹底，延長使用壽命。

5" SCR脫硝技術的優(yōu)勢

SCR技術是目前控制氮氧化物（NOx）排放最有效的方法之一，特別是在工業(yè)和能源生產(chǎn)領域，如電廠、水泥廠和各種燃燒設施。其主要優(yōu)勢和未來發(fā)展前景可以從以下幾個方面詳細闡述。

（1） 高效脫硝性能。SCR技術能夠?qū)崿F(xiàn)高達90%以上的NOx去除率，這是因為SCR反應具有很高的選擇性，可以在不生成其他有害副產(chǎn)物的情況下，將NOx還原為氮氣和水。這種高效率使得SCR技術成為嚴格環(huán)保標準下的首選技術。

（2） 操作靈活性。SCR系統(tǒng)可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)有效工作，通常在200～400 ℃之間，可以在各種工業(yè)過程中應用。此外，通過調(diào)整催化劑類型和還原劑噴射量，SCR系統(tǒng)可以根據(jù)具體的操作條件和要求進行優(yōu)化。

（3） 適應性強。SCR技術能夠適應各種燃燒設備和燃料類型，包括煤、油、天然氣以及生物質(zhì)燃料的燃燒。這種廣泛的適應性使得SCR技術可以在全球范圍內(nèi)廣泛推廣。

（4） 政策驅(qū)動。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護要求的提高，越來越多的國家實施了嚴格的NOx排放標準。SCR技術因其高效脫硝能力受到政策支持，許多國家提供了財政補貼和稅收優(yōu)惠以鼓勵其應用。

6" 未來發(fā)展前景

（1） 技術創(chuàng)新。為了進一步提高脫硝效率和降低成本，科研人員和工程師正在開發(fā)新一代催化劑和更先進的控制技術。例如，開發(fā)可以在更低溫度下有效工作的催化劑，或者能夠更好地抵抗毒性物質(zhì)影響的催化劑。

（2） 整合與優(yōu)化。未來的SCR系統(tǒng)可能會與其他排放控制技術（如CO2捕集和存儲技術）結(jié)合，實現(xiàn)更全面的污染控制。同時，通過利用大數(shù)據(jù)和智能算法優(yōu)化系統(tǒng)運行參數(shù)，可以進一步提高SCR系統(tǒng)的能效和反應效率。

（3） 市場擴展。隨著發(fā)展中國家工業(yè)化進程的加快和環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，預計SCR技術在全球的需求將會持續(xù)增長。此外，非傳統(tǒng)應用領域（如船舶和重型車輛）的排放控制，也將成為SCR技術的新增長點。

（4） 環(huán)保法規(guī)的推動。環(huán)保法規(guī)的持續(xù)收緊將推動SCR技術的進一步發(fā)展和應用。企業(yè)為了符合法規(guī)要求，將不得不采用如SCR這樣的高效脫硝技術，以確保其運營的環(huán)境合規(guī)性。

參考文獻：

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修改稿日期：

2024-08-20