SCR脱硝技术在非电行业烟气治理中的应用进展

1 非电行业烟气特点及处理技术分析

非电行业包括钢铁、焦化、水泥、玻璃、垃圾焚烧和建材等企业。近年来,焦化和钢铁等非电行业消耗量几乎与电力行业等同。但非电行业污染物排放标准和治理水平远低于燃煤电站行业,导致其NOx、SO2和颗粒物(PM)排放量占全国3/4以上。其超低排放改造推进缓慢的原因包括治理标准待完善、环保监管难度大和缺乏经济可行的技术方案等,这些都与非电领域范围广、细分行业多、不同行业间生产工艺不同而导致的污染排放特性差异大的特点密切相关。

1.1钢铁行业烟气特点及脱硝技术应用进展

2015年,中国钢铁企业NOx排放量达97.2万t,占NOx总排放量的8%。钢铁生产工序繁多且各工序主要排放污染物种类多而不同。其中烧结工序是气态污染物排放最为严重的工序。该工序排放的PM、SO2和NOx等污染物分别占钢铁企业排放总量的35%、70%和50%以上。钢铁行业烧结烟气具有以下特点:

(1)烟气量大,每生产1 t烧结矿产生4 000～6 000 m3烟气。

(2)烟气成分复杂,含有HCl、SO2、NOx和HF等多种腐蚀性气体,铅、锌和汞等重金属,二噁英等有毒气体和大量粉尘(浓度达10 g/m3)。

(3)SO2浓度高且变化大,烟气中SO2浓度一般为1000～1500 mg/m3,甚至可达3000～5000 mg/m3。

(4)烟气温度低且波动范围大,烧结烟气温度在120～180℃,采用低温烧结技术时甚至低至80℃。

(5)含湿量和含氧量高,含湿量一般为7%～13%,含氧量达15%～18%。

目前,应用于烧结烟气超低排放治理的主要有3种技术方案,即SCR法、活性焦法和氧化法。采用以上3种方法,既满足目前环保标准,也易于改造以满足更加严格的环保标准。

SCR法、活性焦法和氧化法在烧结烟气治理方面的优缺点 

1.2水泥行业烟气特点及脱硝技术应用进展

我国是水泥主要生产国,水泥生产导致NOx排放约200万t/a,占全国NOx工业排放量的15%。水泥窑炉烟气及烟尘特点:

(1)灰分含量高,预热器后灰尘含量高达80～120 g/m3。

(2)烟气成分复杂,具有黏性,极容易导致催化剂堵塞。

(3)灰分中CaO含量高,其中高粉尘浓度是水泥窑炉烟气的最大特点。

水泥厂分解炉烟气温度为850～1200℃,烟气停留时间仅5s,适合选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术(温度范围为850～1100℃,反应时间约200ms)的应用。结合炉内控制技术(如低氮燃烧器),NOx可控制在较低水平。但环境保护标准日趋严格,必须采用SCR脱硝工艺。

水泥行业烟气余热梯级利用,烟气高温和清洁不可兼得,SCR工艺只能选择高温高粉尘或低温低粉尘条件。为保护催化剂,首选低温低粉尘条件设置SCR工艺。但由于烟气中仍有碱金属和碱土金属含量高的粉尘及少量SO2,导致催化剂堵塞、磨损和中毒失效,因此迫切需要开发和使用抗中毒能力强的催化剂。

1.3玻璃行业烟气特点及脱硝技术应用进展

我国是玻璃生产大国,玻璃工业NOx排放量约14万t/a。玻璃行业烟气特点如下:

(1)NOx含量高(通常在2 000mg/m3以上)。

(2)烟道出口温度高(450～550℃)。

(3)烟气波动大,玻璃炉窑换火操作,炉内温度先迅速降低再迅速升高,烟气量和烟气组分波动较大。

(4)烟气成分复杂,含有多种酸性气体(HCl和HF等);碱金属(Na盐和K盐等)和碱土金属(Ca盐等)含量高,并有一定黏附性和腐蚀性;燃料对烟气污染物影响明显(如表3)。

玻璃熔窑烟气脱硝普遍采用SCR技术。典型玻璃熔窑烟气SCR脱硝工艺流程如图1所示。该工艺的优势在于:

(1)烟气先经余热锅炉再进入SCR反应器,既满足最佳脱硝温度条件,也可回收部分热量。

(2)脱硝前除尘,显著降低对SCR催化剂的冲刷及毒化作用。该工艺尤其适用于以石油焦和重油为燃料的复杂烟气条件,是目前玻璃厂改造以及新建玻璃厂配套脱硝工程的首选方案。

 1.4垃圾焚烧行业烟气特点及脱硝技术应用进展

我国2015年城市垃圾排放量达2.5亿吨,约有2/3城市面临“垃圾围城”压力。具有处理量大、卫生而且能实现资源回收利用的垃圾焚烧发电技术日益成为城市垃圾处理优先采用的技术。截至2015年,我国在运营的垃圾焚烧发电厂达220座,垃圾焚烧处理量达62 Mt/a,占垃圾处理量的32%。对焚烧排放烟气的治理是该方法实现进一步大力推广的关键因素。

垃圾焚烧发电厂烟气成分复杂,除氮氧化物外,还伴有硫氧化物、氯化物、碱金属和重金属等(平均NOx342 mg/m3,SO2314 mg/m3,HCl 279 mg/m3)。应用SNCR技术脱硝可达到低于200 mg/m3的标准,但难以达到未来更低标准(<100 mg/m3)。我国目前采用“SNCR+半干法脱酸+活性炭喷射+布袋除尘”的主流技术路线能满足现在的环保要求,但要满足更加严格的环保要求,SCR技术不可缺少。

通过前面分析可以看出,一方面,SCR脱硝技术在钢铁企业和玻璃企业有着较大的应用需求。另一方面,尽管水泥厂和垃圾焚烧发电厂采用炉内控制技术及其与SNCR结合的方式,都能满足目前的环保要求,但随着环保标准的日趋严格,SCR技术同样不可缺少。因此,尽管非电领域不同行业间烟气特点差异明显,适用的烟气治理方式也不完全相同,但SCR脱硝技术在非电领域脱硝治理中有着广阔的应用空间。

催化剂是SCR脱硝技术的核心,但非电领域烟气环境复杂,通常含有高浓度SO2,玻璃烟气中含有大量碱金属(Na盐和K盐等),水泥烟气中含有大量CaO,垃圾焚烧烟气中含有大量挥发性有机物,SCR工艺所处理烟气温度往往较低(低于300℃)。因此,提高催化剂反应活性的同时,增强抗中毒能力(抗硫铵盐中毒和抗碱金属中毒)及多污染物协同脱除能力,对催化剂在非电领域的应用具有重要意义。

非电领域自身范围广、细分行业多,不同行业间生产工艺差异大,污染排放特性各不相同,相应的污染物治理工艺也不完全相同。而脱除效率高、易升级改造的SCR脱硝技术对满足现在和将来的非电领域烟气脱硝需求具有重要意义。同时,含有一定浓度SO2、碱金属和碱土金属含量高、挥发性有机物含量高及低温的烟气环境将是SCR催化剂面临的严峻考验。因此,提高SCR催化剂低温活性,同时提高抗硫铵盐、抗碱金属和碱土金属中毒能力,增强催化剂对NOx和VOCs的协同脱除性能,是未来SCR催化剂发展的重要方向。