汪澜：SCR技术作为最成熟、应用最广的脱硝技术将势在必行

8月25日，由中国水泥网主办的“2020超洁净排放技术交流大会”在浙江湖州盛大召开。中国建筑材料科学研究总院有限公司汪澜教授应邀出席会议并作精彩报告。  

数据显示，2019年，全国水泥产量23.3亿吨，熟料产量15.2亿吨，全国新新型干法水泥生产线1712条。由于基数巨大，虽然国内水泥行业经过几十年的高速发展，污染物减排方面取得长足进步，但每年排放的污染物总量任然巨大，对环境造成较大压力。水泥行业的绿色发展任重而道远。  

水泥行业绿色发展相关产业政策  

近年来，为做好环境治理工作，加快推进生态文明建设。国家层面出台了大量针对工业领域的减排目标和相关政策。  

具体来看：  

《十三五规划》“加快改善生态环境”的战略目标，并明确要“加大环境综合治理力度，大力推进污染物达标排放和总量减排”；  

《大气污染防治行动计划》提出提出“加强脱硫、脱硝等方面的技术研发”；  

大气污染物治理工作是践行“绿水青山就是金山银山”理念和推动生态文明建设的重要内容；  

党中央、国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》对未来三年国家大气污染防治工作进行部署；  

2019年3月5日，李克强总理作《政府工作报告》提出，今年持续推进污染治理，SO2,、NOx排放量下降3%，加强工业、燃煤、机动车三大污染源治理。  

2019年7月，《工业炉窑大气污染综合治理方案》（环大气〔2019〕56号），到2020年，完善工业炉窑大气污染综合治理管理体系，推进工业炉窑全面达标排放，实现工业行业二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等污染物排放进一步下降，促进钢铁、建材等重点行业二氧化碳排放总量得到有效控制。  

汪澜在报告中还指出，工业产品绿色设计示范企业评审对水泥行业发展具有重要意义。  

一方面，绿色设计是按照全生命周期理念，在产品设计开发阶段，系统考虑原料、制造、使用、回收、处理等各个环节对资源环境造成的影响，从源头降低资源消耗，减少污染物产生和排放；另一方面，推行绿色设计，是贯彻落实新发展理念的具体举措，是促进制造业高质量发展的重要内容，是引导绿色生产和绿色消费的有效手段。  

除政策层面的深化以外，在污染物排放标准方面，近年来国内水泥行业也有大幅提升。从《工业企业“三废”排放试行标准》（GB74-73）开始算起，从1973年到2013年，针对水泥行业国内工出台了五项标准，除（GB74-73）以外，还包括《水泥工业污染物排放标准》（GB4915-85）、《水泥厂大气污染污排放标准》（GB4915-96）、《水泥厂大气污染污排放标准》（GB4915-2004）、《水泥工业大气污染污排放标准》（GB4915-2013）。随着标准的更新，国内对水泥行业污染物的要求也不断严格。  

以当前水泥行业执行的《水泥工业大气污染污排放标准》（GB4915-2013）为例，粉尘、二氧化硫、氮氧化物排放指标分别为20-30mg/m³、100-200mg/m³、320-400mg/m³。与此同时，从全球范围来看，我国的现行水泥行业大气污染物排放标准已经实现与国际接轨，甚至严于部分发达国家。  

另外，在国家标准的基础上，国内部分省市也出台了针对地方的超低排放标准，严格程度已经远远超过国家标准。  

汪澜在报告中指出，不久前《重污染天气重点行业应急减排技术指南》（2020年修订版）正式出台。其中，水泥熟料企业绩效分级指标中A级企业，要求水泥窑配备两种及以上低氮燃烧技术+窑尾配备选择性非催化还原（SNCR）/窑尾配备选择性催化还原（SCR）等脱硝技术。  

水泥窑及窑尾余热利用系统，PM、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/m³，氨逃逸≤5mg/m³；烘干系统利用余热；其它产尘点，PM排放浓度不高于10mg5mg/m³。  

上述文件对水泥熟料企业重污染天气应急期间减排措施规定为：  

A级企业，鼓励结合实际，自主采取减排措施。  

B级企业，黄色预警期间：停止使用国四及以下重型载货车辆（含燃气）进行运输。橙色预警期间：限产20%，以“环评批复产能、排污许可载明产能、前一年正常生产实际产量”三者日均值的最小值为基准核算；停止使用国四及以下重型载货车辆（含燃气）进行运输。红色预警期间：停产；停止使用国四及以下重型载货车辆（含燃气）进行运输。  

C级企业，黄色预警期间：停产50%，以生产线计；停止使用国四及以下重型载货车辆（含燃气）进行运输。橙色及以上预警期间：停产；停止使用国四及以下重型载货车辆（含燃气）进行运输。  

D级企业，黄色及以上预警期间：停产；停止公路运输。  

基于上述原因，水泥行业超低排放趋势明显，水泥行业绿色升级势在必行。  

SCR技术进展  

水泥行业粉尘、二氧化硫、氮氧化物三大主要减排目标中，氮氧化物减排难度最大，SCR作为一种高效且成熟的氮氧化物脱除技术，被不少业内人士认为是水泥行业实现超低排放的关键技术方案。  

据汪澜介绍，SCR是由美国Eegelhard公司提出的，并在1959年申请发明专利，日本1972年对SCR技术开始进行探索研究，并率先在1978年实现SCR的工业应用，随后应用于燃油和燃气电站锅炉，后来逐渐向燃煤电站普及，德国于1980年代中期开始在燃煤电站锅炉上采用SCR脱硝技术，美国从1990年代开始对燃煤锅炉进行商业应用。  

我国从1990年代在福建漳州后石电厂600MW机组投运装置投产后，2006年国内首台具有自主知识产权的国华太仓发电600MW机组SCR脱硝工程成功投运。目前已在电厂、钢铁厂、石化、建材等烟气脱硝工程中得到广泛应用。  

SCR的反应机理比较复杂，化学过程是以氨为还原剂，在一定温度和催化剂的作用下，将烟气中的NOX还原成N2和H2O。  

完整的SCR脱硝系统基本包括：1、脱硝反应器；2、还原剂储存及供应系统；3、氨喷射器；4、控制系统四个部分。其中，脱硝反应器是SCR工艺的核心装置，内装有催化剂以及吹灰器等。催化剂是SCR技术的核心，其催化性能的高低直接影响整个脱硝系统的脱硝效率。  

催化剂主要由由主催化剂、助催化剂和载体组成。  

主催化剂，也称活性组分，是必备的组分。其价态、晶粒度及分布情况对催化剂的活性均有影响。  

助催化剂是加入催化剂中的少量物质，没有活性或活性很小，但却能显著改善催化剂的效能（活性、选择性和稳定性等）。助剂，可以是单质，也可以是化合物。其种类、用量和加入方法不同，效能（化学组成、离子形态、酸碱性、晶体结构、表面结构、孔结构、机械强度、活性组分分散状态）不同，进而影响催化剂的活性、选择性及寿命。  

载体，主要对催化剂活性组分及催化助剂起机械承载作用，并增加催化反应表面积及孔结构，提高抗磨损、抗冲击和机械强度；是主催化剂和助催化剂的分散剂、粘合剂、支撑体。  

汪澜表示，催化剂表面积的大小直接影响催化活性的高低。一般催化剂表面积是根据Brunauer-Emmett-Teller提出的多层吸附理论及总结出的BET方程式进行测定和计算。评价催化剂时常采用比表面积的概念，即1g催化剂所暴露的总表面积称为该催化剂的比表面积，m2/g。  

另外，催化剂选择性的量度，是指一定条件下转化为某种目的产品所用反应物的量占转化总量的百分比来表示。影响催化剂选择性的因素，除活性组分外，还与活性组分在催化剂表面上的定位与分布、微晶的粒度大小以及与催化剂或载体的孔容、孔径分布等因素有关  

催化剂失活是导致SCR脱硝效率降低的重要因素。汪澜在报告中指出，催化剂活性随着运行时间的增长而有所降低。主要分为两类：化学变化引起的失活和结构改变引起的失活。  

1、热烧结失活  

催化剂的结焦和热失活正是由于高温而造成的催化剂结构和性能的改变；  

机理有蒸发-冷凝机理、体积扩散机理、晶界扩散机理、金属原子转移等；  

类型：1)比表面积减少，微晶之间发生黏附，微小颗粒黏附聚结成大颗粒，细孔直径增大，孔容减少;2)晶格不完整性减少。高温条件下产生新的介稳表面或使不稳定表面消失，并在扩散阶段发生晶型转变，造成活性部位显著减少。  

2、中毒失活  

碱金属、重金属、碱土金属等引起中毒；  

3、堵塞失活  

催化剂表面沉积的碱土金属化合物主要为CaSO4，其余为CaCO3和Ca3Mg(SiO4)；  

催化剂孔隙积灰堵塞；  

4、磨损失活  

造成催化剂磨损的因素有催化剂结构、催化剂厚度、表面材料抗屈服强度、颗粒物浓度、硬度、烟气流速和磨损时间等；  

加固后催化剂顶部相对完整，而其内部通道已明显磨损；  

粉尘冲刷、酸性气体腐蚀等的共同作用将使催化剂收到损伤。  

汪澜表示，当前SCR催化剂型式主要分为三类。蜂窝式单元，占市场份额60~70%，经模具挤压成型后煅烧而成。单位体积催化剂活性高，适合灰分较低、灰粘性较小的烟气环境；平板式单元，占市场份额仅次于蜂窝式。具有较强抗腐蚀性和防堵塞特性，适用于高灰分及灰粘性强的烟气环境，但单位体积催化活性低，相对载荷高、体积大、需要使用钢结构；波纹板式单元，占市场份额低，以玻璃纤维或陶瓷纤维作为骨架、结构坚硬，催化剂孔径较小、单位体积催化效率较高，适用于灰分较低的环境，多用于燃气机组。  

SCR在水泥行业工程应用  

在水泥行业，SCR脱硝技术原理为：利用还原剂（NH3或尿素）将烟气中的NOx还原为N2和H2O，脱硝效率通常在90%以上，可将NOx排放浓度控制在50mg/m³以下。  

相比于过程减排和SNCR技术，SCR脱硝效率更高，可以满足水泥企业氮氧化物超低排放要求。因此，汪澜认为，水泥工业采用SCR脱硝技术将势在必行。  

水泥行业SCR脱硝布置位置主要有三处：一级预热器出口处、余热锅炉后、除尘装置后，由于不同位置工况环境不同，布置方式也存在差异。  

汪澜在报告中介绍了大量国外SCR应用案例，基本降低到200mg/m³浓度以下。  

以LengfurtCementPlant为例，采用低尘SCR，氮氧化物排放量降低到200mg/m³以内。  

在国内，山东济宁海螺水泥高温高尘SCR项目于2019年08月21日投产运行，整个系统阻力不到400Pa，高温风机电耗增加不多。SNCR已经停用，进口NOx浓度在600～700mg/Nm³,出口浓度在50～60mg/Nm³，氨水（20%浓度）使用量在600kg/h左右，氨逃逸稳定在2～3mg/Nm³左右。全面实现了NOx排放≤100mg/Nm³，氨逃逸≤8mg/Nm³的目标。  

登封宏昌水泥高温中尘SCR项2018年底投运，工艺路线选择SNCR脱硝+预除尘（40g/Nm³）+SCR脱硝，SCR布置在一级预热器出口，NOx排放浓度<50mg/Nm³。  

中低温SCR技术研究与工程应用  

据汪澜介绍，基于国家政策及重大技术需求，针对水泥窑中低温SCR，中国建材总院开展技术研究工作。  

基于环保要求，中国建材总开发了一系列适用于不同工况条件的中低温SCR脱硝催化剂；脱硝率可以达到90%以上；具有较高的抗硫、抗水、抗碱性；通过添加助剂和端部增强，催化剂具有较高的耐磨性；在多条水泥、玻璃、氧化铝生产线开展试验，能够将反应器出口NOx浓度控制在100mg/m³以下。  

在某5000t/d生产线中进行中低温SCR中试结果显示，反应空速≤3000h-1，不补氨的情况下反应器出口NOx浓度可稳定在50mg/Nm³以下，达到超低排放标准。另外，适宜的烟气流速有助于NOx、NH3在催化剂蜂窝体内扩散吸附，提高SCR系统的脱硝效率。  

补氨后，脱硝效率进一步提高，出口浓度可稳定在20mg/Nm³以内；随着补氨量的增加，脱硝效率大幅提升。  

汪澜表示，中低温SCR，要综合考虑距离、覆盖面积、气流速度/强度、粉尘影响因素，开发新型吹灰器，提高吹灰效率，避免催化剂堵塞，降低催化剂磨损。在粉尘浓度60g/m³条件下，可以实现稳定运行。  

汪澜还指出，自中试示范投运开始，截至目前已连续运行1.5年，通过中试示范，验证中低温SCR脱硝催化剂机械化学性能的长期稳定性，同时也验证了中低温高尘SCR工艺技术路线的可行性；。  

2019年8月17日，水泥窑中低温SCR脱硝催化剂研发及应用”通过由中国建材联合会组织的项目鉴定，达到国际先进水平。  

5000t/d水泥生产线中低温SCR工程建设方案  

5000t/d水泥生产线中低温SCR工程建设方案技术经济分析依据表  

5000t/d水泥生产线中低温SCR工程建设方案运行主要技术经济指标  

汪澜在报告中从环境效益、社会效益、经济效益三个方面对5000t/d水泥生产线中低温SCR工程建设方案进行了总结。  

环境效益：显著降低水泥企业NOx排放量，可实现超低排放标准；1条5000t/d生产线采用SCR技术可实现NOx减排1620吨/年；水泥行业推广率10%可实现NOx减排14万吨/年。  

社会效益：提升水泥行业环保水平；为水泥行业升级改造和供给侧改革提供技术支撑；为其他非电行业的超低排放提供技术经验。  

经济效益：采用中低温SCR技术增加运行成本不大于4元/t-熟料；不影响现有水泥窑炉生产工艺，不影响余热锅炉发电；中低温SCR技术具有广阔的应用前景。  

汪澜最后指出，水泥行业NOx深度减排是行业绿色发展，转型升级的重要标志，也是践行两山理论，打赢三年蓝天保卫战的重要内容；减排NOx的同时须关注NH³、CO排放过量的问题；SCR技术作为最成熟、应用最广的脱硝技术将势在必行。