水泥窑SCR脱硝清灰系统设计选型与运行控制

选择性催化还原（SCR）脱硝技术成熟、效率高（可达到90%以上）、NOx排放浓度低（可降低到50 mg/Nm3以下）、运行可靠，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C1预热器出口或余热锅炉出口，烟气中粉尘浓度高、粒径小、碱性成分大且黏性高，对钒钛类脱硝催化剂会造成严重影响，长期运行会使粉尘沉积在催化剂表面和堵塞在催化剂微孔内，使反应器阻力增大，脱硝效率降低。所以需要选择适合水泥窑烟气特性的吹灰器，及时清除沉积在催化剂表面的灰尘，保证SCR脱硝系统长期稳定运行。

1. 吹灰器的选择

各行业SCR脱硝催化剂清灰装置普遍采用耙式蒸汽吹灰器、耙式压缩空气吹灰器和声波吹灰器[3]。吹灰介质为低压蒸汽和压缩空气。由于水泥窑余热锅炉产汽量有限，采用蒸汽吹灰对余热电站影响较大。所以水泥窑SCR脱硝吹灰器采用耙式压缩空气吹灰器和声波吹灰器。

1.1耙式压缩空气吹灰器

其原理是利用高温压缩空气高速喷出形成高压射流，产生较大冲击力吹掉催化剂表面和微孔内的积灰，随烟气带走，以达到清除积灰的目的。吹灰介质采用温度150~200 ℃的压缩空气，气源压力0.8~1.0 MPa。耙式吹灰器主要由本体、主管、滚动吊架、横耙管、吹灰孔等部件组成，其结构为在主管上间隔2.5~3 m左右（一个行程）焊接一个横耙管，横耙管垂直催化剂表面方向开有间距40~60 mm左右的吹灰孔，压缩空气自吹灰孔沿烟气流动的方向吹扫催化剂表面的积灰，吹灰器移动一个行程后压缩空气吹扫就覆盖了SCR反应器内的整个催化剂表面。图1为耙式压缩空气吹灰器结构示意。

 

图1　耙式吹灰器结构示意

耙式压缩空气吹灰器的优点是清灰力度大，对于黏度较大的积灰清除效果好。缺点是带压空气长时间作用在催化剂表面，造成催化剂疲劳损坏。由于催化剂的特殊结构，通道微小、内部结构不规则、压缩空气介质充满度较低，存在吹灰死角，因而对于催化剂内部积灰以及SCR反应器边缘积灰的处理效果减弱。另外，耙式压缩空气吹灰器清灰时瞬时耗气量大，约36~60Nm3/min，且需要保证喷出的压缩空气压力不小于0.4~0.5MPa，需要较大功率的空气压缩机作为气源，吹灰能耗较高。以某5?000 t/d水泥窑SCR脱硝工程为例，需要2台160 kW的空气压缩机投入运行。

1.2　声波吹灰器

SCR脱硝大多采用膜片式声波吹灰器，其主要工作原理为以压缩空气为动力源，膜片在发声器谐振腔体内振动，产生特定低频、高能量声波，通过扩声筒在被清设备气体媒质声场中以球面纵波的形式谐振传播，作用于积灰物体表面的积灰，使其产生振动致疲劳而松脱，气流就可将粉尘带走，达到清除积灰的目的。声波吹灰器发生的声音频率高于催化剂的共振频率，不会对催化剂造成损害，声波吹灰器按设定程序间隔循环运行，完成清灰任务。图2为声波吹灰器结构图。

 

图2　声波吹灰器结构示意

由于声波的全方位传播和空气质点高速周期性振荡，声波吹灰器可以使催化剂表面上的积灰变得松散，很容易被烟气流冲走，清灰范围全覆盖，不存在清灰死角的问题；同时，由于声波吹灰属于非接触式的清灰方式，不会对催化剂造成磨损，更好地保护了催化剂。另外，声波吹灰器耗气量小，瞬时最大耗气量在1.14~2.28 Nm3/min，无需新增空气压缩机，吹灰能耗小。但是声波吹灰器能量较小，无法清除黏结性积灰、严重的堵灰和坚硬的灰垢。

1.3清灰方式的选择

水泥窑尾烟气粉尘浓度高达80~120 g/Nm3，粉尘主要由CaO、未煅烧分解的CaCO3、SiO2、Al2O3等物质组成，颗粒小，黏性高。特别是水泥窑启停比较频繁，停窑阶段，随着烟气温度降低到水露点以下，烟气中凝结出的水分会与催化剂表面的积灰混合，干燥后形成坚硬的碳酸钙或硫酸钙灰垢。由水泥窑烟气粉尘特性可知，声波吹灰器无法单独完成水泥窑SCR清灰任务。

目前国内已投运的水泥窑SCR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，将催化剂表面积灰振动松散，耙式压缩空气吹灰器更容易将粉尘吹起，清灰更彻底。耙式压缩空气吹灰器采用周期运行间歇补气的工作方式进行吹灰，如果配合声波吹灰器的运行就可以减少耙式吹灰器的投运频率，延长耙式吹灰器的投运时间间隔，将会降低水泥窑SCR耙式压缩空气清灰系统的运行电耗。

 

图3　声波清灰系统流程2　清灰系统的选型设计

在清灰系统设计时，耙式压缩空气清灰系统和声波吹灰系统是相互独立的，即无论单独运行何种清灰系统，都应保证足够好的清灰效果。虽然目前在水泥窑SCR脱硝系统单独运行声波清灰器无法长期保证清灰效果，但可以使积灰松散，让耙式清灰更容易、更彻底。此外，可以减缓耙式吹灰器存在清灰死角的地方积灰，如耙式吹灰器支撑梁、主管和横耙管，反应器边缘、部分催化剂微孔内的积灰。

2.1.声波吹灰系统

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浓度大、黏度高的特性，导致声波吹灰器在径向和轴向的有效作用范围变小，所以在声波吹灰器的布置方案上不同于电力、钢铁行业。

2.1.1系统流程设计

声波吹灰器的耗气量小，所需压力为0.45~0.6 MPa，无需新增压缩空气供应系统。气源引接自工厂现有压缩空气母管即可。图3为某5?000 t/d水泥窑SCR脱硝工程声波清灰系统流程图。

2.1.2　布置设计

为获得更好的清灰效果，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3 m设计，轴向清灰距离5~6 m设计。距离催化剂上表面高度0.6~0.9 m。图4为某5?000 t/d水泥窑SCR脱硝工程声波吹灰器布置图。

 

图4　声波吹灰器布置

2.2　耙式压缩空气清灰系统

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。

2.2.1系统流程设计

吹灰介质压缩空气由空气压缩机提供，为避免油污和水分锈蚀损坏管路、仪表和阀门等设备，杂质堵塞吹灰器喷孔，空气压缩机出口安装压缩空气过滤器及干燥机。为稳定气源压力和流量，设置压缩空气缓冲罐，并在缓冲罐出口安装在线压力变送器，对气源压力进行实时监测。压缩空气从耙式吹灰器吹灰孔喷射而出，将积灰清除。为防止压缩空气干燥不彻底，有冷凝水随压缩空气喷出接触催化剂，加剧催化剂损坏和中毒，设计了压缩空气加热系统，保证吹灰器前压缩空气温度大于水露点。目前国内的水泥窑SCR项目吹灰用压缩空气温度通常保证在150~200 ℃。图5为某5?000 t/d水泥窑SCR脱硝工程耙式压缩空气清灰系统流程图。

 

图5　耙式压缩空气清灰系统流程

2.2.2　布置设计

国产耙式压缩空气吹灰器吹灰孔间隔40~60 mm，单个吹灰孔耗气量约0.3~0.4 Nm3/min，吹灰孔距离催化剂表面高度约200 mm，吹灰压力不小于0.4 MPa。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2~3 m，图6为某5?000 t/d水泥窑SCR脱硝工程单层催化剂耙式吹灰器布置图。

 

 

图6　耙式压缩空气吹灰器布置3　吹灰器的运行控制

水泥窑SCR声波吹灰器运行控制与电力、钢铁等其他行业基本相同，控制逻辑由设备供货厂家提供。耙式压缩空气吹灰器作为水泥窑SCR脱硝清灰的主要技术手段，在运行控制上与电力、钢铁等其他行业有很大的不同。所以本章节只针对耙式压缩空气吹灰器的运行控制进行阐述和说明。

以某5?000 t/d水泥窑为例，SCR初装3层13孔蜂窝式催化剂，运行后第一层催化剂（首先与烟气接触）的压差最大约150~200 Pa，第二层与第三层相当，每层催化剂压差约100 Pa。这主要是由于第一层催化剂最先与烟气接触，刚进入SCR反应器的烟气流场不均匀，更容易积灰，而经过第一层催化剂均流后，进入第二层和第三层催化剂的烟气流场已经十分均匀，相较于第一层催化剂不容易积灰。耙式压缩空气吹灰器运行控制，需要围绕水泥窑SCR运行积灰特点进行设计，容易积灰的催化剂层应加强吹灰频次。

该项目3层催化剂对应布置3层耙式压缩空气吹灰器，每层4台，设备编号第一层（吹灰器01~04），第二层（吹灰器05~08），第三层（吹灰器09~12）。

耙式吹灰器按下述方式运行：

（1）第一层耙式吹灰器01~04顺序启动，每次一台耙式吹灰器运行，从初始端往末端走，到达末端停止运行。4台吹灰器依次运行。

（2）第二层耙式吹灰器05~08顺序启动，每次一台耙式吹灰器运行，从初始端往末端走，到达末端停止运行。4台吹灰器依次运行。

（3）第一层耙式吹灰器01~04顺序启动，每次一台耙式吹灰器运行，从末端往初始端走，到达初始端停止运行。4台吹灰器依次运行。

（4）第三层耙式吹灰器09~12顺序启动，每次一台耙式吹灰器运行，从初始端往末端走，到达末端停止运行。4台吹灰器依次运行。

然后重复前述的四步。

这样以上8个程序全部完成则为1个耙式吹灰器清灰周期。可见第一层催化剂的吹灰频率高于第二层和第三层。按这种方式运行，反应器压差（不含进出口烟道）维持在350~450 Pa，取得了良好的运行效果。

4　结论

（1）水泥窑烟尘具有浓度高、黏性大的特性，易造成催化剂堵塞和中毒。经分析和实践证明，耙式压缩空气吹灰器+声波吹灰器联合吹灰方式技术成熟，清灰效果良好。

（2）为增强声波吹灰效果，可对向布置声波吹灰器，相邻2个声波吹灰器间隔2.5~3 m；耙式压缩空气吹灰器为单侧布置，相邻两个耙式压缩空气吹灰器间隔2~3 m。

（3）水泥窑SCR第一层（首先接触烟气）催化剂压差大于其他催化剂层，运行时需要加强第一层耙式压缩空气吹灰器的吹扫频率，要有合理的运行控制逻辑。