康建喜

(咸陽陶瓷研究設(shè)計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

在我國陶瓷工業(yè)中，目前國內(nèi)針對陶瓷煙氣污染控制，除塵、脫硫技術(shù)已經(jīng)成熟，但對NOx、氟化物、氯化物及重金屬等污染物的控制技術(shù)研究和應(yīng)用嚴(yán)重滯后或缺乏。對于建筑陶瓷生產(chǎn)而言，煙氣的排放有2處：①噴霧干燥塔的燃燒爐排放的煙氣；②陶瓷輥道窯燃燒后排放的煙氣。對于噴霧塔熱風(fēng)爐煙氣的脫硝可以借鑒電力行業(yè)的高溫脫硝技術(shù)，需要研發(fā)適用于陶瓷噴霧干燥塔高溫脫硝技術(shù)。對于大量的陶瓷輥道窯排放的煙氣經(jīng)過一次余熱利用后，煙氣的溫度較低 (一般都在150 ℃左右)，中低溫?zé)煔獾拿撓跫夹g(shù)在其他行業(yè)研究、應(yīng)用比較薄弱，而陶瓷工業(yè)煙氣中低溫脫硝的技術(shù)研究更是薄弱。因此，基于國內(nèi)陶瓷行業(yè)煙氣需要脫硝技術(shù)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，開展陶瓷煙氣脫硝技術(shù)的研究和應(yīng)用將是我國陶瓷煙氣污染控制的重要的發(fā)展方向之一。

1 陶瓷行業(yè)煙氣特性

根據(jù)目前陶瓷行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模及燃料使用情況，陶瓷噴霧塔煙氣的主要污染物有粉塵、SO2和NOx，其排放參數(shù)如下：

1)煙氣的排放溫度：80～110 ℃；

2)噴霧塔燃燒爐燃燒的溫度：850～1 100 ℃；

3)粉塵：7 000～9 000 mg/Nm3；

4)SO2：堿性漿液吸收部分SO2；(水煤漿)≤300 mg/Nm3；(粉煤)1 000～2 000 mg/Nm3；

5)NOx：500～700 mg/Nm3；

6)煙氣中的水分比較大，有洗塔、超高溫、超低溫情況。

陶瓷輥道窯爐煙氣主要污染物有粉塵、SO2和NOx，其排放參數(shù)如下：

1)煙溫：(燒成窯) 300～380 ℃；(干燥窯)140～180 ℃；

2)粉塵：70～100 mg/Nm3；

3)NOx:400～600 mg/Nm3；

4)SO2:800～1 000 mg/Nm3。

2 陶瓷煙氣污染物的脫硝控制技術(shù)

陶瓷煙氣中的污染物——粉塵與SO2的控制技術(shù)移植于火電行業(yè)的技術(shù)，在陶瓷行業(yè)中的應(yīng)用使得該技術(shù)能夠適應(yīng)陶瓷行業(yè)的煙氣特性，目前該技術(shù)比較成熟，筆者僅對陶瓷煙氣的脫硝技術(shù)展開研究。

在噴霧干燥塔的燃燒爐處，該位置的溫度一般為850～1 100 ℃，該地方煙氣的脫硝采用陶瓷行業(yè)適用的新型選擇性非催化還原 SNCR技術(shù)。

在850～1 100 ℃的溫度窗口下，將含氨基的還原劑(如氨水，尿素溶液等)噴入爐內(nèi)，將煙氣中的NOx還原脫除，生成氮氣和水的清潔脫硝技術(shù)。在合適的溫度區(qū)域，且氨水作為還原劑時，其反應(yīng)方程式為：

新型陶瓷行業(yè)適用的SNCR煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率可達(dá)到50%，并且其工程造價低，占地面積小，適用于噴霧塔煙氣的脫硝。

在輥道煙氣的排放當(dāng)中，輥道窯的燒成階段——燃燒處燃燒的溫度雖然在SNCR溫度窗口，但因其脫硝工藝會改變陶瓷件的燒成氣氛(將燒成氣氛由氧化氣氛變?yōu)檫€原氣氛)，在燒成工藝上是不允許的。輥道窯的余熱還需作為熱源去干燥素坯，因此陶瓷輥道窯煙氣最佳的脫硝工藝位置在干燥完素坯以后的工序。

陶瓷輥道窯的煙氣最終的排放溫度比較低，為了實現(xiàn)NOx的超低排放，只能研發(fā)新型選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)，同時通過工藝優(yōu)化、運行參數(shù)調(diào)整等手段來實現(xiàn)NOx的超低排放。

新型低溫SCR技術(shù)是在O2和催化劑存在的條件下，在120～300 ℃溫度窗口內(nèi)，用還原劑NH3將煙氣中的NOx 還原為N2和H2O，反應(yīng)原理如下：

對于低溫?zé)煔饷撓酢x擇性催化還原脫硝系統(tǒng)而言， 催化劑是SCR技術(shù)的核心部分，決定了SCR系統(tǒng)的脫硝效率和經(jīng)濟性，其建設(shè)成本占煙氣脫硝工程成本的20%以上，運行成本占30%以上。

催化反應(yīng)原是NH3快速吸附V2O5表面的B酸活性點，與NO按照Eley-Rideal機理反應(yīng)形成中間產(chǎn)物， 分解成N2和H2O， 在O2的存在下，催化劑的活性點很快得到恢復(fù)，繼續(xù)下一個循環(huán)。

反應(yīng)步驟可分解為以下6個步驟：

1)NH3擴散到催化劑表面；

2)NH3在V2O5上發(fā)生化學(xué)吸附；

3)NO擴散到催化劑表面；

4)NO與吸附態(tài)的NH3反應(yīng)生成中間產(chǎn)物；

5)中間產(chǎn)物分解成最終產(chǎn)物N2和H2O；

6)N2和H2O離開催化劑表面向外擴散。

陶瓷行業(yè)催化劑主要是金屬氧化物催化劑，該種技術(shù)較為成熟。陶瓷行業(yè)催化劑在前期火電行業(yè)催化劑技術(shù)上進行擴展性研究，通過載體改性、優(yōu)化活性組分負(fù)載方法，提高了催化劑活性組分活性位濃度；通過金屬離子摻雜及離子價態(tài)控制，抑制反應(yīng)中二氧化硫氧化率，提高抗堿金屬中毒能力；通過控制催化劑表面微觀結(jié)構(gòu)提高催化劑抗水性。結(jié)合BET、XRD、TPD、TPR、XPS等技術(shù)對催化劑進行表征，建立催化劑活性與催化劑微觀性質(zhì)的相關(guān)聯(lián)系。通過煙氣工況模擬臺架，采用原位紅外方法，分析硫和水氣中毒原理；通過在催化劑上摻雜不同堿金屬離子，研究催化劑的抗堿金屬能力，通過微觀表征手段分析堿金屬對催化劑的微觀性質(zhì)的影響。通過研究原料預(yù)處理工藝及配比，分析各原料工藝性能及其對催化性能的影響，調(diào)整工藝配方；通過研究各工序過程及參數(shù)對催化性能影響，建立合理工藝路線；根據(jù)陶瓷輥道窯爐煙氣工況條件，計算催化劑有效孔截面積及模塊壓降阻力，設(shè)計催化劑蜂窩結(jié)構(gòu)及模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)，最終建立催化劑在陶瓷輥道窯工況條件下的催化劑模塊設(shè)計方案。

3 陶瓷行業(yè)脫硝工藝技術(shù)路線

對于建筑陶瓷工業(yè)煙氣脫硝方案的設(shè)計，主要設(shè)計依據(jù)如下：

1)熱風(fēng)爐SNCR脫硝技術(shù)。由于干燥塔前端的熱風(fēng)爐煙氣溫度較高(850～1 100 ℃)，符合SNCR脫硝溫度范圍，且SNCR投資成本低，運行可靠，因此，在噴霧干燥塔前端的熱風(fēng)爐進行SNCR法脫硝治理，保證50%以上的脫硝效率。

2)窯爐低溫SCR脫硝技術(shù)。由于陶瓷窯排放煙氣溫度較低，排煙溫度為130～180 ℃，這個溫度符合低溫SCR脫硝的溫度窗口。

設(shè)計的技術(shù)路線如下：

綜上所述，通過對陶瓷工業(yè)燃燒器的低氮燃燒改造、選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)、非催化還原(SNCR)煙氣脫硝技術(shù)，協(xié)同高效脫硫、除塵綜合治理處置技術(shù)，陶瓷工業(yè)的煙氣完全可以達(dá)到最新的環(huán)保要求。整個系統(tǒng)的脫硝、脫硫、除塵等協(xié)同處置系統(tǒng)技術(shù)先進、成熟可靠，整套技術(shù)可以在陶瓷行業(yè)及其它類似行業(yè)推廣應(yīng)用。