[原創(chuàng)]如箭在弦 超低排放百家爭鳴誰領(lǐng)風(fēng)騷？

超低排放的概念最早由浙能集團(tuán)在2011年提出，主要針對電力行業(yè)三大污染物（煙塵、二氧化硫、氮氧化物）提出控制指標(biāo)，排放濃度要求分別不超過5mg/m³、35mg/m³、50 mg/m³。隨后該標(biāo)準(zhǔn)在火電行業(yè)全面推行，并逐漸成為標(biāo)配。

具體到水泥行業(yè)，大概在2016年左右，該概念被引入，并逐步被業(yè)內(nèi)所重視。到2020年，生態(tài)環(huán)境部下發(fā)《關(guān)于在疫情防控常態(tài)化前提下積極服務(wù)落實(shí)“六?！比蝿?wù) 堅(jiān)決打贏打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》，在《意見》中第一次明確提出水泥超低排放的要求。

業(yè)內(nèi)專家曾告訴筆者，在完成火電、鋼鐵等行業(yè)的超低排放政策制定之后，水泥行業(yè)的超低排放有望成為大氣治理政策下一步重點(diǎn)推進(jìn)方向。事實(shí)上，在生態(tài)文明建設(shè)大背景下，水泥作為傳統(tǒng)的“兩高一資”行業(yè)，進(jìn)一步提升排放標(biāo)準(zhǔn)可謂勢在必行。

近年來，包括河北、河南、安徽、北京、福建、貴州、廣東等省市在內(nèi)，都結(jié)合地方實(shí)際相繼出臺了水泥行業(yè)超低排放政策，旨在進(jìn)一步嚴(yán)格水泥行業(yè)主要污染物排放指標(biāo)。其中，河北唐山標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)，對粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10mg/m³、30 mg/m³、50 mg/m³，并要求在去年底之前完成改造。

超低排放是水泥行業(yè)綠色發(fā)展的必然

當(dāng)前，國內(nèi)水泥超低排放仍然粗在探索期，各地缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施計(jì)劃，“各自為政”的成分較多，但這并不影響超低排放在不久的將來成為水泥行業(yè)標(biāo)配，究其原因在于：

1、水泥生產(chǎn)過程對環(huán)境的污染難以避免。

水泥生產(chǎn)過程可以簡單理解為，用煤炭將石灰石燒成熔巖再冷卻粉磨的過程。這一過程需要大量煤炭消耗，進(jìn)而產(chǎn)生二氧化硫、氮氧化物及粉塵等污染物。另外，在1500℃左右高溫環(huán)境下，氮?dú)馀c氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氮氧化物，而水泥熟料燒成溫度也基本處于本區(qū)間內(nèi)，火焰溫度甚至高達(dá)1700℃以上，由此也會導(dǎo)致大量熱力型氮氧化物產(chǎn)生。

水泥作為一種建筑材料，從誕生到現(xiàn)在，各個(gè)時(shí)代從業(yè)者都在為實(shí)現(xiàn)更低能耗，更低污染物排放對生產(chǎn)工藝進(jìn)行不斷改進(jìn)，但是基于水泥生產(chǎn)本身高溫、高資源消耗特性，污染物排放可以相對降低卻始終難以避免。

2、我國水泥產(chǎn)量巨大，加大了環(huán)境壓力。

現(xiàn)有各省市公布的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，基本都大幅度嚴(yán)于歐美水泥行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，但考慮到我國巨大的水泥工業(yè)體量，嚴(yán)于歐美的排放標(biāo)準(zhǔn)是必須的。

中國水泥網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，1979年全國水泥產(chǎn)量僅為0.74億噸，但是到2014年全國水泥產(chǎn)量達(dá)到24.92億噸，增長了30多倍。如今全國水泥產(chǎn)量基本維持在22億噸左右。

由于基數(shù)巨大，即便國內(nèi)水泥行業(yè)在污染物減排方面已經(jīng)成果豐碩，但排放總量仍然龐大，并給環(huán)境造成巨大壓力。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在我國水泥工業(yè)顆粒物排放量占全國的15-20%，SO₂排放量占全國的3-4%，NOx排放量占全國的10-12%。

水泥作為一種剛性需求的建材產(chǎn)品，且在可以預(yù)見的未來較長一段時(shí)間內(nèi)難以出現(xiàn)替代產(chǎn)品。因此，水泥生產(chǎn)的污染物減排問題顯得尤為重要，用最少的資源和環(huán)境代價(jià)，滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求，是水泥行業(yè)一個(gè)永恒的話題，也是推行超低排放的根本目的。

氮氧化物減排難度為何巨大？

水泥行業(yè)推行超低排放勢在必行，但相比于資金投入，更難的還是體現(xiàn)在技術(shù)層面。

水泥生產(chǎn)存在三大主要污染物（粉塵、二氧化硫、氮氧化物）。其中，粉塵治理難度最低，目前國內(nèi)水泥企業(yè)基本能夠做到10mg/m³的排放標(biāo)準(zhǔn)，即使未來粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步嚴(yán)格，也基本能夠應(yīng)對；二氧化硫治理方面，但由于水泥生產(chǎn)工藝本身具備脫硫特性，因此國內(nèi)水泥熟料企業(yè)需要加裝脫硫設(shè)施甚至不到一半。雖然投資成本較大，但脫硫效果非常明顯，實(shí)現(xiàn)超低排放問題不大。

相比之下，氮氧化物減排較粉塵和二氧化硫難度更高。故而，水泥行業(yè)超低排放難在技術(shù)層面，而技術(shù)層面主要體現(xiàn)在氮氧化物減排技術(shù)難度較大。

目前，國內(nèi)水泥行業(yè)氮氧化物治理技術(shù)主要分為低氮技改（脫硝效率30-50%）、SNCR技術(shù)（脫硝效率60-70%）、SCR技術(shù)（脫硝效率90%）。

其中，低氮技改脫硝效率最低，且受工況條件影響較大；SNCR技術(shù)成熟，但脫硝效率較低，對煙氣溫度的要求高、氣凝膠設(shè)備容易造成腐蝕、無法實(shí)現(xiàn)NOX的超低排放，并且在SNCR系統(tǒng)中，氨的噴入量很大，造成下游氨的濃度非常高以至于產(chǎn)生氨逃逸的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致了二次污染。因此，當(dāng)前國內(nèi)水泥企業(yè)為實(shí)現(xiàn)更低的污染物排放，更多的是采用上述兩種脫硝方式的組合，即：“ SNCR+低氮技術(shù)改造”。

該技術(shù)組合基本能夠?qū)崿F(xiàn)氮氧化物排放量低于100mg/m³，但穩(wěn)定運(yùn)行難度較大，改造難度還受到工況條件制約。

由于“SNCR+低氮技術(shù)”改造并不穩(wěn)定，且難以滿足100mg/m³以下的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，基于接下來必然會進(jìn)一步提升的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，不少水泥廠開始嘗試脫硝效率更高的SCR技術(shù)。

理論上，SCR脫硝效率高達(dá)90%，結(jié)合低氮技術(shù)改造基本可以實(shí)現(xiàn)氮氧化物排放量低于50 mg/m³，且SCR在電力行業(yè)已經(jīng)有了很成功的應(yīng)用。然而，不同的是水泥生產(chǎn)環(huán)境粉塵含量更高，且煙氣中含有堿金屬、重金屬，容易導(dǎo)致催化劑堵塞、中毒、失效等問題，因此在低溫催化劑目前尚未取得更有效突破的情況下，高溫環(huán)境下的除塵問題成為制約SCR在水泥行業(yè)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

當(dāng)前，國內(nèi)部分水泥企業(yè)采用“高溫電除塵+SCR”脫硝工藝，但由于高溫環(huán)境會降低電除塵的除塵效率，因此長期使用過程中是否會導(dǎo)致催化劑堵塞、失效等問題還需要時(shí)間來考驗(yàn)。

總體而言，水泥行業(yè)超低排放的核心仍舊是氮氧化物減排。

雖然國內(nèi)不少技術(shù)裝備企業(yè)聲稱在部分水泥企業(yè)實(shí)現(xiàn)了氮氧化物超低排放，然而一方面缺少長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)據(jù)資料支撐；另一方面案例過于單一，結(jié)合國內(nèi)水泥企業(yè)工況差異巨大，能否具備普遍適用性同樣是個(gè)問題。

氨逃逸是不容忽視的一環(huán)

當(dāng)前最成熟的氮氧化物末端治理方式當(dāng)屬SNCR和SCR兩種，二者都采用氨水作為還原劑。由于氨水在脫硝反應(yīng)中并不完全參與，尤其是SNCR脫硝技術(shù)，氨水利用率更低，因此氨逃逸問題不可避免。

氨逃逸會導(dǎo)致嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境問題：

首先，氨水制備本身消耗大量的能源和資源。資料顯示，目前噸氨綜合能耗約為1500kg標(biāo)準(zhǔn)煤左右，并產(chǎn)生大量污水、廢氣和固體廢物，而一條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線采用SNCR脫硝，在滿足當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)情況下，每天需要約20噸氨水（25%），即約5噸合成氨。其中，不少因氨逃逸而浪費(fèi)。

其次，氨水屬于危險(xiǎn)化學(xué)品（危規(guī)號82503），生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存、使用都有可能發(fā)生氨水泄露事故，污染周邊環(huán)境，威脅民眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

再次，氨逃逸可能加重環(huán)境問題。近20年來，我國一直是全球最大的氨排放過國，而根據(jù)相關(guān)報(bào)道氨氣污染一直是導(dǎo)致我國霧霾等環(huán)境問題的重要元兇。工業(yè)脫硝則是氨氣污染的重要來源之一。

有資料顯示，我國氨的年排放約為1000萬噸左右，超過歐洲與美國氨排放的總和。氨氣成為大氣環(huán)境中含量最為豐富的堿性氣體，與SO₂轉(zhuǎn)化形成的硫酸和NOX轉(zhuǎn)化形成的硝酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸銨與硝酸銨二次無機(jī)顆粒物。硫酸鹽、硝酸鹽及銨鹽約占PM2.5年均濃度的30%左右, 但在重污染過程中硫酸鹽、硝酸鹽及銨鹽合計(jì)占PM2.5年均濃度的比例高達(dá)60%以上，是重污染天氣二次無機(jī)顆粒物爆發(fā)式增長的重要前體物。PM2.5是構(gòu)成霧霾的主要成分。

氨是造成霧霾的重要因素，氨逃逸則加重了霧霾問題，氨水泄露問題他也必須引起水泥行業(yè)的重視。基于上述原因，SNCR雖然更加經(jīng)濟(jì)且水泥行業(yè)運(yùn)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是氨逃逸量大將成為制約該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

SCR獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷還是脫硝技術(shù)百家爭鳴？

基于原有SNCR在脫硝效率及氨逃逸方面存在的缺陷，效率更高，氨逃逸可以得到有效控制的SCR脫硝技術(shù)一直是近年來水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)超低排放的重要突破口。

為解決粉塵濃度與催化劑反應(yīng)溫度之間的矛盾，業(yè)內(nèi)將研發(fā)重點(diǎn)集中在了高溫除塵和中低溫催化劑兩個(gè)方向。相比之下，“高溫除塵+SCR”工藝路線發(fā)展和推廣更為順暢，中低溫催化劑研發(fā)從媒體報(bào)道稱，已經(jīng)取得突破并在部分水泥廠使用，但應(yīng)用范圍有限。

作為一種已經(jīng)在電力等相關(guān)行業(yè)得到充分驗(yàn)證的成熟脫硝手段，SCR無疑是當(dāng)前水泥喊個(gè)與實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放的首選技術(shù)方案之一。不過，正如合肥水泥研究設(shè)計(jì)院退休教授級高工，原袋委會秘書長吳善淦所言，粉塵問題是制約SCR技術(shù)推廣應(yīng)用的核心，由于目前國內(nèi)水泥SCR脫硝項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間普遍不長，缺少案例支持，高溫電除塵能否勝任SCR除塵需要尚無定論。

此外，SCR脫硝系統(tǒng)投資成本高同樣是制約該技術(shù)推廣的一大難點(diǎn)。以宏昌水泥投運(yùn)的國內(nèi)首條SCR脫硝系統(tǒng)為例，據(jù)相關(guān)報(bào)道，該項(xiàng)目總投資近4000萬元。

鑒于SCR脫硝系統(tǒng)存在投資成本高、工況條件制約等問題，探索一條更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的脫硝技術(shù)方案成為業(yè)內(nèi)部分專家及裝備企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)。

據(jù)筆者了解，當(dāng)前業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超低排放的技術(shù)手段還包括以下幾種：

1、低氮技改+SNCR精準(zhǔn)脫硝。該技術(shù)在槐坎南方7500t/d熟料生產(chǎn)線得到成功應(yīng)用，據(jù)悉可以將氮氧化物排放量穩(wěn)定控制在100mg/Nm³以內(nèi)。

2、熱碳催化還原脫硝技術(shù)。據(jù)稱通過熱碳還原技術(shù)可以將水泥廠氮氧化物排放量控制在50 mg/Nm³以內(nèi)，目前已經(jīng)在部分水泥廠得到推廣使用。

3、LCR液態(tài)脫硝技術(shù)。資料顯示該技術(shù)脫硝效率可達(dá)95%，將氮氧化物穩(wěn)定控制在30 mg/Nm³以內(nèi)，不過目前并沒有大型水泥廠使用案例。

4、SNCR+離子發(fā)生器脫硝技術(shù)。資料顯示，河南某水泥廠5500t/d熟料生產(chǎn)線結(jié)合“SNCR脫硝工藝+離子發(fā)生器脫硝裝置”，氮氧化物最終排放濃度≤30 mg/Nm³、氨逃逸小于5ppm。

5、ERD+燃煤飽和蒸汽催化燃燒脫硝技術(shù)。據(jù)稱可以實(shí)現(xiàn)氮氧化物可穩(wěn)定控制100 mg/Nm³以內(nèi)。

6、PYROCLON?REDOX脫硝。媒體報(bào)道稱，天瑞新登鄭州水泥有限公司采用該技術(shù)，氮氧化物排放量穩(wěn)定在50毫克/立方米以下。

當(dāng)然，目前技術(shù)流派眾多，以上僅僅是筆者簡要總結(jié)的幾種。除上述技術(shù)方案以外，在前端治理方面業(yè)內(nèi)也提出了眾多改進(jìn)方案，主要集中在對燒成系統(tǒng)的智能化低氮改造方面。特別是當(dāng)前智能化技術(shù)快速發(fā)展，環(huán)保智能化被水泥行業(yè)所重視，未來智能化技術(shù)有望為水泥行業(yè)超低排放提供更多的助力。

綜上，在水泥行業(yè)綠色發(fā)展大背景下，超低排放勢在必行，并由此催生了流派眾多的技術(shù)路徑，呈現(xiàn)百家爭鳴之勢。但，無論何種脫硝方式均需要行之有效且能夠防止氨逃逸等二次污染問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)行業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)注：中國水泥網(wǎng)將于近日舉辦2020中國水泥行業(yè)超潔凈排放技術(shù)交流大會，屆時(shí)政府主管領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)專家、科研單位、水泥企業(yè)、裝備服務(wù)商等共聚一堂，共同探討水泥行業(yè)超低排放，敬請期待...