巴太斌：水泥行業(yè)深度脫硝技術探討

一、背景

2020年9月,國家主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣示，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。上述碳達峰與碳中和的時間表，也被稱為“雙碳”目標。

“雙碳”目標不僅解決生態(tài)環(huán)保問題，還將引發(fā)一場廣泛而深刻的經濟社會變革。對廣大工業(yè)企業(yè)而言，碳減排不作為，將會面臨生存與發(fā)展的問題。

今年上半年經濟復蘇不如預期，表現(xiàn)在消費和投資信心不足，水泥行業(yè)的表現(xiàn)也不樂觀，上半年水泥量價齊跌，河南水泥每噸售價降到了200多元，顧不住成本，被迫停產，這種嚴峻局面可能還會持續(xù)一段時間。最近國家出臺了一些刺激政策，水泥行情也出現(xiàn)了一些積極變化。

專家分析，中國經濟增長模式，正在從“資本”驅動，切換成“運營”驅動。水泥企業(yè)正在從粗放型向精細化轉型。

經濟學家把中國經濟發(fā)展的過去分為上半場，現(xiàn)在和未來分為下半場。

上半場是從1979—2019的這40年，解決的核心問題就是資本的原始積累，通過資本的累積完成了兩大任務：一是用鋼筋混泥土做好基建和房子，二是推出各種互聯(lián)網平臺提高社會運轉效率。在這個過程中，水泥行業(yè)從技術落后到世界領先，從供不應求到產能過剩，經歷了立窯、濕法窯、干法中空窯、預熱器窯和窯外分解窯的發(fā)展歷程，這40年，水泥技術迅速發(fā)展，水泥行業(yè)受益匪淺。

下半場是在運營的推動下，要再通過“產品+內容”的填充，讓社會有血有肉，只有運營好產品和內容才有出路！運營就是靠管理，使資源發(fā)揮出更大的社會價值。在中國經濟轉型的過程中，我們水泥企業(yè)要轉變理念，跟上變化，適應新的發(fā)展需要，做好運營才有出路。

二、水泥企業(yè)環(huán)?，F(xiàn)狀

水泥廠的污染治理分析：水泥廠的主要污染源有粉塵、煙氣、噪聲、廢水，經過環(huán)保治理，都能做到達標排放，因為不達標排放就被停產，還要被罰款，有強制性。水泥行業(yè)面臨的主要問題是如何制定污染物排放指標，如何選擇性價比高、成本低的污染治理技術。歐洲煙塵控制是差異化的，敏感地區(qū)要求嚴，不敏感地區(qū)要求松。

我們水泥人通過不懈的努力，在水泥廠煙塵治理方面已經走在世界前列，為了進一步提高環(huán)保治理水平，投入也越來越大，超低排放，給企業(yè)帶來了很大的壓力。

排放指標是不是越低越好？要從兩方面考慮：一是從環(huán)保角度考慮，要根據環(huán)境容量的要求，不同地區(qū)環(huán)境容量要求不同，排放指標也應該是差異化的。二是從經濟角度考慮，污染物排放量越低，資本投入就越大，增加企業(yè)負擔和運行

成本，尤其是水泥市場不景氣的情況下，企業(yè)壓力會更大。

因此，從科學發(fā)展的角度來看，水泥廠煙塵排放量不一定是越低越好。

脫硝勢在必行

按照每噸熟料NO_x排放系數為1.5-1.8kg/t熟料計算，2020年我國水泥工業(yè)窯爐排放的NO_x約為200萬噸（水泥熟料按13億噸計算），這兩年因為熟料產量的下降，NO_x排放量也在下降，由于水泥行業(yè)排放總量占全國NOx總排放量的10%左右，是繼火電發(fā)電廠和機動車之后的第三大排放源，因此，國家環(huán)保部門對水泥企業(yè)特別關注。政府出臺了相關政策和標準，明確要求NO_x排放不達標不得生產。

水泥企業(yè)在氮氧化物減排方面急需尋找最佳出路。

三、脫硝技術

目前，國內水泥工業(yè)執(zhí)行的排放標準為《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB4915-2013）。一些地方還出臺了更為嚴格的排放標準，例如，浙江省出臺的地方標準要求到2025年水泥窯爐煙氣NO_x排放濃度小于50mg/Nm³，西南四省今年也出臺了相關政策。此外，環(huán)保部頒發(fā)的《重污染天氣重點行業(yè)應急減排技術指南》要求，水泥生產采用SNCR、SCR等技術達到超低排放，并且噸水泥熟料氨水消耗量小于4kg，才能認定為A級企業(yè)，享受相應的政策支持，補貼50%，獎勵運行。

我國水泥工業(yè)從2007年開始全面推廣非催化還原技術（SNCR)。SNCR技術的脫硝效率可高達60%（目前有新的突破）。這期間還有研究采用分級燃燒技術，即通過控制分解爐及管道中的燃燒工況，用不完全燃燒產生的CO來還原NO_x，分級燃燒技術的脫硝效率約為30%（目前有新的突破，可實現(xiàn)超低排放）。在煤電行業(yè)通過應用催化還原技術（SCR）實現(xiàn)超低排放之后，該技術（SCR）引入水泥行業(yè)經過適應期逐步成熟，但是，成本的增加、危廢的產生仍是企業(yè)需要考慮的問題。

近幾年，在分級燃燒技術的基礎上，通過研究分解爐及管道中的燃燒工況，考慮盡量減少還原劑的使用和危廢的產生，推出了管道還原法深度脫硝技術，經過南方水泥等多家水泥企業(yè)應用，取得了良好效果，達到超低排放指標。

管道還原法脫硝原理

窯內產生的NO_x還原方式：將分解爐的用煤分出一部分，噴入管道爐預熱區(qū)，使其在管道爐缺氧的工況下形成“厭氧燃燒”，產生的CO與窯尾煙氣中的NO_x發(fā)生反應，將窯內產生的NO_x還原成對環(huán)境無害的N₂氣體。

管道脫硝技術是在脫硝爐內制造CO，調整脫硝爐喂料量，平衡還原區(qū)溫度，充分還原來自于窯內的NO_x，實現(xiàn)NO_x的超低排放。

主要化學反應如下：

CO₂+C→2CO

2CO+2NO→N₂+2CO₂

4CO+2NO₂→N₂+4CO₂

管道脫硝工藝流程示意圖

管道脫硝工藝

管道脫硝爐是一個單獨的在線爐體，爐內產生的CO與窯內的NO_x在脫硝爐內充分反應還原后，再進入分解爐，即CO和NO_x完全在管道脫硝爐里反應還原。進入脫硝爐的物料，在平衡溫度的同時，提前進行分解，對提高分解率和系統(tǒng)能力有一定幫助。

還原窯內產生的NO_x是在管道脫硝爐內完成，管道脫硝爐布置在窯尾煙室與分解爐之間，脫硝爐的進氣口與窯尾煙室頂部縮口連接，脫硝爐的排氣口與分解爐底部連接。脫硝爐的進氣端開設煤粉入口和物料入口，脫硝爐內喂煤是為了產生CO，脫硝爐內喂料是為了平衡爐內溫度。

應用管道脫硝技術的效益：

1.管道脫硝技術符合國家相關政策，實現(xiàn)NO_x排放濃度＜50mg/Nm³（10%O₂)的先進指標，運行中沒有危廢的產生，能有效改善當地環(huán)境質量，使水泥生產企業(yè)能夠成為環(huán)境友好型企業(yè)，環(huán)保效益十分明顯。

2.管道脫硝是利用工藝技術解決生產中產生NO_x的問題，實現(xiàn)NO_x超低排放，是一種新的技術突破，為水泥企業(yè)實現(xiàn)超低排放提供了新的技術途徑，具有良好的社會效益。

3.應用管道脫硝技術，熟料產量有所提高，煤耗、電耗有所降低，無新增運行成本，經濟效益顯著。

管道脫硝應用案例：

南方水泥與鄭州奧通合作，在南方水泥的江山、山亞、三明及常德等四家公司進行了管道脫硝技術改造，均取得了較好的效果。

國檢集團技術調研小組于2023年5月對江山、山亞、三明三家公司技改情況進行調研，結論是管道脫硝技術運行穩(wěn)定，操作簡易，達到了超低排放指標，與同類技術對比，投資合理，運行成本較低，無催化劑消耗。

四、總結

國內外水泥屆的科研工作者和企業(yè)家們，近幾年投入很多精力和財力，研發(fā)了SNCR、SCR、LCR、分級燃燒、管道還原爐等多種脫硝手段，從改變運行條件到改進燃燒方法，形成多項專利成果，為環(huán)保事業(yè)做出了很大貢獻。

在水泥生產過程中尋找脫硝辦法，不用外來的催化劑、還原劑，也就是說在工藝過程中脫硝，實現(xiàn)超低排放，這是水泥人一直探討的問題。據了解國內有一些公司在這方面的研究成果已經在多家水泥廠應用，實測數據表明，脫硝爐出口氮氧化物濃度可以達到零！實現(xiàn)深度脫硝之目的，運行成本低，沒有二次污染，可高比例使用替代燃料。目前，由于漏風問題，有一小部分含有NOx的氣體沒有進入還原爐，而進入了分解爐、C5，還有分解爐內燃燒產生的NO_x ，結合現(xiàn)有的SNCR系統(tǒng)，可實現(xiàn)NO_x ＜50 mg/Nm3超低排放。

管道脫硝爐具有運行成本低、無二次污染、可超低排放、節(jié)能降碳等優(yōu)點，是一個發(fā)展方向，為了實現(xiàn)無氨脫硝，還需要進一步研究：

1.研究如何減少鎖風閥的漏風，使出煙室含NO_x氣體不進入或少進入分解爐、C5，盡量全部經過管道爐脫硝；

2.加強分解爐CO燃燒機理研究，避免在分解爐中產生熱力型氮氧化物；

3.加強燃料型氮氧化物產生機理研究，優(yōu)化操作，探討將尾煤全部喂入脫氮爐，避免或減少分解爐燃料型氮氧化物產生。

五、目標

加強科研投入，攻克技術難題，不斷完善脫硝方法，最終實現(xiàn)無氨脫硝、超低排放！