贾华平：水泥行业超低排放的难点分析与技术突破

在生态文明建设的大背景下，水泥行业超低排放已成趋势，且部分地区已开始将其视为重污染天气是否停产的标准。当然，降低大气污染物排放是行业应当践行的社会责任，超低排放也已成为水泥企业绿色转型的重要内容。

4月17日下午，在中国水泥网举办的在线分享会议上，中国水泥网高级顾问贾华平以《水泥行业超低排放的难点分析与技术突破》为主题，深入剖析了当前有关水泥行业超低排放的热点难点问题。

中国水泥网高级顾问贾华平（资料图）

一、超低排放的演化

目前水泥生产的大气污染物排放仍然执行国家标准GB 4915-2013，标准要求，新建企业自2014年03月01日起、现有企业自2015年07月01日起，一般地区按表1执行，重点地区按表2执行。

由表1、表2可见，多数企业牵涉的控制指标主要有四项：颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨逃逸。

实际上，国家标准为最低标准，这个要求不算太高，可以说：现有生产企业已经全部实现！

在生态文明和绿色发展的大背景下，鉴于国内环保意识的增强，特别是近年来治理雾霾的要求，以及严重的产能过剩，各地方政府对国家的环保政策给予了积极响应，相继出台了自己的特别排放值实施计划和管理措施，不但严格执行了国家的环保标准，而且因地制宜地制定了更加严格的地方标准，并达到了很有力度的落实。

值得一提的是，为了响应国家环保治理和供给侧改革的经济大局，水泥行业主动的化危机为机遇，转化产能过剩于错峰生产、利用协同保价支撑环保治理，既缓解了产能过剩、维护了行业的稳定、又促进了环保治理。

河北省和北京市，与国家同步执行了更严格的标准；处于京津冀污染通道上的、包括晋豫鲁三省的28个城市，全部按国家重点地区标准执行，对京津冀地区的雾霾治理作出了水泥行业的贡献。不完全统计部分地区的严控标准见表3。

尽管我们作了很大努力，采取了很多措施，取得了很大进步，但是由于各行各业都在进步，就排放物贡献排名来讲，我们建材行业在全国工业系统中，依然位列第二至第三位。

其中：SO₂占到全国排放总量的10%左右，NO_X占到全国排放总量的14%，而且，水泥是建材行业的主要贡献者。

2019年10月29日，中国建材联合会的乔龙德会长，在芜湖提出了新的要求：无论是今天的减排目标，还是此前提出的10、50、100指标，都是过渡性目标、不是最终目标，行业必须朝着更低的、和无污染的排放目标而奋斗，彻底改变与扭转社会各界对行业的认识和评价。

二、超低排放的难点分析

严格的要求需要相应的技术支撑，否则只能是一句空话。就超低排放控制的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨逃逸四个指标而言，覆盖所有企业的是颗粒物、NO_X，SO₂只是部分原燃材料含硫高的企业，氨逃逸则主要来自于二氧化硫、氮氧化物的治理措施。

在粉尘治理上，超低排放没有技术难度

粉尘治理已经不存在技术难题，实际上，从上世纪80年代我们引进一系列环保治理设备和技术以来，确实取得了长足的进步，但仔细分析就会发现，除了技术的先进性以外，关键是过滤风速的大幅度降低。

过滤风速的降低，意味着装备的加大、投资的加大，这也不过是一个重视程度的问题。

SO₂的超低排放也不是难题

水泥窑本身就是很好的脱硫工艺，而且水泥行业近几年已经探索出多种行之有效的脱硫措施。只要给予一定的投入，采用相应的措施，还是能够实现的，无非是一次性投资和运行成本问题。

关于硫排放，原来主要是在地域分布上不太均衡，北方的原燃材料含硫不高，脱硫问题主要在于南方的一些企业；但随着 原料资源的不断贫化、低价位高硫煤的部分应用、以及已经热化起来的协同处理，需要脱硫的水泥企业迅速增多。

水泥行业超低排放的最大难题是NO_X

要达到NO_X的超低排放，包括其他行业，目前比较成熟的技术只有SCR脱硝。但对于水泥行业，SCR脱硝也不成熟，这与行业的特点有关。

水泥行业实施SCR脱硝大致有三条路径，遗憾的是，哪一条路径都不理想！

① 高温高尘，脱硝效率虽高，但除尘依然是难题，易造成催化剂堵塞、中毒、磨损。

② 中温中尘，虽然对催化剂的堵塞、中毒、磨损有所缓解，但脱硝效率很难保证。

③ 低温低尘，虽然解决了催化剂的堵塞、中毒、磨损问题，但脱离了催化剂的温度窗口，需要加热、运行成本很高。

恩格斯曾讲：“ 一旦社会上有了技术需求，这种需求会比十所大学更能把科学推向前进。” 这句话到现在依然有效，一定的压力、特别是自加的压力，往往能转化为前进的动力。

水泥行业的生产企业、装备行业、研究单位，以及大专院校，正是在这种压力的促使下，积极的开始了适应性改进、研发、甚至是颠覆性创新，已经有不少方案开始了工业试验，并取得了可喜的成果！

三、NO_X超低排放的技术突破

1．智能控制精准喷氨的SNCR

目前水泥窑的SNCR空间上设在分解炉，然而分解炉的温度场不是均匀分布的、而且不是固定不变的。喷氨脱硝有一个温度窗口，在窗口以外的喷氨不但是无效的，而且会造成氨逃逸、形成氨污染，这就是造成SNCR脱硝效率不高的根本原因。

因此，智能控制精准喷氨就成为提高SNCR效率的有效措施。

以窑磨智控擅长的上海万澄公司，就在这方面发挥了自己的优势，其开发的“智能优化控制+SNCR”技术，经四川国大、四川德胜、四川利森三条5000t/d线的实施验证，均取得了NO_X排放浓度稳定控制在低于50mg/m³以下的效果。

其原理主要是：采用分层级安装可独立控制的喷枪组，利用智能实时优化控制系统对NO_x排放进行预测，对生产工况的变化实时跟随，

根据工况及时调整并分别控制氨水的喷射位置及喷射量，从而达到提高脱硝效率、减少氨水用量、降低氨逃逸的目的。

中控操作画面截图

现场喷氨控制阀集成柜

该技术的优点：一次性投资很小，管理维护方便；问题：氨水消耗量大、运行成本较高，对烧成工况波动较大的生产线难以适应。比如在某厂进行的6天试验，结果如下：

① NO_x控制在200mg/Nm³时，氨水实际用量为742L/h；

② NO_x控制在100mg/Nm³时，氨水实际用量为1169L/h；

③ NO_x控制在50mg/Nm³时，氨水实际用量为1356L/h。

2.多项措施组合增效的脱硝系统

面对NO_X排放愈来愈严的要求，采用多项成熟技术的组合增效，不失为一种简单有效的方法。由于风险较小，目前在这方面探索的水泥生产线比较多。

典型代表是江苏信宁公司的5000t/d线，就采用了上海三融公司集合组成的“分级燃烧+SNCR+蒸汽催化燃烧”脱硝技术，以下是试验、改进、优化前后的对比表，和2019年05月10的运行截图。

由以上表和图可见，优点是一次性投资较小，管理维护简单。

问题在于：分料、分煤过于复杂，特别给工况波动时的操作调整带来一定困难；较大的工况波动将影响脱硝效果；氨水消耗量较大、运行成本较高。

3.保留SNCR的高温中尘SCR

登封宏昌公司距国家重点保护的少林寺很近，首开水泥行业SCR脱硝，采用了西矿环保的“SNCR+高温电除尘+SCR”方案，充分利用SNCR的经济性和SCR的高效性，较好的适应了水泥行业的特点。以高温保证催化剂效率，以除尘缓解催化剂的堵塞、中毒、磨损问题，以并用SNCR减轻SCR的负担。

宏昌项目投资约4000万元，改造工期约4个月，2018年9月份投运，系统阻力1000Pa左右，温度降低10℃左右，原SNCR还原剂消耗量降低。2018年10月14日通过专家组验收，NOX排放浓度可稳定实现50mg/Nm³以下，脱硝率可达90％以上，氨逃逸小于3ppm。

该项目的成功受到了各级政府、以及整个水泥行业的重视。2019年06月20日，国家生态环境部科技与财务司司长邹首民等，曾亲临现场调研指导。

项目的工艺流程图、宏昌公司现场图如下：

优点：高温保证了稳定的脱硝效率，高温避开了硫酸氢铵的粘结堵塞，除尘缓解了催化剂的堵塞、中毒问题；

问题：一次性投资较大，催化剂的更换费用较高，催化剂的实际寿命还有待进一步观察，环节较多管理相对复杂，特别是高温、高空电除尘器的运行维护。

4.无需除尘的高温高尘SCR

蒂森、克虏伯、伯力鸠斯，这几个都是世界上很牛的公司，现在又组合成一家了，更是厉害！关于水泥行业的高尘特点，他们认为没有问题，高尘反而有利于缓解催化剂中毒；至于堵塞问题，他们有有效的清灰手段。

因此，他们直接采用高温高尘的SCR工艺，据说他们有成熟的经验，在德国的几条线也是这么干的，而且都运行良好。其工艺流程如下图所示：

据介绍，蒂森克虏伯在水泥行业已有13年以上的催化剂脱硝运行经验，其成熟的技术是世界范围内高尘SCR应用最多的解决方案，多年的经验表明高尘SCR是降低NO_X最经济的方案。他们已经掌握了相关的清灰工艺，并在多个工厂得到了验证。自2013年8月以来，其所有SCR项目全年运行率都超过了95%。

他们之所以敢高温高尘，除了自有的可靠的清灰系统以外，还有一个杀手锏，开发了自有的板式结构的催化剂。

与现有蜂窝式催化剂相比，板式催化剂具有以下特点：孔率高、阻力小，风速低、耐磨损，角落少、不易积灰、易清理，强度高、耐受力的特点，更适合于高尘环境。

对于一般的5000t/d生产线，目前为双塔方案，设备采购时间约5～6个月，现场安装和对接时间约2个月，项目投资在4000万元左右。

该公司正在针对5000t/d线开发单塔方案，下一步采用单塔方案、以及催化剂国产化后，总投资有望降到3000万元左右。

根据他们已有水泥行业十余条生产线十几年的运行经验，大致可以做到2-3年换一层催化剂，一般设计为4层催化剂，一层催化剂基本可以用到10年左右。

当然，催化剂寿命与烟气及粉尘组份有关，具体的使用寿命将根据项目的具体情况提供一个预期的寿命管理。

在大家一脸茫然之际，中国水泥最牛的海螺水泥选择了蒂森克虏伯的脱硝技术，而且一干就是两条线。目前，海螺济宁、海螺南京两条线已于去年相继投运，而且运行稳定。

济宁海螺、南京海螺的现场图分别如下：

济宁海螺的SCR系统现场图

南京海螺的SCR系统现场图

济宁海螺项目于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，目前只使用SCR系统，进口NOx浓度在700～800mg/Nm³, 出口浓度控制住在60mg/Nm³左右，氨水（20%浓度）使用量在600kg/h 左右，氨逃逸稳定在2～3mg/Nm³ 左右。

南京海螺项目于2019年11月底投产运行，总体效果优于济宁海螺。由于该线分级燃烧运行较好，进口可以做到500mg/Nm³左右，出口一般控制在30～40mg/Nm³，氨逃逸稳定在2～3mg/Nm³ 左右。

总体上，两条线运行稳定，全面实现了NOX排放≤100mg/Nm³，氨逃逸≤8 mg/Nm³的目标。

需要说明的是，尽管改造的目标是NOX排放≤100 mg/Nm³，但在济宁海螺还是安排了更高目标的试验：短时间运行了几个小时，可以将NOX排放稳定控制在20～27mg/Nm³，只是氨水消耗量大一些而已。

优点：高温保证了稳定的脱硝效率，高温避开了硫酸氢铵的粘结堵塞，系统流程简化方便了管理、减小了维护量。

问题：一次性投资较大，催化剂的更换费用较高，催化剂的寿命还有待进一步观察。

5.金属滤袋高温超低尘SCR

SCR是目前全世界、各行业的主流脱硝技术，国内的典型代表是电力行业，已经发展成为一项成熟的脱硝技术。

但在水泥行业，则处于刚刚起步的探索阶段。为什么？SCR有一个温度窗口，这个窗口正处于废气的高尘位置，而且粉尘含有导致催化剂中毒的成分！

水泥行业的SCR脱硝特点：合适的温度窗口，粉尘浓度太高、有毒性、有粘性，对催化剂的堵塞、中毒始终是一个麻烦和顾虑；合适的粉尘窗口，温度又偏低，仅管目前已开发了一些低温催化剂，对脱硝效率还是有较大影响。

鉴于以上两点，如果能实现高温粉尘净化，难题也就迎刃而解了！

2019年11月10日登电集团采用远致环保的高温电袋（SCR）尘硝一体化脱硝系统投产运行，从而为水泥行业的超低排放又趟出了一条新路。

初期运行就取得了非常理想的效果：系统压损580-630Pa，粉尘排放＜10mg，NO_X＜20mg, 喷氨量＜0.2m³/h，氨逃逸＜3ppm。

登电集团尘硝一体化处置现场图

该系统的设计指标：

1，耐高温：设备温度运行工况温度区间为：300-400℃；

2，收尘效率高：最高入口粉尘＜100g/Nm³，出口粉尘浓度<10mg/Nm³；

3，整体阻力小：入口喇叭至SCR出口整体设计压力1200Pa；

4，催化剂选型：无尘工况下催化剂选型最优化，催化效率高，耗量减少60%-70%；

5，耗氨量变化：耗氨量降低50%-60%；

6，寿命长：金属滤袋设计寿命≥5年，催化剂设计寿命5年；

7，设备能耗低：运行主动能耗低，详见运行参数汇总表。

登电集团尘硝一体化处置原理图

该技术的关键在于高温、高尘、高效除尘！为了确保除尘效果，系统采用了不锈钢丝织多层滤料的电袋复合除尘器。电除尘适应预热器出口的超高浓度；丝织多层滤袋确保净化后的超低排放；不锈钢滤料满足了高温工况和防腐需要。

不锈钢丝织滤袋除尘器内部结构图

不锈钢丝织滤袋短节样品

优点：高温除尘既满足了催化剂的温度窗口，又解除了对催化剂的堵塞和中毒麻烦，同时解决了粉尘对余热发电锅炉传热的影响，顺便降低了对后续设备（包括高温风机）的磨损和腐蚀。

问题：金属滤料成本较高，约为同级别袋除尘器的两倍，需要进一步优化降低；运行时间尚短，滤袋的清堵和寿命有待进一步观察。

6.脱硝剂直喷分解炉脱硝

SCR是目前脱硝超低排放技术的顶梁柱，其技术核心是脱硝催化剂。遗憾的是，目前国内外商用的脱硝催化剂均为V2O5/TiO2体系，而美国、欧盟环境署、中国国家环保部都已将V2O5定为剧毒污染物。

SCR的催化剂不仅在使用中存在堵塞、中毒问题，在已有生产线的改造设计上存在空间布局的困难，而且还存在催化剂老化后的保管、回收问题。

南京工业大学材料化学工程国家重点实验室的祝社民团队，在有关部门的同力支持下，毅然另辟蹊径、放弃了SCR技术，转向开发了一种稀土基直喷脱硝剂，而且脱硝性能初步试验达到了国际领先水平。2014年入选国家鼓励发展的重大环保技术，2016年被国家三部委指定为钒基催化剂的替代产品，2017年被环保部评为国际百强环保技术，入选工信部重点新材料首批次应用示范项目。

该成果在研发过程中，曾获得如下财政支持：

①在基础研究阶段，获得国家自然科学基金4项，分别是50872052、51172107、21106071、51272105；

②在应用研究阶段，获得国家“863”计划专项 2009AA05Z313；

③示范工程阶段，获得国家“十二五”科技支撑计划 2012BAE01BO3；

④产业化阶段，获得国家发改委新兴产业及产业结构调整专项 发改办产业（2011）1935。

鉴于水泥生产中废气含尘浓度高的特点，催化剂载体的堵塞始终是难以逾越的障碍，项目另辟蹊径采用了向分解炉喷射的新方案；根据停留时间和分散度的需要，在分解炉下部喷入粉状脱硝剂、在分解炉上部喷入液体脱硝剂。

上部喷入的液体脱硝剂，只是比氨水粘稠一些，原有的喷（氨）系统可资利用，不用新建喷入系统，几乎不需要直接投资。

据项目带头人祝社民介绍：2018年底，经甘肃某水泥厂、江苏某水泥厂试验表明，在窑尾NO_x为1100PPM的情况下，NO_x排放值可稳定控制在50 mg/Nm³以下，甚至更低；下一步的工作，主要是对脱硝剂喷入点和喷入量进一步优化，优化后即可进行全面推广。

祝社民做项目初步验收报告

祝社民表示，感谢江苏兴宁提供了试验机会，试验效果很好。该生产线为5700t/d熟料线，加入量300～400kg/h，在停掉SNCR喷氨后、上下同时喷入该催化剂，能将NO_X稳定控制在50mg/Nm³以下。

在利用现有SNCR喷氨设备的情况下，改造费用只有普通SCR改造的1/20；而且不存在催化剂回收问题、更不存在氨逃逸问题。

祝社民表示：与SNCR控制200mg/Nm³相比，根据窑尾废气的NO_X含量大小（800～1200 mg/Nm³），控制50mg/Nm³以下的脱硝成本估计增加4～8元/t熟料。

那么，综合考虑“投资成本+运行成本”与SCR相比，南工大的“分解炉直喷脱硝剂”技术是否具有优势呢？

我们设定几个条件比一下看看：按5000t/d水泥窑脱硝考虑，SCR脱硝的一次性投资按4000万元计算，现有一年期贷款利率考虑各企业贷款条件在 5.6～6.0%之间，一年以后按滚动还旧贷新，设定利率不变。

SCR一次性投资的单位成本构成如下表：

由此可见，SCR一次性投资的成本并不算高，最高的也不到2元/t熟料。也就是说，直喷脱硝技术，运行成本不得比SCR高出1.7元/t熟料、有的甚至不得高出1.3元/t熟料，否则就没有竞争力了！

遗憾的是，上面的估算比现有SNCR还要高4～8元/t熟料。

优点：一次性投资极低，管理维护简单，操作使用方便，运行稳定可靠，不存在氨逃逸，不存在催化剂回收。

问题：主要在于运行成本的大小，按目前水平初略估计，运行成本已经高到难以接受的程度。

但愿并相信随着技术的成熟，运行成本能降到可以接受的程度。

7.分级燃烧超低脱硝

我们再熟悉不过的预分解水泥工艺，实际上就是一种分级燃烧，所以我们对分级燃烧有一种亲切感，这是我们的固有本领。

在控制NO_X排放的初期，我们很自然的又采用了分级燃烧，只是随着排放标准的提高，在原有的分级燃烧无法满足脱硝需要的情况下，我们又借鉴其他行业的经验，逐步扩展到SNCR以至SCR。

逐渐固化了“分级燃烧落后”的意识，结果把脱硝搞得越来越复杂！

那么，分级燃烧是否还有改进优化的空间呢？

一向重视技术创新的天瑞水泥就“不忘初心”，又对分级燃烧做了认真的分析研究，结果出乎预料，获得了很好的脱硝效果。使一项初级的脱硝技术蜕变为先进的脱硝手段，不仅获得了理想的脱硝效果，而且还兼得了提产和节能降耗。

就烧成系统来讲，我们都知道回转窑是NO_X的主要来源，却把主要精力放在了分解炉改造上，而对受到空间制约的窑尾烟道和分解炉锥体几乎没有反抗，虽然也取得了一定的效果，但要达到超低排放可就难了。

而天瑞水泥正是看透了这一点，他们将主要精力用在了后窑口，大幅度加长了窑尾烟道、专门给后窑口加了蒸发室，将窑尾烟气在进入分解炉前、就将NOX控制在了100mg/Nm³以下，大大降低了分解炉的脱硝负担。

从2018年底到2019年中，天瑞水泥在半年多的时间内，已陆续在卫辉2#窑、登电、永安改造了3条5000t/d线 和荥阳1条12000t/d线，都取得了很好的效果：NOX排放浓度达到20～30 mg/Nm³，氨逃逸达到3 mg/Nm³以下，氨水用量只有0.7～0.8t/h，窑产能提高了10%左右。

卫辉公司两条5000t/d线的预热器对比

就5000t/d线来讲，改造工期在50天左右，改造费用约为3000万元/条。如果采用甲供材协议，费用还可能进一步降低。

卫辉公司20191016脱硝系统中控截图

卫辉公司20191016日11:00:07的中控截图：未改造的1#窑，氨水用量为0.98m3/h，NOX排放浓度为73mg/Nm³，氨逃逸为4.75mg/Nm³；已改造的2#窑，氨水用量为0.40m3/h，NOX排放浓度为26mg/Nm³，氨逃逸为2.48mg/Nm³。

优点：与SCR相比，脱硝效果更好一些，一次性投资低了四分之一，管理维护简单，操作使用方便，运行稳定可靠，不存在催化剂回收。

问题：由于各厂的工况和原燃材料不同，投运初期有可能会遇到局部结皮，还需要针对性的局部小改。