早期水泥工業(yè)廢氣排放行業(yè)標準中對污染物排放限值較為寬松,經(jīng)1996年、2004年兩次修訂,顆粒物(PM)、SO
2、NOx排放限值分別為50 mg/m³、200 mg/m³、800mg/m³,該限值一直持續到2012年。由于水泥熟料燒成過(guò)程的固硫作用使得SO
2排放質(zhì)量濃度低于200mg/m³,新型干法生產(chǎn)工藝基本可使NOx排放質(zhì)量濃度低于800mg/m³,運行穩定的大型生產(chǎn)線(xiàn)甚至可達500mg/m³以下;僅有PM 排放質(zhì)量濃度高達20~60g/m³,是排放限值的400~1200倍,是水泥廠(chǎng)早期重點(diǎn)污染物,此階段通常配套電除塵器可達標排放,不需配套脫硫及脫硝設施。
2010年開(kāi)始,全國水泥工業(yè)啟動(dòng)廢氣脫硝改造,主流技術(shù)是選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術(shù),可實(shí)現NOx排放質(zhì)量濃度低于400mg/m³,一般可控制到320mg/m³以下,美國環(huán)境保護署(USEPA)報道[1]最佳可達到200mg/m³以下。該技術(shù)支撐《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》(GB 4915—2013)發(fā)布。
我國水泥工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)多、單條生產(chǎn)線(xiàn)排煙量大,然而大氣污染物排放標準遠比燃煤電廠(chǎng)寬松,而排放總量超過(guò)了火電、鋼鐵行業(yè),已成為第一大排放源和非電行業(yè)的管控重點(diǎn)。繼燃煤電廠(chǎng)全面完成、鋼鐵行業(yè)全面推進(jìn)超低排放改造后,全國各地開(kāi)始推動(dòng)非電行業(yè)超低排改造,政策開(kāi)始引導水泥工業(yè)向超低排放發(fā)展。本研究主要對現有標準和治理技術(shù)進(jìn)行系統分析,有利于水泥工業(yè)超低排放政策發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。
1、現行水泥工業(yè)NOx排放國家標準及部分地方標準
序號 |
標準名稱(chēng) |
標準號 |
頒布時(shí)間 |
執行時(shí)間 |
NOx排放限值(mg/m³) |
氨逃逸排放限值(mg/m³) |
備注 |
1 |
水泥工業(yè)大氣污染物排放標準 |
GB 4915-2013 |
13年12月27日 |
14年3月1日 |
400 |
10 |
|
320 |
8 |
重點(diǎn)區域 |
2 |
關(guān)于推進(jìn)實(shí)施水泥工業(yè)超低排放的意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿) |
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(23年6月) |
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50 |
8 |
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3 |
水泥工業(yè)大氣污染物超低排放標準 |
T/CCAS 022-2022 |
22年4月20日 |
22年7月20日 |
100 |
8 |
|
4 |
四川省水泥工業(yè)大氣污染物排放標準 |
DB51 2864 -2021 |
21年12月8日 |
22年7月1日 |
150 |
8 |
攀枝花市、阿壩、甘孜、涼山 州 |
100 |
8 |
其他城市 |
5 |
重慶市水泥工業(yè)大氣污染物排放標準 |
(DB 50/656-2016) |
16年1月26日 |
16年2月1日 |
250 |
8 |
主城區 |
350 |
10 |
其他區域 |
6 |
重慶市水泥工業(yè)大氣污染物排放標準 |
征求意見(jiàn)稿 |
22年9月30 日征求 |
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100 |
8 |
控制區 |
|
150 |
8 |
其他區 |
7 |
北京市水泥工業(yè)大氣污染物排放標準 |
(DB11/ 1054-2013) |
13年12月26日 |
14年1月1日 |
200 |
5 |
Ⅱ時(shí)段(2016年1月1日起執行) |
8 |
河北省水泥工業(yè)大氣污染物超低排放標準 |
DB 13/ 2167—2020 |
20年 03月13日 |
20年05月01 日 |
100 |
8 |
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9 |
《山東省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案》 |
魯環(huán)發(fā)〔2022〕8號 |
22年6月20日 |
23年9月底前 |
50 |
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黃河流域各市 |
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23年年底前 |
|
全省全面完成水泥行業(yè)超低排放改造 |
10 |
關(guān)于印發(fā)《山西省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案》的通知 |
晉環(huán)發(fā)〔2021〕16號 |
21年4月25日 |
21年底 |
50 |
5 |
大同朔州兩市 |
22年底 |
11個(gè)城市規劃區和太原及周邊“1+30”縣 |
24年底 |
全省 |
11 |
廣東省《關(guān)于進(jìn)一步加強固定源和移動(dòng)源氮氧化物減排工作的通知》 |
2022-04-07征求意見(jiàn) |
22年5月 |
鼓勵25年前實(shí)現 |
50 |
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12 |
《寧夏回族自治區水泥行業(yè)煙氣超低排放改造實(shí)施方案》 |
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22年6月 |
22年底前 |
100 |
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完成寧夏14家水泥企業(yè)共22條生產(chǎn)線(xiàn)煙氣超低排放改造。 |
13 |
《吉林省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案(征求意見(jiàn)稿)》 |
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23年底前 |
100 |
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25 年底前 |
50 |
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14 |
《浙江省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案》 |
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20年 |
22年底前 |
100 |
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25年6月底前 |
50 |
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15 |
《河南省水泥行業(yè)超低排放改造實(shí)施方案(征求意見(jiàn)稿)》 |
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21年6月 |
20年底前 |
100 |
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2、現有水泥NOx超低排放技術(shù)介紹
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及水泥窯煙氣NOx排放標準的不斷收嚴,水泥窯煙氣脫硝歷經(jīng)SNCR技術(shù)、低氮燃燒器技術(shù)、分解爐分級燃燒技術(shù)等,它們建設費用低,性能良好,因此受到廣泛應用,目前國內水泥生產(chǎn)線(xiàn)均已采用以上幾種或一種技術(shù),NOx得到有效控制。但從實(shí)際情況來(lái)看,這些技術(shù)自身雖然具備不同的優(yōu)勢,但也受到技術(shù)本身的限制,在排放標準進(jìn)一步收嚴后難以保證NOx超低排放(≤50mg/Nm³)的同時(shí)滿(mǎn)足氨逃逸≤5mg/Nm³的標準。根據相關(guān)資料調研,國外早在2006年意大利Moncelice水泥廠(chǎng)采用SCR工藝進(jìn)行脫硝,粉塵在100g/Nm³左右,煙氣溫度330℃,屬于高溫高塵SCR工藝,NOx從初始1200mg/Nm³降至400mg/Nm³,氨逃逸小于5mg/Nm³;2010年德國Mergelstetten水泥廠(chǎng)、2013年美國Joppa水泥廠(chǎng)、2017年德國WOTAN-Zement先后采用高溫高塵SCR工藝進(jìn)行脫硝治理;2012年奧地利Mannersdorf水泥廠(chǎng)采用高溫中塵SCR工藝,入口粉塵約20g/Nm³左右;國外水泥窯相關(guān)SCR脫硝工藝絕大多數采用了高溫催化劑,已經(jīng)過(guò)長(cháng)期運行的考驗。在我國SCR脫硝技術(shù)在電力、鋼鐵、化工等行業(yè)已成功運行多年,是實(shí)現NOx超低排放的最主要技術(shù)。目前水泥窯SCR技術(shù)根據適應溫度和顆粒物含量主要分為高溫高塵、高溫中塵、高溫低塵、中溫中塵這4種工藝路徑,均有能穩定運行的工程案例,具體工藝技術(shù)指標對比見(jiàn)下表:
水泥窯的各種SCR工藝技術(shù)指標對比表
項目/路徑 |
高溫高塵 |
高溫中塵 |
高溫低塵 |
中溫中塵 |
還原劑 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
反應溫度/℃ |
280-350 |
280-350 |
280-350 |
180-260 |
脫硝效率 |
~90% |
~90% |
~90% |
~85% |
預除塵 |
/ |
電除塵 |
金屬濾袋 |
/ |
SCR入口粉塵濃度g/Nm³ |
80-100 |
≤60 |
≤0.03 |
≤60 |
催化劑對煙氣中SO2要求 |
/ |
/ |
/ |
≤50 |
系統壓降/Pa |
~800 |
~1200 |
~1200 |
~800 |
余熱利用溫度損失℃ |
8 |
17 |
17 |
/ |
脫硝效率 |
高 |
高 |
高 |
偏低 |
占地面積 |
小 |
大 |
大 |
小 |
建設費用 |
中等 |
高 |
高 |
高 |
運行費用 |
中等 |
高 |
高 |
高 |
系統可靠性 |
高 |
較高 |
較高 |
高 |
3、水泥工業(yè)NOx超低排放工藝選擇原則
由于水泥窯的在垃圾、固廢、危廢處理方面具有明顯的優(yōu)勢,因此目前水泥窯協(xié)同處理垃圾、固廢、危廢等情況越來(lái)越普遍,進(jìn)而導致廢氣成分較傳統水泥生產(chǎn)線(xiàn)有很大的區別。根據水泥生產(chǎn)線(xiàn)協(xié)同處理物質(zhì)種類(lèi)的不同,尾氣成分也不同,據調查廢氣中成分主要增加有酸性氣體(如二氧化硫、氯化氫等)、揮發(fā)性有機物、重金屬、氟化物等,這些成分的存在會(huì )導致高溫金屬濾袋的堵塞、高溫電收塵器極板的腐蝕和脫硝催化劑的腐蝕、中毒,進(jìn)而影響后續脫硝設施運行的穩定性、安全性,并導致維護成本及運行成本的大幅提升,因此在選擇工藝時(shí)必須根據各自企業(yè)尾氣成分、運行工況等因素針對性的做出選擇,以避免造成生產(chǎn)成本的增加或投資失敗。
目前控制水泥窯爐NO
x排放的方法很多,各種脫硝工藝的工程投資、脫硝效率和適用條件也各不相同,選擇何種脫硝工藝一般可根據以下幾個(gè)方面綜合考慮:
(1) NO
X排放濃度及氨逃逸必須滿(mǎn)足國家和當地政府環(huán)保要求;(2) 脫硝設施必須適用于工程已確定的運行條件,并確保對生產(chǎn)運行影響最??;(3) 明確廢氣組分,選擇合適的催化劑,并根據催化劑特性選擇合適的工藝組合。(4) 脫硝工藝要做到技術(shù)成熟、設備運行可靠,并有較多成功的運行業(yè)績(jì);(5) 根據工程的實(shí)際情況盡量減少脫硝裝置的建設投資;(6) 脫硝裝置應布置合理,因地制宜;(7) 煙氣脫硝技術(shù)先進(jìn),還原劑、水和能源等消耗少,盡量減少運行費用。
4、目前國內外水泥工業(yè)SCR工藝應用情況
項目 |
高溫高塵 |
高溫中塵 |
高溫低塵 |
中溫中塵 |
應用企業(yè) |
海螺水泥、臺泥、金隅冀東等 |
宏昌、金峰、曲寨等 |
華潤等 |
山水、亞?wèn)|、中建材。 |
應用數量 |
~100條 |
~20條 |
~5條 |
~50條 |
以上數據為截止2022年12月,從目前應用案例來(lái)看,水泥NOx超低排放采用高溫高塵SCR路線(xiàn)最為普片,但其他工藝路線(xiàn)也有穩定運行的案例。
高溫高塵工藝:由于占地面積小,投資相對低的特點(diǎn),對水泥生產(chǎn)線(xiàn)影響小,是目前市場(chǎng)上選擇最多的工藝,但是由于水泥廢氣粉塵含量高,脫硝反應器設計時(shí)要解決好催化劑堵塞問(wèn)題,不過(guò)粉塵會(huì )對催化劑有一定磨損,在一定程度上影響催化劑的物理壽命。
高溫中塵工藝:具有催化劑選擇面廣,高溫催化劑技術(shù)成熟,催化劑使用壽命相對較長(cháng)等特點(diǎn),目前也有較多的應用案例。但此種工藝未完全解決催化劑磨損問(wèn)題,同時(shí)高溫電除塵器的成本相對較高,系統阻力較大,運行能耗較高。
高溫低塵工藝:由于脫硝段不需要考慮粉塵的影響,類(lèi)似于火電廠(chǎng)鍋爐的高溫脫硝,單從脫硝角度說(shuō)是最成熟的也是應用最廣的脫硝方式,只是高溫金屬濾袋除塵器投資較高,系統阻力大,除塵段出現問(wèn)題一般需要停機維護,更換金屬濾袋費用很高,因此高溫低塵應用案例相對較少。
中溫中塵工藝:規避了高溫除塵,將脫硝反應器布置于余熱發(fā)電之后,但中低溫脫硝催化劑選擇面較窄,費用較高,催化劑不耐硫,同時(shí)針對使用礦渣、生活垃圾等水泥生產(chǎn)企業(yè)由于煙氣中硫、氯、氟等酸性氣體和腐蝕性氣體會(huì )導致催化劑中毒、腐蝕,需要配置熱解析系統,增加了系統運行成本、降低了系統穩定性。綜上,從目前水泥工業(yè)SCR技術(shù)應用案例數量和運行穩定性來(lái)看,高溫高塵技術(shù)路線(xiàn)相對成熟,系統溫降小,運行阻力低,對生產(chǎn)線(xiàn)影響小,經(jīng)濟性好,投資相對較低的特點(diǎn),企業(yè)可以?xún)?yōu)先考慮。
5、結語(yǔ)
2023年6月生態(tài)環(huán)境部公開(kāi)發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施水泥工業(yè)超低排放的意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)》,明確水泥超低排放指標為:顆粒物10mg/Nm³,二氧化硫mg/Nm³,氮氧化物50mg/Nm³,為水泥生產(chǎn)線(xiàn)超低排放指明了方向,也給水泥廠(chǎng)帶來(lái)新的壓力和挑戰,為確保企業(yè)能在激烈的市場(chǎng)競爭中能夠生存和發(fā)展,根據生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際情況選擇合適于自身的工藝路線(xiàn)和設備選型是企業(yè)長(cháng)遠發(fā)展的必由之路。環(huán)保是在“安全”的前提下,解決“達標”的問(wèn)題;環(huán)保是在“達標”的前提下,解決“成本”的問(wèn)題;環(huán)保不是單一的技術(shù)問(wèn)題,更是成本問(wèn)題;成本問(wèn)題,不僅是投資的問(wèn)題,更是綜合運行成本的問(wèn)題。