編者按

今年是“兩個一百年”的歷史交匯點，全面建設社會主義現代化國家新征程即將開啟。新基建、大數據、綠色制造，水泥工業也迎來了新的發展機遇和挑戰。保護生態環境、減少污染物減排，仍是水泥工業面臨的緊迫任務。

中國水泥網于去年12月16日報道了“國內外首臺套水泥窯爐中低溫煙氣SCR脫硝工程項目通過專家評審”的消息，受到水泥行業多方面的關注，不少水泥生產企業來電來函，希望有詳細的報道跟進，以便為了解、掌握和應用這項工程技術提供更多的幫助。為此，中國水泥網技術欄目記者專程采訪了項目負責人汪瀾，以下是訪談對話全文。

問題一：NOx是什么樣的化合物？它有什么危害？

答：NOx是一種嚴重的大氣污染物;NOx包含多種化合物，如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）和二氧化氮(NO2)等，可統稱為氮氧化物。氮氧化物是形成光化學煙霧和酸雨的一個重要原因;光化學煙霧是有毒煙霧，具有特殊氣味，可傷害人體視覺器官、妨礙植物生長，并使大氣能見度下降。酸雨可導致土壤酸化，使農作物大幅度減產，酸雨還可使水泥混凝土建筑結構加快老化，導致水泥混凝土強度下降，表面溶解，并產生“黑殼”效應。更為嚴重的是氮氧化物可刺激人體肺部器官，導致肺部構造改變，嚴重危害人類的身心健康。

問題二：NOx有如此嚴重的危害，那它是怎樣產生的呢？

答：NOx的產生分為天然和人為活動兩大類。天然排放的NOx主要來自土壤和海洋中有機物的分解，屬于自然界的氮循環過程。人為活動排放的NOx，大部分來自化學燃料的燃燒過程，如汽車、工業窯爐的燃燒過程。在高溫燃燒條件下，N2與O2化學反應，形成NOx，主要以NO的形式存在，但NOx隨后也會氧化成NO2，并進一步與水分子作用形成酸雨中的酸組分硝酸（HNO3）。

在高溫燃燒條件下產生的NOx可分為三類：第一類由燃燒過程空氣中的N2氧化形成，稱為熱力型NOx；第二類由燃料中固定氮生成，成為燃料型NOx；第三類由含碳自由基與N2生成，稱為快速型NOx。工業窯爐由于高溫燃燒特性，95%以上NOx為熱力型NOx。

問題三：窯爐是水泥生產的主要設備,高溫煅燒是水泥熟料生產的主要工藝過程，看來也會產生一定量的NOx？

答：有研究測算2020年我國NOx總排放量約為2千萬噸。我國是水泥生產大國，水泥產量常年位居世界第一；目前約有1600余條新型干法水泥生產線，年生產水泥熟料約為13億噸。根據全國污染源普查確定的NOx排放系數為1.5kg/t-熟料~1.8kg/t-熟料算，2020年我國水泥工業窯爐排放的NOx約為200余萬噸，占全國NOx總排放量的10%,也是繼火電發電廠和機動車之后的第三大排放源。

問題四：針對NOx減排，國家有哪些方針政策或指導意見？

答：保護環境是我國的基本國策。早在2005年時任浙江省委書記習近平就提出了“綠水青山就是金山銀山”這一科學論斷；每年《政府工作報告》都提出要持續推進污染治理及加強工業、燃煤、機動車三大污染源治理的具體要求和減排目標；《大氣污染物防治行動計劃》提出“加強脫硫、脫硝等方向的技術研發”、《工業窯爐大氣污染綜合治理方案》提出“完善工業爐窯大氣污染綜合治理管理體系，推進工業爐窯全面達標排放，實現工業行業二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物排放進一步下降。”

應該指出的是，目前以火電廠為主體的煤電行業通過采用催化還原技術（SCR），已經實現全行業的超低排放。機動車NOx減排也進入由“國五”到“國四”排放標準的過渡時期；鋼鐵行業也是先行一步，到2025年底,全行業力爭80%以上產能完成超低排放改造，即排放煙氣中顆粒物、SO2和NOx濃度分別低于10mg/Nm3、35mg/Nm3和50mg/Nm3。

問題五：各工業領域超低排放緊鑼密鼓，那水泥行業有什么具體要求嗎？

答：我國水泥工業大氣污染減排標準隨著水泥生產工藝技術進步而不斷發展和完善。從1973年納入《工業企業“三廢”排放減排標準》僅對顆粒物進行排放限制，到近期排放標準對顆粒物、SO2、NOx、HF、NH3和Hg等排放進行全面限制，為水泥工業綠色轉型提供了引領。

目前，國內水泥工業執行的排放標準為《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB 4915-2013）。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NOx排放濃度小于50mg/Nm3，江蘇省擬發布的地方標準則把實現超低排放的目標提前到2022年。此外，環保部頒發的《重污染天氣重點行業應急減排技術指南》則要求，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耗量小于4kg，才能認定為A級企業，享受相應的政策支持。

問題六：目前水泥工業NOx減排及工程技術應用是什么樣的狀況？

答：事實上，我國水泥工業從1996年就開始研究NOx減排技術和工程應用，2007年開始全面推廣非催化還原技術（SNCR），即將還原劑氨水噴入到分解爐管道中，用于NOx的還原。SNCR技術的脫硝效率可高達60%。若水泥窯爐煙氣NOx原始濃度為1000mg/m3，采用SNCR技術可控制NOx排放值小于400mg/m3。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NOx。分級燃燒技術的脫硝效率約為30%。

以德國為代表的世界水泥工業早在上世紀八十年代初就已開始水泥窯爐煙氣NOx減排技術的研發及工程應用，但考慮到SNCR技術產生的氨逃逸問題，從2000年后開始采用SCR技術。截止到2020年底，德國水泥生產線采用SCR技術多達17條，約為生產線總數的一半。

我國從2018年開始學習引入國際上水泥窯爐煙氣SCR脫硝技術，典型案例有河南登封宏昌水泥采用的高溫中塵SCR技術和山東濟寧海螺水泥采用高溫高塵SCR技術。

問題七：SNCR技術與SCR技術都是采用氨水作為NOx減排及脫硝的還原劑，SNCR與SCR這兩種技術有什么區別？

答：SNCR是將氨水噴入到分解爐及連接管道中，在800℃以上的高溫區，NH3分子與NOx分子直接碰撞反應，形成N2和H2O。可見，這種反應是隨機的，有對應的閾值。如果要通過SNCR技術一味地提高脫硝效率，這就需要大幅度提高氨水用量。有水泥生產企業SNCR技術應用案例表明，將氨水用量提高到8kg/t-熟料，有可能將煙氣中NOx排放濃度降低到100mg/m3以下，但與此同時的氨逃逸已經大大超過100mg/m3。

與SNCR技術相比，SCR技術是在窯爐煙氣小于320℃的區域布置了脫硝反應器，并在反應器中安裝了多層催化劑材料。這類催化劑材料對NH3分子和NOx分子都有很強的吸附能力，使煙氣中的NH3分子和NOx分子能在催化劑表面產生有效接觸碰撞。此外，催化劑材料中含有過渡金屬氧化物，由于價態易變，可以為NH3分子與NOx分子的反應提供電子轉移，進而大大加快了反應的進行。SCR技術脫硝效率可以大于95%，并且可大大降低氨逃逸。

問題八：SCR技術脫硝效率高，可以實現水泥窯爐煙氣NOx超低排放，但如何與既有的水泥生產線配套？

答：水泥窯爐煙氣從預熱器C1級筒排出后溫度約為320℃，粉塵濃度約為120g/m3，煙氣通常是通過連接管道進入到余熱鍋爐進行余熱發電利用。從余熱鍋爐排出后煙氣溫度約為200℃、粉塵濃度降為55g/m33，煙氣再進入生料粉磨系統，經布袋收塵后，從排氣筒排出;出排氣筒的煙氣溫度約為100℃，粉塵濃度小于10mg/m3。

SCR反應器可以布置在預熱器C1級筒后，布置在余熱鍋爐后，或是布置在布袋收塵器后，這就產生了“高溫布置”、“中低溫布置”和“超低溫布置”幾種不同的模式。目前，“高溫布置”和“中低溫布置”技術都已得到實際工程應用，可以認為是較為成熟的工程技術，“超低溫布置”技術還在深入的研究之中。

問題九：針對水泥窯爐煙氣脫硝成熟的SCR技術有不同的布置區域，技術上各有什么特點？

答：“高溫布置”又分為高溫中塵布置和高溫高塵布置，前者是在SCR反應器前布置高溫電收塵器，使進入SCR反應器煙氣中的粉塵濃度下降至50g/m3左右，進而減少進入SCR反應器的高粉塵對催化劑材料脫硝效率及長期使用壽命的影響；后者是高粉塵濃度煙氣直接進入SCR反應器，這樣減小了SCR反應器對后續余熱鍋爐發電量的影響，同時也減少了設備投資和SCR反應器全系統運行故障率。

“中低溫布置”結合了“高溫布置”兩種形式的優點，即SCR反應器置于余熱鍋爐后，這樣對窯爐運行及余熱鍋爐發電效率都沒有任何影響，由于余熱鍋爐中煙氣粉塵的自然沉降，進入到SCR反應器中的煙氣粉塵濃度僅約為55g/m3，與“高溫中塵布置”基本相當。

由于“中低溫布置”SCR技術的優勢，國家重點研發計劃“大氣污染成因與控制技術研究”重點專項中立項“建材行業煙氣多污染物協同控制技術研發及工程示范”和“建材行業煙氣污染物全過程減排及節能耦合技術研究與示范”，前一重點研發計劃項目由清華大學牽頭，中國建材總院參與；后一重點研發計劃項目由中國建材總院牽頭。在院士專家的指導下，通過不懈努力，研究團隊開發出高性能的中低溫催化劑材料，并且與5000t/d水泥熟料生產線配套，實現了水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝技術的工程應用，取得了長期高效穩定的運行效果。

問題十：那中低溫SCR脫硝催化劑材料技術有什么創新？

答：SCR脫硝技術1959年起源于美國，以后在日本和德國燃煤電廠中得到商業應用，我國于上世紀90年代初引進這一技術，目前已廣泛應用于電力行業、鋼鐵行業等工業部門，可以說SCR脫硝技術已經非常成熟，但采用的SCR催化劑材料工作溫度窗口大多高于300℃。為此，國家重點研發計劃項目特別提出要研發中低溫SCR脫硝催化劑材料技術，并且在煙氣溫度低于220℃的工況條件下實現工程化應用。

由此可知，中低溫SCR脫硝技術的核心是中低溫SCR脫硝催化劑材料技術，為此，研究團隊對傳統的高溫催化劑材料進行改進性研究，通過添加強吸附功能材料組分，使催化劑材料對NH3分子和NOx分子吸附能力增加了數倍；通過添加微量過渡金屬元素，使NH3分子與NOx分子反應的電子轉移加速，反應速率大幅度提高，通過新的加工制備工藝，使催化劑材料的表面積和孔容增加、耐磨性能也有顯著提高，最終實現了高性能中低溫催化劑材料的商業化生產；目前已申報發明專利23項，獲專利授權5項，形成了一系列自主知識產權。

問題十一：中低溫SCR脫硝催化劑材料已實現了商業化生產，那這種催化劑材料還有什么特點？

答：通過優化主催化劑、助催化劑和載體組成配比及較高焙燒溫度，使中低溫SCR脫硝催化劑材料有了更多的優點，包括催化劑材料的比表面積增加、活性增強、抗失活能力提高。

催化劑材料失活，即在一段時間使用后脫硝效率下降，是催化劑材料存在的普遍問題。我們研究的中低溫催化劑材料焙燒溫度比傳統催化劑材料焙燒溫度高出了100多度，防止了催化劑材料在長期高溫工況條件下的結構破壞，避免了催化劑材料的熱燒結失活。針對高溫催化劑材料常有被細微粉塵堵塞的現象，我們研究的中低溫催化劑通過干燥、陳腐工藝過程優化，控制催化劑材料的孔容及孔結構形式，有效地防止了粉塵堵塞現象的發生。

還有一個非常值得關注的現象，以往國內外文獻報道，高溫催化劑材料易受鉈（Tl）、砷（As）等元素的影響，即這些元素會占據催化劑的活性位，使催化劑材料失活，而我們研究發現在中低溫工況條件下，由于溫度下降至200度左右這些有害元素及鉀、鈉離子等都已冷凝吸附、固結在粉塵顆粒表面，故不會對催化劑材料產生影響，這與國際上的研究報道也是一致的。這也可以說是中低溫催化劑脫硝工藝技術的一個優勢。

問題十二：中低溫SCR脫硝催化劑材料技術有一系列創新和應用優勢，在實現工程化應用做了什么工作？

答：中低溫SCR脫硝催化劑材料的研發包括許多機理研究和原始創新，為實現工程化應用就需要在水泥生產實際工況條件下檢測中低溫SCR脫硝催化劑材料的各項性能。為此，在上海南方水泥有限公司的支持和配合下，我們對催化劑模塊進行實際工況條件下的性能檢測，即建立多個微型反應器，把體積為0.068m3催化劑模塊置入微型反應器中，再通過旁路引入溫度約為200℃的含塵煙氣，通過測定進出微型反應器煙氣中NOx濃度，確定單體催化劑模塊的脫硝效率及其煙氣工況條件變化對催化劑材料性能的影響。

經過一年多的單體催化劑模塊試驗研究，我們開始了中低溫SCR脫硝催化劑材料技術及工程化應用的中試研究。中試研究首先是建立了高18m的小型SCR反應器，催化劑3+1層布置，每層布置一個尺寸為1910×970×1010催化劑模塊，催化劑每層裝有吹灰裝置;引入的煙氣量為10000 m3/h，溫度為200℃，含塵量為55g/m3；煙氣中NOx濃度平均為300 mg/m3，SO2濃度平均為600 mg/m3，但有時會高達1600 mg/m3。

在中試試驗期間，研究工作重點考察中低溫催化劑材料長期性能，研究煙氣工況條件變化，包括SO2濃度變化對催化劑脫硝效率的影響。通過近2年中試裝置的連續運行，驗證了中低溫SCR脫硝催化劑材料的長期高效穩定性，同時也驗證了中低溫SCR脫硝工藝技術路線的可行性。2019年8月17日，“水泥窯中低溫SCR脫硝催化劑研發和應用”通過由中國建材聯合會組織的項目鑒定，專家意見認為“達到國際先進水平”。

問題十三：中試試驗中低溫煙氣SO2濃度有時高達1600 mg/m3，這對催化劑材料及脫硝效率會有什么影響？

答：煙氣中SO2對催化劑材料及脫硝效率有較大的影響；其反應過程是SO2與O2反應生成SO3，而SO3又會與NH3反應生成(NH4)2SO4和NH4HSO4。這些硫酸銨鹽會吸附覆蓋在催化劑材料表面，即引起催化劑硫氨中毒失活。

有研究工作表明：在有催化劑作用的條件下，SO2會在300℃以上的溫度窗口內迅速氧化成SO3，同時形成硫酸銨鹽，在煙氣溫度低于150℃條件下，冷凝吸附到催化劑材料表面。我們研究采用的中低溫SCR脫硝技術，溫度窗口在150℃~220℃之間，這樣既避免了催化劑材料在反應器中對SO2高溫催化形成SO3，又防止了催化劑材料在反應器中對硫酸銨鹽的低溫冷凝吸附。這一過程機理也已被中試試驗所證實，也可以認為是中低溫SCR脫硝技術的一個天然優勢。

問題十四：前期研究工作很深入、很扎實，這也為中低溫SCR脫硝技術工程化應用提供了良好的基礎。

答：前期的實驗室研究及實際工況條件下的中試試驗，形成了工程化應用的工藝技術方案，這也得到了上海南方水泥有限公司的肯定。上海南方水泥有限公司敢為天下先，綠色發展為引領，安排在長興南方水泥有限公司5000 t/d生產線上配套建設水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝工程項目，為踐行“金山銀山”理論樹立了榜樣。

問題十五：與5000t/d生產線配套建設煙氣中低溫SCR脫硝項目是一個大工程，請把工程建設背景介紹一下。

答：長興南方水泥有限公司位于浙江省長興縣煤山鎮，東臨太湖，與蘇州、無錫隔湖相望，是一家擁有40多年歷史的國有企業。企業的5000 t/d生產線日產熟料可達6300t，窯尾煙氣量360000 m3/h。生產線帶有精準噴氨系統，氨水用量為350 L/h~400 L/h，窯尾煙囪NOx排放濃度控制在260 mg/m3~280 mg/m3。

由于煙氣中低溫SCR脫硝反應器是布置于余熱鍋爐之后，并且截面尺寸和高度都比高溫SCR脫硝反應器小很多，故選擇在生產線原有SNCR氨水儲存庫上方建設，這樣就不會占用原有的任何場地，而且與窯尾煙氣的流向管道布置沒有任何拐角彎頭，滿足了水泥生產線工藝設備布置的基本原則要求。

問題十六：中低溫SCR脫硝反應器都有哪些關鍵工藝設備？它們有什么作用？

答：設計的脫硝反應器截面為64 m2，凈高為34 m，框架結構總重量350 t。盡管反應器的總體積大大縮小，但反應器內布置有4+1層催化劑模塊，作為脫硝反應的核心。每層催化劑上方緊密布置耙式吹灰器，周圍則布置聲波吹灰器；通過耙式吹灰器和聲波吹灰器的配合，防止了催化劑上方的任何積灰現象。脫硝反應器下部設有灰斗，可將煙氣中分離的粉塵轉送到窯尾輸灰系統。整個SCR脫硝反應器的壓力降僅為320 Pa。

對脫硝反應器的進出口煙氣管道設計，通過CFD模擬分析，確定最佳的布置形式，并且在適當位置增加導流板，以保證煙氣流場的均勻分布，防止煙氣中粉塵偏流對催化劑材料的沖刷磨損或是粉塵的局部堆積堵塞。

脫硝反應器自帶有精準噴氨系統，可以獨立進行全煙氣的脫硝；也可以與SNCR耦合，利用SNCR噴氨多余產生的氨逃逸進行最終的煙氣脫硝。氨水由熱盤管加熱蒸發，不增加電耗。

脫硝反應器帶有壓力、濃度、煙氣成分等眾多在線檢測分析儀表儀器，新增DCS控制系統，做到遠程監控和啟停，并接入全生產線集散控制系統。

問題十七：在實際工程應用中對催化劑材料采取了什么設計方案？

答：催化劑材料的優劣決定了SCR脫硝技術工程的成敗。為此，首先是對出余熱鍋爐中低溫煙氣粉塵濃度、化學成分及顆粒分布等進行了詳細的研究分析，進一步證實了中低溫煙氣中的粉塵流動性增加、粘附力下降；通過現代儀器分析，有微量鉈、砷等元素，但已經固化在粉塵顆粒表面。

盡管如此，針對長興南方5000 t/d生產線配套的SCR脫硝反應器，仍然依據“一廠一策”的設計原則，對催化劑材料進行化學優化選型設計和物理優化選型設計。化學優化選型設計包括進一步優化催化劑化學組成配比，根據反應器中每層粉塵濃度的分布，調整催化劑材料中載體的成分和用量，對催化劑材料端部表面進行耐磨處理等。物理優化選型設計包括根據流場CFD模擬，調整催化劑材料的孔徑；根據煙氣粉塵濃度、粒度分布和流動特性，確定每層催化劑的結構形式；根據反應器中每層催化劑的工況條件，確定各層催化劑的孔數和尺寸。

通過“一廠一策”的優化設計，可以保證催化劑材料的使用壽命在三年以上。

問題十八：與水泥生產線配套增設煙氣中低溫SCR脫硝反應器對原有生產線有什么影響嗎?

答：應該說明的是將SCR反應器置于余熱鍋爐后，對窯爐的正常運行和余熱鍋爐發電量都沒有任何影響。由于氨水用量的減少及氨逃逸的避免，使得過量氨水對窯尾管道及粉磨、收塵系統的腐蝕也大為減輕。但是，由于增設了SCR反應器及進出口連接管道，會增加系統阻力1000 Pa左右，這就需要窯尾風機有足夠功率，否則會考慮增加接力風機。

此外，中低溫SCR反應器工程建立的工作量相對較小，基礎處理也較簡單，工程建設周期約為100天；另需要停窯7天，以便進行最終管線的布置和連接。

問題十九：在長興南方與5000t/d生產線配套的煙氣中低溫SCR反應器運行情況怎么樣？

答：在長興南方的中低溫SCR反應器及整個工程于2020年7月進行調試并投入試運行，并且也進行了一些優化改進。例如，對反應器進出口管道進行優化布置，以進一步降低系統阻力；采用熱盤管技術進行氨蒸發，以減少系統電耗;優化耦合SNCR和SCR系統，使氨水用量更為節省。

根據國內權威機構的現場檢測及中國建材聯合會和中國水泥協會聯合組織的專家評審會意見如下：

1.自主研發了稀土耦合釩鈦體系的中低溫SCR脫硝催化劑，系統優化了催化劑的化學組成設計、物理結構形態與催化性能之間的關系，解決了催化劑對SO2等成分的敏感性問題，實現了在170～220℃窗口溫度催化劑脫硝效率可達90%。

2.自主開發了獨有的SCR脫硝催化劑干燥陳腐一體化、智能焙燒升溫制度、標準模塊化裝配的成套制備技術，解決了中低溫催化劑的高效制備難題，實現了中低溫SCR催化劑的工業化生產。

3.設計開發出水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝工藝技術，建成國內外首臺套水泥窯爐煙氣中低溫SCR脫硝反應器及其工藝技術裝備，實現工程穩定運行。

技術成果已于2020年7月在長興南方水泥有限公司5000 t/d水泥熟料生產線實現工業化應用，連續運行表明：脫硝效率達到90%、NOx排放濃度小于50 mg/m3、氨逃逸小于5 mg/m3。項目已發表學術論文23篇，申請發明專利16件，已獲授權發明專利5件。

項目成果開拓了水泥煙氣治理的新技術路線，實現水泥煙氣中低溫SCR脫硝技術的重大創新和突破，為水泥工業節能減排、綠色發展提供了有力技術支撐。

專家一致認為：成果主要技術達到國際先進水平。

問題二十：祝賀研究團隊成功研發了中低溫SCR脫硝催化劑材料，并實現了工程化應用，那在推廣該項工程技術上有什么計劃？

答：水泥窯爐煙氣NOx減排是實現水泥工業轉型升級和綠色發展的重要標志。中低溫SCR脫硝技術備受關注。我們也希望能將這項工程技術推廣應用到更多的水泥生產企業，以便為這些企業的評級和長期可持續發展提供技術支撐。具體講，對于有設計及工程建設能力的水泥集團公司，我們可以僅提供SCR脫硝技術咨詢和催化劑材料，以便使相關的水泥集團公司全面掌握這項工程技術，實現最少的投入和最大的環保收益。如有需要，我們也可以為水泥生產企業提供EPC服務，共同打造水泥行業節能環保引領示范工程。

此外,中國水泥網對中低溫SCR脫硝技術研發和工程應用進行了長期跟蹤和報道。在此，我僅表示深深的感謝！