近日，“2019中國水泥行業超潔凈排放技術交流大會”在鄭州召開。來自全國近600位行業專家學者齊聚一堂，共同探討水泥行業超潔凈排放的發展態勢。中國水泥網高級顧問、中硅工程分會副會長賈華平應邀出席并做關于《水泥生產大氣排放與治理芻議》的報告。

一、超低排放的演化與問題。
　　目前，水泥生產大氣污染物排放的國家標準，仍然執行GB 4915-2013 標準，要求新建企業自2014年03月01日、已有企業自2015年07月01日起，一般地區按表1執行，重點地區按表2執行。

　　上述數據顯示，多數企業牽涉的控制指標有“顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨”四項。實際上，國家標準為最低標準，這個要求并非嚴苛，現有生產企業已經全部實現。
　　鑒于國內環保意識的增強和環保力度的加大，特別是近年來治理霧霾的壓力要求，以及嚴重的產能過剩，各地方政府對國家的環保政策給予了積極響應，不但嚴格執行了國家的環保標準，而且因地制宜地制定了更加嚴格的地方標準，并達到了很好的落實。
　　值得一提的是，為了響應國家的環保治理要求，水泥行業自加壓力，首先創造性的發起了錯峰生產，冬季與采暖高峰錯峰，夏季與用電高峰錯峰，既緩解了環保治理的難度，又在一定程度上緩解了水泥行業的產能過剩，為水泥行業的供給側改革爭取了時間。
　　河北省和北京市，與國家同步執行了更嚴格的標準；處于京津冀污染通道上的，包括晉豫魯三省的28個城市，全部按國家重點地區標準執行，對京津冀地區的霧霾治理作出了水泥行業的貢獻。部分地區的嚴控標準見表3。

　　值得一提的是，河南的鄭州、河北的唐山等城市，為了促進環保治理技術的發展，專題制定了2019年深度治理方案，對排放限值提出了極限要求，對在10月底前能完成深度治理要求的生產線，將給予錯峰生產、應急管控的停產豁免。賈華平表示自己對此堅決支持，但同時要有相應的技術支撐，否則有可能欲速不達。
　　技術是把雙刃劍，有利有弊，如何做好這與技術的成熟度有很大關系。對環保技術的發展也是如此，在一項技術獲得突破以前，過高的要求可能存在較大的風險，有可能導致盲目建設和重復建設，浪費了有限的資金投入。
　　與其靠使用方市場冒風險拉動，不如靠支持供給側穩妥研發；與其靠鼓勵水泥企業積極探索，不如靠加大對研發企業的財政支持。
　　就脫硝問題，治霾專家陶光遠在總結他的六年治霾時就講過：排放限值降到50mg/m3時，就帶來了一個特別嚴重的問題。我們看SNCR、SCR脫硝，要想降低NOX，就拼命地往里噴氨水，結果造成了大量的氨逃逸，氨逃逸跑到脫硫塔就和二氧化硫合成硫酸銨。硫酸銨沒什么說的，水溶性，就噴到空中去了，這一邊是降低了NOX皆大歡喜，但那一邊加重了霧霾而怨聲載道。
二、超低排放的技術支撐與難點。
　　就超低排放控制的四個指標“顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨”來講，覆蓋所有企業的是顆粒物、氮氧化物，二氧化硫只是部分原燃材料含硫高的企業，難度最大的氮氧化物，氨則主要來自于二氧化硫、氮氧化物的治理措施。
　　1、關于顆粒物治理
　　在粉塵治理上，超低排放沒有難度。
　　概念性已經不存在技術難題，只是一個投入的問題、一個投入產出比問題、一個環保方面的機會成本問題，這要根據我們的社會發展水平來確定。
　　實際上，從上世紀80年代我們引進一系列環保治理設備和技術以來，確實取得了長足的進步，但仔細分析就會發現，除了技術的先進性以外，關鍵是過濾風速的大幅度降低。過濾風速的降低意味著裝備的加大、投資的加大，還是一個重視程度問題。
　　上世紀90年代，賈華平參與了某公司的窯尾電除塵改造，改造采用了當時平頂山電除塵器廠的設備，改造完標定的排放結果是7mg/Nm3、9 mg/Nm3、13 mg/Nm3。
　　當時的排放限值是100mg/Nm3，原有的電除塵器空間很大，改造后的過濾風速很低。
　　同時，水泥行業為什么在上世紀力推電改袋，而有的企業還在拿“電除塵器完全能夠達到排放標準”說事。殊不知，電改袋或電袋復合，不是因為電除塵器的排放不達標，而是如何解決事故排放問題！
　　當然了，技術發展是無止境的，但除塵技術的攻關方向，已經不是達標問題，而是如何加大投入產出比問題。這幾年，在除塵技術的進步主要有：①新型濾料的開發；②皺褶式濾袋的引用；③團聚除塵技術的研發。

　　                                                  團聚除塵技術在黃河同力水泥公司的應用
　　2、關于二氧化硫的治理
　　關于SO2的排放，原來在地域分布上不太均衡，水泥窯本身就是很好的脫硫工藝，北方的原燃材料含硫不高，脫硫問題主要在南方的一些水泥企業；但隨著原料資源的不斷貧化、低價位高硫煤的部分應用、以及已經熱化起來的協同處理，需要脫硫的水泥企業迅速增多。
　　總體上，二氧化硫的超低排放還不是難題，只要給予一定的投入，采用相應的脫硫措施，還是能夠實現的。無非是一次性投資和運行成本問題。
　　根據脫硫負荷的大小，目前在水泥行業主要采用的有：①利用分解爐CaO直接脫硫，②固硫劑加脫硫劑復合脫硫，③廢氣系統濕法脫硫。以第一種最簡單，但效果有限；以第三種最有效，但投資建設和運行成本都很高。

　　                                                       分解爐CaO直接脫硫工藝
　　在以上三種主要技術措施以外，現在又出現了第四種技術，湖南岳陽的昌迪公司去年開發了一種脫硫助磨劑，經多條水泥生產線的試用，不但能對生料粉磨提產節電、對熟料燒成提質節煤，而且能有效降低SO2排放。
　　其曾專程參與見證了該技術在LY公司5000T/D線的工業實驗，通過添加脫硫助磨劑，燒成系統的尾氣排放得到改善，特別是SO2排放明顯降低，在濕法脫硫入口測定的數據對比數據見下表，總體變化趨勢見下圖。

　　                                        2018年4月11日-5月1日進脫硫塔SO2濃度總體趨勢圖
　　3、關于氮氧化物的治理
　　NOX的超低排放難度很大。目前主要是SNCR和分級燃燒技術；SCR在水泥行業的應用，由于行業特點，存在粉塵大易堵塞、催化劑易中毒和溫度窗口問題，僅管也在探索、但總體上進展不大，還不到大面積推廣階段。
　　目前在河南、江蘇使用SCR的兩條生產線，開始的效果較為理想，但3個月后就出現了堵塞，窯也開始出現黃心料等問題，究其主要原因是水泥廢氣的含塵量太大。
　　盡管大家積極性很高，各種脫硝措施也不少，如果能多頭并舉、按照多種措施的效率疊加，似乎實現超低排放并不是問題，但實際效果都不理想，甚至在一些基本認識上還存在誤區。
　　3.1生產系統的穩定性需要加強
　　實際上NOX的治理是一個系統工程，穩定原燃材料和生產工藝是不可或缺的基礎，這方面需要引起大家的重視。只有穩定的生產工藝系統，才能穩定脫硝的溫度窗口、才能穩定脫硝負荷，提高脫硝措施的針對性和力度的把握，在提高脫除效率的同時、降低負面的氨逃逸。
　　根據近年一系列標定報告的分析，表面上存在生產線規模越大氮氧化物生成量越低的規律，但仔細分析發現，生產線規模越大越重視生產的穩定，小規模的生產線甚至連均化設施都不完善。
　　原燃材料的波動導致燒成工況的波動，燒成工況的波動必然導致燒成溫度的提高，進而導致氮氧化物的提高。
　　這里有一個典型的案例，可以佐證燒成溫度對NOX排放的影響，
　　2015年11月中旬筆者受河南省環保局邀請，參加了對省內水泥企業脫硝設施及運行情況的檢查，針對特種水泥要不要上脫硝設施、是否具備條件，一時難以決策，隨決定在檢查中根據具體情況再定。但在檢查中發現硫鋁酸鹽熟料1000t/d預分解窯、混凝土膨脹劑熟料1000t/d預分解窯的廢氣NOX都不高，這與其燒成溫度低有直接的關系。硫鋁酸鹽熟料的燒成溫度一般在1350℃，混凝土膨脹劑熟料的燒成溫度只有1200℃左右。
　　由于兩個廠都沒有上脫硝設施，檢查組認為在線分析儀的監測結果需要核實確認。2015年11月12日調標定人員，對焦作華巖實業有限公司的生產線進行了NOX現場實測，其檢測結果見表21-01。 檢測結果表明，不論是實測值還是換算值，NOX都比煅燒硅酸鹽水泥熟料的預分解窯低得多。

　　3.2多數低氮燃燒器只是噱頭
　　開發低氮燃燒器，首先要搞清楚氮氧化物是怎么產生的，需要什么條件，你是否規避了這些條件，不能籠統的說自己是低氮燃燒器。你可以開發相對低氮的燃燒器，但現在國內的燃燒器都談不上低氮。
　　準確的說，窯內產生的氮氧化物，與溫度有關、與氧含量有關，但與火焰沒有直接關系，分解爐也如此，這是我們分析問題的基礎。
　　凡是看到火焰的地方就有煤粉燃燒、有燃燒就會缺氧，火焰分布的空間基本都是缺氧環境，火焰怎么能產生氮氧化物呢？氮氧化物都是在火焰外圍高溫富氧空間產生的，因此與二次風溫和風量有較大關系。
　　對于燃燒器來講，促進煤粉燃燒是其基本功能，需要區別的是，增強對二次風的卷吸作用，將富氧的二次風拉進缺氧環境下使用，能在一定程度上擬制氮氧化物的生成；而增大火焰向二次風中擴散，則能提高火焰外圍富氧二次風的溫度，會增大氮氧化物的生成。
　　皮拉德號稱低氮燃燒器，將旋流風置于煤風以外；洪堡號稱低氮燃燒器，有更高的軸流風速和更低的旋流風速、而且不設中心風。其目的都是提高火焰對二次風（氧）的卷吸、降低火焰向富氧區擴散，在確保燃燒效率的同時，控制火焰外圍富氧二次風的溫度。
　　遺憾的是，我們國內生產的燃燒器，無一例外將旋流風布置在煤風以內，而且軸流風速不夠高、旋流風速只嫌低，還無一例外的標榜自己是低氮燃燒器。
　　這種布局能提高火焰外圍富氧二次風的溫度，為氮氧化物的生成創造富氧和高溫兩個條件，燃燒效果確實好了（大力宣揚），但同時增加了氮氧化物的生成（避而不談）。
　　3.3 分解爐的氮氧化物問題
　　再燃燒是火電行業降低氮氧化物的重要措施，實際上就是水泥行業的分級燃燒，而預分解窯本身就是天然的分級燃燒，但這不等于氮氧化物都是回轉窯產生的、分解爐就是在脫硝。
　　實際上，即使回轉窯產生的氮氧化物為0，分解爐出口還是有很多的氮氧化物。產生氮氧化物必須有物質條件，煤和空氣中有氮、三次風中富氧，只要提高富氧區的溫度就能產生氮氧化物，而且溫度越高產出率越高。這個產生氮氧化物的最佳環境在哪兒？就在分解爐三次風的入口處。
　　從西南科技大學對幾百條窯的標定結果看，T院設計的分解爐，幾乎沒有一條線氮氧化物不高的，5000t/d線的氨水用量幾乎都在1.2t/h以上；而N院和K院設計的分解爐，氮氧化物普遍較低，多數氨水用量在0.6t/h左右。
　　仔細分析發現，T院設計的分解爐，似乎遺傳有DD爐的基因，噴煤管就在三次風管旁邊，風煤也不圍繞分解爐立軸旋轉。
　　                                                                    T院設計的分解爐

　　3.4水蒸氣能不能脫硝
　　目前的水蒸氣脫硝措施，多數與分級燃燒并行，還沒有單獨使用的。實踐證明，有的生產線有時有一定效果，而有些生產線幾乎看不到效果，搞清水蒸氣的脫硝原理，對用好這項措施很有必要。
　　有關廠商提供的基本原理主要基于以下三個反應方程式：
　　C+H?0→H?+CO          ⑴
　　2CO+2NO→N?+2CO?     ⑵
　　2H?+2NO→N?+2H?O       ⑶
　　實際上，第一個反應式⑴就不存在，除了電解和二硫化鉬催化以外，水分子的裂解至少要1700℃，在分解爐內不可能存在如此高溫。
　　基礎沒了，后面的兩個脫硝反應式⑵、⑶也就不存在了，那么，水蒸氣是如何實現脫硝的呢？一般水蒸氣噴嘴與煤粉噴嘴并行布置，能在一定程度上降低火焰外圍富氧區的溫度，減少氮氧化物的生成；二是由于CO與氧的反應速度很慢，水蒸氣與其他含氫基團一樣，能促進CO的完全燃燒，從而促進了脫硝進程，縮短還原時間。
　　同時解釋了有的生產線管用而有些生產線不管用的問題，實際上就是還原空間和還原時間的不同。對于有足夠空間和時間還原的分解爐，水蒸氣幾乎不起作用；而對于還原空間和時間不足的分解爐，水蒸氣就能起到作用。
　　3.5陶瓷濾筒除塵脫硝不太現實
　　高溫陶瓷膜由高強度陶瓷支撐體和高效膜分離層復合燒結而成，具有較高的機械強度、優良的熱性能和耐化學腐蝕性能、極佳的微孔過濾性能的微孔陶瓷過濾材料，具有很好的脫除顆粒物效果。
　　如果在高溫陶瓷膜材料內部孔結構上敷載高效脫硝催化劑，則能在高溫（200-420℃）狀態下先將煙氣中的粉塵高效去除，附載于陶瓷膜支撐體內部多維孔道中的催化劑和加入的NH3，即可將煙氣中的NOX分解，同時解決高效除塵和脫硝問題，實現超低排放。
　　經過在小型陶瓷窯和玻璃窯一年多的試驗，取得了良好的使用效果，達到水泥行業目前超低排放的指標不是問題。
　　但畢竟行業不同，水泥窯比陶瓷窯和玻璃窯廢氣量要大得多，而且含塵濃度也大得多。經測算在水泥窯上使用，不僅一次性投資太大、而且運行成本太高，估計在水泥行業沒有什么前途。

　　                                              脫硝除塵一體化陶瓷濾筒在某陶瓷窯上的試驗
三、超低排放的脫硝難題再獲突破
　　技術是無止境的，努力就有收獲！在金山銀山、藍天白云的激勵下，在國家有關部委的通力支持下，經過有關各方的顛覆性協同攻關， 已經有兩項可操作性措施，體現出未來的曙光！
　　1、上海萬澄：智能優化控制+SNCR
　　智能控制在超低排放上也是可以有所作為的。上海萬澄環保科技有限公司，在這方面的研究就取得了突破，其提出的“智能優化控制+SNCR”技術，經海螺白馬山、四川國大、四川德勝三條5000t/d線的實施驗證，均取得了NOX排放濃度穩定控制在低于50mg/m? 的效果。
　　其原理主要是采用分層級安裝可獨立控制的噴槍組，利用智能實時優化控制系統對NOx排放進行預測，對生產工況的變化實時跟隨，從而根據工況及時調整并分別控制氨水的噴射位置及噴射量，實現對選擇性非催化脫硝（SNCR）技術的精準控制。真正切合了該技術的選擇性，從而達到提高脫硝效率、減少氨水用量、降低氨逃逸的目的。

　　                                                智能優化控制+SNCR 脫硝控制系統圖

                                                         智能優化控制+SNCR 脫硝控制效果曲線
　　2，南京工大 環境友好型SCR
　　SCR是目前脫硝技術的頂梁柱，其技術核心是脫硝催化劑。遺憾的是，目前，國內外商用的脫硝催化劑均為V2O5/TiO2體系，然而，美國、歐盟環境署、中國國家環保部都將V2O5定為劇毒污染物。雖然國內外的專家學者作了許多努力，主要研究了貴金屬、Mo、Fe、Cu等過渡金屬氧化物、分子篩等無釩脫硝催化劑，但至今未能實現應用。
　　可喜的是，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室的祝社民團隊，已成功研發出稀土基脫硝催化劑，填補了無釩脫硝催化劑的空白，而且脫硝性能達到了國際領先水平。目前已成功產業化，建成了2家全國最大的、也是世界唯一的環境友好型脫硝催化劑生產企業。該成果在研發過程中，曾經獲得多項財政支持和榮譽。
　　鑒于水泥生產中廢氣含塵濃度高的特點，催化劑載體的堵塞問題，該項目另辟蹊徑采用了向分解爐噴射的新方案；根據停留時間和分散度的需要，在分解爐下部噴入粉狀催化劑、在分解爐上部噴入液體催化劑。
　　上部噴入的液體催化劑，只是比氨水粘稠一些，原有的噴（氨）系統可資利用，不用新建催化劑噴入系統，只是運行壓力大了一些。
　　項目帶頭人祝社民指出：
　　2018年底，經甘肅某水泥廠、江蘇某水泥廠試驗表明，在窯尾NOx為1100PPM的情況下，NOx排放值可穩定控制在50 mg/Nm3以下，甚至更低；下一步的工作，主要是對催化劑噴入點和噴入量進行進一步優化，優化后即可進行全面推廣。
　　在利用現有SNCR噴氨設備的情況下，改造費用只有普通SCR的1/20，而且不存在催化劑回收問題；與SNCR控制200mg/Nm3相比，根據窯尾廢氣的NOX含量大小（800～1200 mg/Nm3），脫硝成本估計增加4～8元/t熟料。
　　該催化劑的使用壽命，雖然還沒有水泥行業的實際結果，但可以用電力行業的使用情況作參考。該催化劑已成功應用于華能、大唐、神華等五大電力系統，最大處理風量達420萬NM3/h，最低NOx排放濃度達17mg/NM3（國家超低排放標準為50mg/NM3），壽命超過5年仍在服役（釩鈦系催化劑一般為3年）。
　　祝社民表示：江蘇興寧水泥公司試驗效果很好。該生產線為5700t/d熟料線，加入量300～400kg/h，在停掉SNCR噴氨后、上下同時噴入該催化劑，能將NOX穩定控制在50mg/Nm3以下。