“碳讨”水泥行业深度脱硝的关键技术
摘要：在构建绿色低碳循环经济体系的大背景下，综述了低碳转型对行业的意义。分析了水泥行业碳排放现状及现有深度脱硝技术的优缺点。重点论述了低温、低碳的水泥深度脱硝技术是如何实现低碳治污、协同治污及其所带来的经济与社会效益。指出具有低温、低碳、无氨等技术特点的深度脱硝技术将在水泥行业污染物治理中大有可为。
关键词：水泥 碳达峰 碳中和 深度脱硝 氨逃逸
一、低碳转型是行业高质量发展的必由之路
人类是命运的共同体，气候变化事关全人类的前途命运，需要我们携手共同应对。2020年9月，在第七十五届联合国大会上，中国向世界作出庄严承诺将提高国家自主减排贡献力度，“力争于2030年前实现碳达峰，争取2060年前实现碳中和。”
目前，欧盟和美国已先于我国实现了碳达峰。相较于欧美国家，我国要实现碳达峰目标面临着以下三方面的挑战：首先，从能源消费结构方面来看我国与欧美国家差异较大，我国以化石能源为主，其中煤炭消费比重占58%,石油消费比重占19%而欧盟和美国煤炭消费比重仅为11% 和12%；其次，欧盟与美国达到碳达峰时CO2峰值分别为45亿吨、59亿吨，权威机构预测我国CO2达到排放峰值时约为106亿吨；再次，欧盟从碳达峰至碳中和用了60年时间，而我国仅有30年时间。由上述三点不难看出，要实现碳达峰、碳中和目标对我国来说时间紧、任务重。
图1 2019年中国能源生产总量结构
二、水泥行业碳排放现状与氮氧化物深度治理
2019年我国CO2年排放量约100亿吨，其中火电、钢铁、水泥、煤化工、石化等行业的CO2排放量约占全国总排放量的80%。以水泥为例：2020年水泥产量为23.77亿吨、碳排放量为13.75亿吨，约占全国CO2总排放量的14%。水泥行业碳排放具有点多面广、量大的特点，减排任务十分艰巨。
图2 2009-2020年中国水泥行业水泥熟料产量和二氧化碳排放量
2.1水泥生产过程中CO2排放
水泥行业CO2排放具有点多面广、量大的特点，主要体现在从原料分解到生产工艺，都会产生相应的碳排放。按照二氧化碳的排放来源，又可分为直接排放和间接排放。直接排放是指燃烧化石燃料与原料受热分解所产生的CO2排放；间接排放是指在生产或服务过程中所需的电力支持及热能损耗而产生的CO2排放。
直接碳排放主要体现在以下两方面：
（1）原料分解产生的碳排放：水泥窑内的生料碳酸盐CaCO3和MgCO3受热导致碳酸根分解产生CO2，生料中的有机碳也会产生CO2。
（2）燃料燃烧产生的碳排放： 煅烧需要消耗大量的燃料，水泥行业使用煤炭作为燃料，煤炭燃烧是CO2气体排放的主要来源之一。
间接碳排放主要体现在以下两方面：
（1） 电力消耗产生的碳排放：在水泥生产过程中，生料的制备、熟料的煅烧、水泥的粉磨及污染物的治理等这些流程都需要电力的支持，电力来源于燃料的燃烧通过热能转化而来，所以电力消耗会间接产生CO2。
（2） 热能损耗产生的碳排放：在水泥生产过程中，如预热器出口废气热损失、系统表面散热导致的热损失、冷却机废气排放的热损失、污染物治理中由于安装和使用SCR装置而产生的热损失等，都会间接造成CO2的排放。
本文重点分析水泥行业在污染物治理SCR脱硝过程中所产生的CO2排放情况。
2.2水泥行业深度脱硝中的碳排放
水泥行业的NOx排放量约占全国总排放量的10%~12%，是继火电厂、机动车之后的第三大排放源。当前水泥企业普遍采用的是SNCR脱硝技术，其具有投资少、技术成熟的优点。但因其脱硝效率低、对烟温要求高、氨逃逸等问题无法满足对中低温条件下深度脱硝的相关要求。
SCR作为一种在世界范围内成熟、高效的烟气脱硝技术，已被广泛应用在电力与非电领域中，但SCR脱硝技术在水泥行业的应用还属于新的领域。水泥行业烟气因粉尘含量大易导致SCR催化剂塔发生堵塞，造成运行阻力增加、催化剂失活等现象；同时烟气经过催化剂塔时会产生温降造成热损耗；SCR还存在投运成本高、氨逃逸等问题。其中因系统运行阻力增加而造成电耗及温降带来的热损耗都会造成CO2的间接排放。
2.2.1 SCR系统因运行阻力产生的碳排
SCR系统运行阻力问题主要由催化剂塔阻力和烟道阻力两部分构成。目前市场上广泛应用的钒钛钨/钼系催化剂按结构可分为蜂窝式、平板式、波纹式。由于催化剂的外形设计及在使用过程中会让烟气阻力增加1000Pa左右；SCR脱硝装置和增加的烟道（弯头）会使烟气阻力增加200-500Pa左右；并且蜂窝式催化剂容易积灰堵塞，且随着运行时间的增长，催化剂堵塞程度越严重，也会导致引风机电耗量的增加。
以5000t/d （60万烟气量）水泥窑为例，在安装SCR装置后，系统运行阻力增加了1300Pa，而产生的电耗量和对应的CO2排放量为：
（1）风机内功率=风量（M3/h)*全压(Pa)/3600000
代入数值600000*1300/3600000=216Kw
（2）轴功率=内功率/效率
代入数值216/0.85=254 Kw
（3）实际配置电机功率=轴功率*电机安全系数
代入数值254*1.15=292Kw/h
表1 使用1度电（Kwh）的排放系数
（4）安装SCR装置后导致系统运行阻力增大，对应的每小时电能消耗产生的CO2排放量为：
代入数值292Kw/h*0.997Kg=297.124Kg/h
（5）以水泥窑年运行时间为8000h计，二氧化碳年排放量为：
代入数值297.124Kg/h*8000h=2328992Kg=2328.99吨/年
2.2.2 SCR系统因热损耗产生的碳排
水泥窑安装SCR脱硝系统后，当烟气通过催化剂塔时，烟温会降低5-10℃，会给余热锅炉造成热能损耗。
以5000t/d （60万烟气量）水泥窑为例,烟气经过SCR催化剂塔之后，按照烟温下降10℃计算产生的热损失，折算出耗煤量为：1267Kg标准煤。
（1）根据表1数据，可算出1267Kg标准煤产生的CO2为：
代入数值1267Kg/0.4Kg*0.997Kg=3157.9975Kg
（2）以水泥窑年运行时间8000h小时计，CO2年排放量为：
代入数值3157.9975Kg*8000h=25263980Kg=25263.98吨/年
由上述计算可知：一条5000t/d水泥窑线在安装SCR装置后增加的CO2排放量为：27592.97吨/年。
截止2019年底，全国共有1703条水泥窑线。按5000t/d及以上的水泥窑线约占水泥窑线总产能的60%来估算，若全国5000t/d及以上的水泥窑线在全部安装SCR深度脱硝系统后，造成二氧化碳年排放量增加约：1703*0.6*2.75=2810万吨，约占2020年水泥行业CO2排放总量的2%。
随着生态环境部发布的《碳排放权交易管理办法（试行）》正式施行，目前碳交易市场每吨温室气体的交易价格为50元/吨，若将上述提到的2810万吨的碳排配额放到碳交易市场，可折算出碳交易配额为：2810万吨*50元/吨= 14.05亿；到2025年若交易价格升至71元/吨，可折算出碳交易配额为：2810万吨*71元/吨=19.95亿。
水泥行业实现超低排放的难点是氮氧化物减排和氨逃逸的双减双降与协同治理。SCR脱硝技术虽可实现深度脱硝，但存在氨逃逸问题，还会造成更多的电耗与热能的损耗，进而造成额外的碳排放。水泥企业在氮氧化物超低排放与碳达峰的双重背景下，减排的同时应兼顾减碳。并且在碳交易全面铺开的当下，碳配额已经成为一种关系到企业生存与发展的重要因素，这会倒逼水泥企业在深度脱硝过程中首选能够兼顾社会效益与经济效益，同时又是低碳、无氨的脱硝技术。
三、水泥行业深度脱硝的低碳路径
综上所述，可实现超低排放的低碳脱硝技术无论是从市场需求、社会效益还是经济效益上来看都将大有可为。未来深度脱硝技术应具有低温、低碳、无氨、多污染物协同治理等特征，低碳与超净协同、双降双赢是该技术路经的重要标志。喜多（SIOD）离子发生器作为深度脱硝的核心技术，是由中晶环境公司针对水泥行业烟气特点自主研发具有多项自主知识产权的工艺技术。喜多（SIOD）离子发生器具有低温、高效、对尘无感的特点，相较SNCR和SCR脱硝技术，它即是一种不介入生产系统（在原有烟道内完成反应），无需改造风机，不会增加系统运行阻力和产生热损耗的低碳脱硝技术；又是一种可实现无氨，多污染物协同治理的脱硝技术。因此，喜多（SIOD）离子发生器是一种可实现水泥行业深度脱硝与碳减排协同治理、“双减双降”的工艺路线。
图1-3 喜多（SIOD）水泥行业脱硝除氨技术路径
随着国务院《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》的发布和水泥行业将在2023年实现“碳达峰”时间点的明确。为此，水泥行业在深度脱硝治理过程中，应更关注与碳减排的协同，“走双降双赢”的技术路径。具备低温、低碳、无氨等特点的污染物治理技术将成为水泥企业的首选，也是水泥行业实现高质量绿色发展的必由之路。
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