“碳討”水泥行業深度脫硝的關鍵技術
摘要：在構建綠色低碳循環經濟體系的大背景下，綜述了低碳轉型對行業的意義。分析了水泥行業碳排放現狀及現有深度脫硝技術的優缺點。重點論述了低溫、低碳的水泥深度脫硝技術是如何實現低碳治污、協同治污及其所帶來的經濟與社會效益。指出具有低溫、低碳、無氨等技術特點的深度脫硝技術將在水泥行業污染物治理中大有可為。
關鍵詞：水泥 碳達峰 碳中和 深度脫硝 氨逃逸
一、低碳轉型是行業高質量發展的必由之路
人類是命運的共同體，氣候變化事關全人類的前途命運，需要我們攜手共同應對。2020年9月，在第七十五屆聯合國大會上，中國向世界作出莊嚴承諾將提高國家自主減排貢獻力度，“力爭于2030年前實現碳達峰，爭取2060年前實現碳中和。”
目前，歐盟和美國已先于我國實現了碳達峰。相較于歐美國家，我國要實現碳達峰目標面臨著以下三方面的挑戰：首先，從能源消費結構方面來看我國與歐美國家差異較大，我國以化石能源為主，其中煤炭消費比重占58%,石油消費比重占19%而歐盟和美國煤炭消費比重僅為11% 和12%；其次，歐盟與美國達到碳達峰時CO2峰值分別為45億噸、59億噸，權威機構預測我國CO2達到排放峰值時約為106億噸；再次，歐盟從碳達峰至碳中和用了60年時間，而我國僅有30年時間。由上述三點不難看出，要實現碳達峰、碳中和目標對我國來說時間緊、任務重。
圖1 2019年中國能源生產總量結構
二、水泥行業碳排放現狀與氮氧化物深度治理
2019年我國CO2年排放量約100億噸，其中火電、鋼鐵、水泥、煤化工、石化等行業的CO2排放量約占全國總排放量的80%。以水泥為例：2020年水泥產量為23.77億噸、碳排放量為13.75億噸，約占全國CO2總排放量的14%。水泥行業碳排放具有點多面廣、量大的特點，減排任務十分艱巨。
圖2 2009-2020年中國水泥行業水泥熟料產量和二氧化碳排放量
2.1水泥生產過程中CO2排放
水泥行業CO2排放具有點多面廣、量大的特點，主要體現在從原料分解到生產工藝，都會產生相應的碳排放。按照二氧化碳的排放來源，又可分為直接排放和間接排放。直接排放是指燃燒化石燃料與原料受熱分解所產生的CO2排放；間接排放是指在生產或服務過程中所需的電力支持及熱能損耗而產生的CO2排放。
直接碳排放主要體現在以下兩方面：
（1）原料分解產生的碳排放：水泥窯內的生料碳酸鹽CaCO3和MgCO3受熱導致碳酸根分解產生CO2，生料中的有機碳也會產生CO2。
（2）燃料燃燒產生的碳排放： 煅燒需要消耗大量的燃料，水泥行業使用煤炭作為燃料，煤炭燃燒是CO2氣體排放的主要來源之一。
間接碳排放主要體現在以下兩方面：
（1） 電力消耗產生的碳排放：在水泥生產過程中，生料的制備、熟料的煅燒、水泥的粉磨及污染物的治理等這些流程都需要電力的支持，電力來源于燃料的燃燒通過熱能轉化而來，所以電力消耗會間接產生CO2。
（2） 熱能損耗產生的碳排放：在水泥生產過程中，如預熱器出口廢氣熱損失、系統表面散熱導致的熱損失、冷卻機廢氣排放的熱損失、污染物治理中由于安裝和使用SCR裝置而產生的熱損失等，都會間接造成CO2的排放。
本文重點分析水泥行業在污染物治理SCR脫硝過程中所產生的CO2排放情況。
2.2水泥行業深度脫硝中的碳排放
水泥行業的NOx排放量約占全國總排放量的10%~12%，是繼火電廠、機動車之后的第三大排放源。當前水泥企業普遍采用的是SNCR脫硝技術，其具有投資少、技術成熟的優點。但因其脫硝效率低、對煙溫要求高、氨逃逸等問題無法滿足對中低溫條件下深度脫硝的相關要求。
SCR作為一種在世界范圍內成熟、高效的煙氣脫硝技術，已被廣泛應用在電力與非電領域中，但SCR脫硝技術在水泥行業的應用還屬于新的領域。水泥行業煙氣因粉塵含量大易導致SCR催化劑塔發生堵塞，造成運行阻力增加、催化劑失活等現象；同時煙氣經過催化劑塔時會產生溫降造成熱損耗；SCR還存在投運成本高、氨逃逸等問題。其中因系統運行阻力增加而造成電耗及溫降帶來的熱損耗都會造成CO2的間接排放。
2.2.1 SCR系統因運行阻力產生的碳排
SCR系統運行阻力問題主要由催化劑塔阻力和煙道阻力兩部分構成。目前市場上廣泛應用的釩鈦鎢/鉬系催化劑按結構可分為蜂窩式、平板式、波紋式。由于催化劑的外形設計及在使用過程中會讓煙氣阻力增加1000Pa左右；SCR脫硝裝置和增加的煙道（彎頭）會使煙氣阻力增加200-500Pa左右；并且蜂窩式催化劑容易積灰堵塞，且隨著運行時間的增長，催化劑堵塞程度越嚴重，也會導致引風機電耗量的增加。
以5000t/d （60萬煙氣量）水泥窯為例，在安裝SCR裝置后，系統運行阻力增加了1300Pa，而產生的電耗量和對應的CO2排放量為：
（1）風機內功率=風量（M3/h)*全壓(Pa)/3600000
代入數值600000*1300/3600000=216Kw
（2）軸功率=內功率/效率
代入數值216/0.85=254 Kw
（3）實際配置電機功率=軸功率*電機安全系數
代入數值254*1.15=292Kw/h
表1 使用1度電（Kwh）的排放系數
（4）安裝SCR裝置后導致系統運行阻力增大，對應的每小時電能消耗產生的CO2排放量為：
代入數值292Kw/h*0.997Kg=297.124Kg/h
（5）以水泥窯年運行時間為8000h計，二氧化碳年排放量為：
代入數值297.124Kg/h*8000h=2328992Kg=2328.99噸/年
2.2.2 SCR系統因熱損耗產生的碳排
水泥窯安裝SCR脫硝系統后，當煙氣通過催化劑塔時，煙溫會降低5-10℃，會給余熱鍋爐造成熱能損耗。
以5000t/d （60萬煙氣量）水泥窯為例,煙氣經過SCR催化劑塔之后，按照煙溫下降10℃計算產生的熱損失，折算出耗煤量為：1267Kg標準煤。
（1）根據表1數據，可算出1267Kg標準煤產生的CO2為：
代入數值1267Kg/0.4Kg*0.997Kg=3157.9975Kg
（2）以水泥窯年運行時間8000h小時計，CO2年排放量為：
代入數值3157.9975Kg*8000h=25263980Kg=25263.98噸/年
由上述計算可知：一條5000t/d水泥窯線在安裝SCR裝置后增加的CO2排放量為：27592.97噸/年。
截止2019年底，全國共有1703條水泥窯線。按5000t/d及以上的水泥窯線約占水泥窯線總產能的60%來估算，若全國5000t/d及以上的水泥窯線在全部安裝SCR深度脫硝系統后，造成二氧化碳年排放量增加約：1703*0.6*2.75=2810萬噸，約占2020年水泥行業CO2排放總量的2%。
隨著生態環境部發布的《碳排放權交易管理辦法（試行）》正式施行，目前碳交易市場每噸溫室氣體的交易價格為50元/噸，若將上述提到的2810萬噸的碳排配額放到碳交易市場，可折算出碳交易配額為：2810萬噸*50元/噸= 14.05億；到2025年若交易價格升至71元/噸，可折算出碳交易配額為：2810萬噸*71元/噸=19.95億。
水泥行業實現超低排放的難點是氮氧化物減排和氨逃逸的雙減雙降與協同治理。SCR脫硝技術雖可實現深度脫硝，但存在氨逃逸問題，還會造成更多的電耗與熱能的損耗，進而造成額外的碳排放。水泥企業在氮氧化物超低排放與碳達峰的雙重背景下，減排的同時應兼顧減碳。并且在碳交易全面鋪開的當下，碳配額已經成為一種關系到企業生存與發展的重要因素，這會倒逼水泥企業在深度脫硝過程中首選能夠兼顧社會效益與經濟效益，同時又是低碳、無氨的脫硝技術。
三、水泥行業深度脫硝的低碳路徑
綜上所述，可實現超低排放的低碳脫硝技術無論是從市場需求、社會效益還是經濟效益上來看都將大有可為。未來深度脫硝技術應具有低溫、低碳、無氨、多污染物協同治理等特征，低碳與超凈協同、雙降雙贏是該技術路經的重要標志。喜多（SIOD）離子發生器作為深度脫硝的核心技術，是由中晶環境公司針對水泥行業煙氣特點自主研發具有多項自主知識產權的工藝技術。喜多（SIOD）離子發生器具有低溫、高效、對塵無感的特點，相較SNCR和SCR脫硝技術，它即是一種不介入生產系統（在原有煙道內完成反應），無需改造風機，不會增加系統運行阻力和產生熱損耗的低碳脫硝技術；又是一種可實現無氨，多污染物協同治理的脫硝技術。因此，喜多（SIOD）離子發生器是一種可實現水泥行業深度脫硝與碳減排協同治理、“雙減雙降”的工藝路線。
圖1-3 喜多（SIOD）水泥行業脫硝除氨技術路徑
隨著國務院《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》的發布和水泥行業將在2023年實現“碳達峰”時間點的明確。為此，水泥行業在深度脫硝治理過程中，應更關注與碳減排的協同，“走雙降雙贏”的技術路徑。具備低溫、低碳、無氨等特點的污染物治理技術將成為水泥企業的首選，也是水泥行業實現高質量綠色發展的必由之路。
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