賈華平：NOx超低排放之路 應該如何走？

6月30日，由中國水泥網主辦的“第四屆中國水泥超潔凈排放技術交流大會”圓滿落幕。會上，中國水泥網高級顧問賈華平帶來《水泥窯秉持兩把火優(yōu)勢 NOx超低排放之路應該如何走？》主題報告。

賈華平表示，今年，已有寧夏、浙江、河北、河南、海南、四川、山西等水泥大省及部分地區(qū)再次明確了自己的超低排放指標，有地區(qū)對氮氧化物的限值已嚴到50mg/Nm3以下。而NOx又是水泥行業(yè)超低排放的最大難題。

對于當前的脫硝技術，賈華平指出，目前的脫硝技術還不成熟，包括SCR還都是過渡措施。理想的脫硝措施應該是無氨、無有毒催化劑，而SCR投資巨大、運行成本高、催化硫酸氫銨的生成危害除塵和發(fā)電系統(tǒng)等，由此，SCR不是脫硝的終極措施而是水泥窯脫硝的一項過渡技術。

報告全文：

隨著國家污染防治力度的不斷加大， 特別是近年來治理霧霾的壓力，以及水泥行業(yè)嚴重的產能過剩，各地方政府對國家的環(huán)保政策給予了積極響應，相繼出臺了自己的特別排放值實施計劃，不但嚴格執(zhí)行了國家的環(huán)保標準，而且因地制宜地制定了幾近苛刻的地方標準，陸續(xù)形成了超低排放概念。

2020年06月10日，生態(tài)環(huán)境部下發(fā)了《關于在疫情防控常態(tài)化前提下積極服務落實“六?！比蝿眨瑘詻Q打贏打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》在國家層面第一次明確了對水泥行業(yè)超低排放的要求?！耙庖姟睂ⅰ按蚝盟{天保衛(wèi)戰(zhàn)”上升到“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”，彰顯出環(huán)保政策的日趨嚴苛。

今年，已有寧夏、浙江、河北、河南、海南、四川、山西等水泥大省及部分地區(qū)，再次明確了自己的超低排放指標，部分地區(qū)的排放指標如下表所示，對氮氧化物的限值，有的已嚴到50mg/Nm3以下。

嚴格的要求，是以可達的技術和可及的投資為支撐的，否則只能是一句空話。就超低排放控制的三個指標“顆粒物、二氧化硫、氮氧化物”來講，覆蓋所有企業(yè)的是顆粒物、氮氧化物，二氧化硫只是原燃材料含硫高或參與協(xié)同處置的部分企業(yè)問題。在粉塵治理上，超低排放已不存在技術難題，只是一個重視程度和環(huán)保投資問題；關于SO₂的排放，水泥窯本身就是很好的脫硫工藝，總體上也不是難題，只要給予一定的投入，采用相應的脫硫措施，還是能夠實現(xiàn)的，無非也是一次性投資和運行成本問題。

水泥行業(yè)超低排放的最大難題是NOx，特別是含塵濃度與溫度窗口的平衡問題，這與行業(yè)特點有關，僅管在各關聯(lián)單位的共同努力下，目前已成型了多種脫硝措施，但都依然不盡理想。

在很大的壓力面前，多數人不太冷靜，容易產生“寧肯花大錢也要一次到位、一勞永逸” 的“情緒性投資” ，但我只能遺憾的提醒大家：目前的脫硝技術還不成熟，包括SCR還都是過渡措施，做不到一勞永逸！

SCR不是脫硝的終極措施

僅管SCR是目前效率最高的脫硝措施，但我們必須清醒的意識到它還存在一系列問題：

（1）SCR不僅投資巨大，

（2）SCR不僅運行成本高，

（3）而且會催化硫酸氫銨的生成，危害除塵和發(fā)電系統(tǒng)，

（4）而且其脫硝催化劑已被國家列入嚴控的危廢，

（5）而且依然采用噴氨脫硝，氨逃逸的危害在所難免！

SCR依然不是水泥行業(yè)成熟的、理想的脫硝措施，理想的脫硝措施應該是：無氨、無有毒催化劑，SCR依然是水泥窯脫硝的一項過度技術。

信不信由你：南方某公司5000tpd線的SCR項目，在控制NOx排放80mg/Nm3的情況下，改造前的SNCR噴氨1500L/h左右，改造后SNCR降到了1000L/h左右，但SCR噴氨波動在400-600L/h之間，而且運行不太穩(wěn)定?！癝CR+SNCR”總的噴氨量幾乎沒有變化。

北方某公司5000tpd線的SCR項目，在控制NOx排放80mg/Nm3的情況下，改造前的SNCR與改造后SNCR+SCR對比：

氨水消耗量：由6kg/t熟料降到了4-5 kg/t熟料，

高溫風機電耗：增加了4kwh/t熟料左右，

余熱系統(tǒng)發(fā)電量：降低了1 kwh/t熟料左右。

這還只是早期的運行情況，隨著時間推移，脫硝效率會不會進一步降低？系統(tǒng)阻力會不會進一步增大？鍋爐清灰會不會越來越難？

所以說：SCR依然不是水泥行業(yè)成熟的、理想的脫硝措施，SCR依然是水泥窯脫硝的一項“過度” 技術，至少可以說：不成熟的SCR，是一項“過度” 技術。如果是“過度” 技術，在滿足當前環(huán)保要求的情況下，就不該不惜血本的往里砸錢。

特別是，面對水泥窯秉持的兩把火優(yōu)勢，本身就是很好的脫硝工藝，與其他燃煤行業(yè)相比，單位耗煤產生的NOx要低得多！如此，殺個小雞，又何必花錢去買宰牛刀呢！

20210601河南生態(tài)環(huán)保廳公示了：河南省135家完成超低排放改造的水泥企業(yè)！這些超低排放企業(yè)采用SCR脫硝者，—— 少之又少，可謂鳳毛麟角！

聽聽生態(tài)環(huán)境部的意見

那么，水泥行業(yè)的脫硝出路到底在哪里？我們眼前的路子應該怎么走？2021年04月30日，生態(tài)環(huán)境部大氣環(huán)境司副司長吳險峰給出了一個中肯的指導意見：

吳險峰強調，要統(tǒng)籌考慮行業(yè)的發(fā)展水平、對環(huán)境質量的影響、技術的可達性、投資的可及性等，明確提出：不支持進一步“超超低”排放要求。超低排放是一項系統(tǒng)工程，需要巨額的資金投入，需要成熟的技術關聯(lián)，還要考慮除塵、脫硫，特別是與低碳生產的協(xié)同問題。（是的，這幾方面能不能關聯(lián)起來綜合治理，有可能降低投資和運行成本）

吳險峰指出，對于水泥行業(yè)而言，可以采取低氮燃燒器、加大分解爐還原區(qū)、分解爐分煤、分風的分級燃燒等工藝過程控制措施，減少氮氧化物產生，在末端增設高效脫硝裝置。（是的，大投資的高效措施應該往后放一放）

吳險峰忠告，要嚴格控制氨逃逸，杜絕為降低氮氧化物排放過度噴氨。（是的，不能做狂按葫蘆放縱瓢的事情?。╇娏π袠I(yè)在脫硫、脫硝、除塵的開始時期，走過不少彎路，推倒重來、反復投資的案例不少，水泥行業(yè)要汲取這些教訓，“不允許把改造工程當成大規(guī)模的實驗田”。

那么，有沒有一種投資小、管理維護簡單、不存在氨逃逸，又不使用有毒催化劑的超低排放措施呢？技術在不斷進步，答案是明確的：有！

昆明理工大學的低溫燒成就是一種探索，但技術上還很不成熟；南京工業(yè)大學的稀土脫硝劑就是一種嘗試，只是運行成本尚高。

還有：智能化是第四次工業(yè)革命的主體，將顛覆、重構現(xiàn)有社會，受到了各國、各級政府、各個行業(yè)的高度重視，也是水泥行業(yè)不得不走的發(fā)展道路。

那么，這個“萬能的智能化” ，哪怕作為過渡技術，能否在NOx超低排放上有所貢獻呢？君不見，幾百萬的SNCR效果，已經被幾十萬的分級燃燒取代；有可能，動輒投資幾千萬的“SCR過渡” ，或被只需幾百萬的“智能化+過度”取而代之！

誰能使NOX超低排放投資可及？

對于5000t/d規(guī)模的水泥窯，NOx要達到50mg/Nm3以下的超低排放，目前采用SCR的投資在5000萬元左右，“智能化+”能不能將同等效果的投資降到幾百萬元呢？有這種可能嘛？有句廣告詞叫“心有多大，舞臺就有多大！”開國領袖毛澤東說“世上無難事，只要肯登攀！”

作為服務水泥行業(yè)多年的老朋友，西南某大型國有自動化股份有限公司，就急水泥行業(yè)之所急，大膽的做了這方面的嘗試，結果不負眾望！ 他們聯(lián)合中科院川儀院士工作站，通過對水泥窯系統(tǒng)深入研究分析后，采用智能化+SNCR，成功開發(fā)出水泥窯智能精準噴氨脫硝技術，讓我們看到了希望。

目前，水泥窯的SNCR空間上設在分解爐（和或C5出口），然而分解爐的溫度場不是均勻分布的、而且不是固定不變的。噴氨脫硝有一個溫度窗口，在窗口以外的噴氨不但是無效的，而且會造成氨逃逸、形成氨污染，這就是造成SNCR脫硝效率不高、氨逃逸較大的根本原因。因此，智能控制精準噴氨，就成為提高SNCR效率的有效措施。

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(yōu)化控制系統(tǒng)對NOx的分布進行預測，對生產工況的變化實時跟隨，根據工況及時調整并分別控制氨水的噴射位置及噴射量，從而達到提高脫硝效率、減少氨水用量、降低氨逃逸的目的。

水泥窯智能精準噴氨脫硝系統(tǒng)，就是在合適的溫度窗口，針對性在最佳的位置、以最佳的噴量精準的噴入還原劑，在高效脫除NOx的同時也降低了還原劑消耗、減少了氨逃逸。

該公司以川儀院士工作站為依托，根據水泥窯分解爐、預熱器的工況特性，在水泥行業(yè)專家的協(xié)助下，建立了1:1熱態(tài)模型，利用仿真技術對分解爐及預熱器內部的壓力場、溫度場、料流場，以及O₂、CO、CO₂、NOx等的分布，通過云計算進行了詳細分析，建立了熱態(tài)追蹤云圖。

由此，可以根據云圖分析數據，賦予各噴槍 針對性、精準性在適合的位置以適合的量噴入還原劑（氨水、尿素溶液）；以熱態(tài)模型參數為基礎開發(fā)的智能控制系統(tǒng)，能隨著爐窯工況的波動，及時預判、迅速響應，最終使NOx排放穩(wěn)定控制在了100mg/Nm3以下，且在NOx同等排放值的前提下節(jié)約了30%以上的還原劑耗量。

川儀院士工作站的分解爐、預熱器NOx熱態(tài)追蹤模擬如下圖所示：

經得起檢驗的智能化+

該公司的智能精準噴氨脫硝系統(tǒng)，采用模塊化集成設計、制作、安裝，其結構主要包含高揚程輸送模塊、計量分配模塊、噴射模塊、智能化控制模塊。

一個月前，已在6條水泥窯上成功使用，根據當地的環(huán)保要求，目前都能穩(wěn)定運行在100mg/Nm3以下；經現(xiàn)場短期驗證，如果需要，只要稍加氨水噴入量都能穩(wěn)定運行在50mg/Nm3以下、氨逃逸達標。

實踐證明，作為過渡技術，該系統(tǒng)不僅價廉物美、運行可靠，而且管理維護簡單、能穩(wěn)定實現(xiàn)超低排放。目前的在用情況詳見下表：

正在他們歡欣鼓舞之際，卻又出現(xiàn)了一個難題：廣德洪山某公司標稱4500t/d的水泥窯，實際產能卻達到了7200t/d，而且低于7000t/d運行f CaO就難以控制。改造前原有SNCR排放控制NOx＜100mg/Nm3時，氨水消耗為1300L/h，且排放指標不穩(wěn)定，經常超標；采用該公司智能化+SNCR改造后，可穩(wěn)定實現(xiàn)NOx＜80mg/Nm3運行，而且氨水消耗量也降到720L/h，但無論如何就是降不到NOx＜50mg/Nm3以下。

其中控操作畫面截圖如下：

雖然該生產線已經達到了當地的環(huán)保要求，但卻未能實現(xiàn)該公司的內控目標：智能精準噴氨“對所有水泥窯都能實現(xiàn)NOx＜50mg/Nm3的穩(wěn)定運行”。

為什么這條窯只能超高產運行？為什么CO出奇的高且工況正常？為什么降低產量反而導致f CaO難以控制？

我們知道，CO濃度高了會降低SNCR的反應效率。因為SNCR的脫硝氧化 需要消耗OH—，而CO的氧化 同樣需要OH—，也就是說：CO的存在會與SNCR脫硝 爭奪反應資源。一般來說CO濃度越高，SNCR效率越低。

該公司拿出自己的渾身解數，邀請調集了川儀院士工作站和水泥行業(yè)的工藝專家，對這條窯的特殊情況進行了詳細分析，找出了其工藝設計的特殊性、分析了這種“特殊”對燃燒工況的影響，然后又針對這條特殊的水泥窯再次進行了仿真模擬、調整了智控邏輯。

最終實現(xiàn)了NOx＜50mg/Nm3穩(wěn)定運行的內控目標。調整后的中控操作畫面截圖如下：

至此，采用該公司智能精準噴氨技術改造的所有7條水泥窯生產線，全部實現(xiàn)NOx＜50mg/Nm3穩(wěn)定運行的內控目標！為水泥行業(yè)趟出了一條——“白菜價”超低排放的脫硝路線！

再談氨逃逸

大家是否記得，前幾年有好事者專門拍了一個視頻并發(fā)到了網上：對汽車尾氣進行了現(xiàn)場檢測，其PM2.5確實不超標，企圖說明霧霾與小汽車無關。但“不超標” 不等于“無關”！小汽車等燃燒產生的煙氣含有SO₂和NOx，這些排放的SO₂、NOx氣體確實不是顆粒物，但他們到大氣中會與堿金屬粉塵合成顆粒物PM2.5，你還能說他們與霧霾無關嗎？

這與我們的氨逃逸有什么關系呢？

要知道NH₃本身就具有堿金屬特性，能和SO₂反應生成（NH₄)2SO4微晶，粒徑約0.5-5微米，正好是產生丁鐸爾效應（膠體顆粒對光的散射）的PM2.5粒徑，視覺上形成霧霾。 更嚴重的是：氨對硫酸鹽合成有很好的催化作用，這就是環(huán)保局反復強調“氨逃逸”的原因！

我國的治霾專家陶光遠講到：搞超低排放是好心辦了一件壞事。超低排放有一個指標定錯了，把氮氧化物從100mg/m3降到50mg/m3。降到50mg/m3帶來了一個特別嚴重的問題:我們看SNCR、SCR脫硝，氮氧化物要想降低，對不起，拼命地把氨水往里噴，噴了氨水就造成了大量氨逃逸，氨逃逸跑出去就與SO₂合成硫酸銨、和或催化硫酸鹽的生成，形成大量的PM2.5。

目前，國家控制的氨逃逸限量為8mg/m3，一些地方超低排放又要求＜5mg/m3，不知其依據是什么？現(xiàn)有的SNCR、SCR能不能達到？水泥行業(yè)現(xiàn)在達到了什么程度，恐怕目前還很難說得清楚？

這有三個難題：

現(xiàn)有的氨逃逸檢測儀器還不理想，檢測數據的再現(xiàn)率較低，如何前后左右比較？

檢測范圍如何確定和監(jiān)督，除了排放廢氣的煙囪以外，中間環(huán)節(jié)的無組織逃逸算不算？

向廢氣中噴水能立即降低氨逃逸，如何控制企業(yè)在檢測時噴水的影響？

物質是守恒的，氨逃逸與噴氨量應該遵循如下關系：

氨逃逸 = a噴氨量 + b排放NOX - c生成NOX + d

有專家測算：按照上式測算的逃逸量大約是煙囪檢測值的2.5倍！那么，能不能按照煙囪檢測+上式推算呢？遺憾的是，由于各條線的工藝及原燃材料不同，而且工況還在不斷變化，上式中的 a、b、c、d 四個系數一時還無法通過統(tǒng)計取得。

上式也不是沒有一點價值，至少按邏輯推理可以得出如下結論：

（1）在同等排放控制的情況下，噴氨量的減少必然導致氨逃逸的降低！

（2）氨逃逸的降低幅度肯定大于噴氨量的減少幅度。

在無法準確測取的情況下，這個結論對于比較改造項目對氨逃逸的影響，還是很有說服力的。