近年来，随着国家环保政策收紧、管控力度的加大，各地对于水泥工业氮氧化物（NOx）排放要求更加严苛。如何加强水泥工业大气污染物治理、保护生态环境、减少污染物排放、实现绿色发展仍是水泥工业面临的紧迫任务。
2020年12月18日，《中国建材报》刊登了《国内外首台套水泥窑炉中低温烟气SCR脱硝工程项目通过专家评审》的消息。该项目通过评审意味着我国水泥工业实现了烟气脱硝技术的超越和引领，为水泥工业大气污染物治理、节能减排及绿色发展提供了坚实有力的技术支撑。消息一经发布，便受到水泥行业多方面的关注，不少水泥生产企业来电咨询此项技术的详细情况。为此，《中国建材报》记者采访了项目负责人汪澜，希望通过他的详细解答能为相关企业了解、掌握和应用这项工程技术提供更多的帮助。
记者：我国是水泥生产大国，在水泥制造过程中会产生大量的NOx，对大气环境造成严重污染，因此降低水泥窑NOx的排放刻不容缓。针对工业窑炉NOx减排，我国有哪些具体要求？
汪澜：保护环境是我国的基本国策。《工业窑炉大气污染综合治理方案》提出“完善工业炉窑大气污染综合治理管理体系，推进工业炉窑全面达标排放，实现工业行业二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等污染物排放进一步下降。”
以火电厂为主体的煤电行业通过采用催化还原技术（SCR），已经实现全行业的超低排放。钢铁行业也是先行一步，到2025年年底，全行业力争80%以上产能完成超低排放改造，即排放烟气中颗粒物、SO2和NOx浓度分别低于10mg/m3、35mg/m3和50mg/m3。
记者：对于超低排放水泥行业有什么具体要求吗？目前NOx减排及工程技术应用的现状如何？
汪澜：我国年生产水泥熟料约为13亿吨，按NOx排放系数为1.5kg/t熟料至1.8kg/t熟料算，2020年我国水泥工业窑炉排放的NOx约为200万吨，占全国NOx总排放量的10%，也是继火电发电厂和机动车之后的第三大排放源。
目前，国内水泥工业执行的排放标准为《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2013）。一些地方还出台了更为严格的排放标准，例如，浙江省出台的地方标准要求到2025年水泥窑炉烟气NOx排放浓度小于50mg/Nm3。此外，环保部颁发的《重污染天气重点行业应急减排技术指南》则要求，水泥生产采用SNCR、SCR等技术达到超低排放，并且吨水泥熟料氨水耗量小于4kg，才能认定为A级企业，享受相应的政策支持。
我国水泥工业从2007年开始全面推广非催化还原技术（SNCR)。SNCR技术的脱硝效率可高达60%。这期间还有研究采用分级燃烧技术，即通过控制分解炉及管道中的燃烧工况，用不完全燃烧产生的CO来还原NOx。分级燃烧技术的脱硝效率约为30%。2018年开始学习引入国际上水泥窑炉烟气SCR脱硝技术，典型案例有河南登封宏昌水泥采用的高温中尘SCR技术和山东济宁海螺水泥采用高温高尘SCR技术。
烟气中低温SCR脱硝工艺流程图
记者：SNCR技术与SCR技术都是采用氨水作为脱硝还原剂，SNCR与SCR这两种技术有什么区别呢？
汪澜：SNCR是将氨水喷入到分解炉及连接管道中，在800℃以上的高温区，NH3分子与NOx分子直接碰撞反应，形成N2和H2O。SCR技术是在窑炉烟气小于320℃的区域布置了脱硝反应器，并在反应器中安装了多层催化剂材料。这类催化剂材料对NH3分子和NOx分子都有很强的吸附能力，使烟气中的NH3分子和NOx分子能在催化剂表面产生有效接触碰撞，进而大大加快了反应的进行。SCR技术脱硝效率可以大于95%，并且可大大降低氨逃逸。
记者：SCR技术脱硝效率高，可以实现水泥窑炉烟气NOx超低排放，但如何与既有的水泥生产线进行配套呢？
汪澜：SCR反应器可以布置在预热器C1级筒后，布置在余热锅炉后，或是布置在布袋收尘器后，这就产生了“高温布置”“中低温布置”和“超低温布置”几种不同的模式。目前，“高温布置”和“中低温布置”技术都已得到实际工程应用，可以认为是较为成熟的工程技术，“超低温布置”技术还在深入的研究之中。
“中低温布置”结合了“高温布置”除尘和不除尘两种形式的优点，即SCR反应器置于余热锅炉后，这样对窑炉运行及余热锅炉发电效率都没有任何影响，由于余热锅炉中烟气粉尘的自然沉降，进入到SCR反应器中的烟气粉尘浓度仅约为55g/m3，与带除尘器的“高温布置”基本相当。
记者：中低温SCR脱硝催化剂材料技术有什么创新？在实现工程化应用做了什么工作？
汪澜：SCR脱硝技术已广泛应用于电力行业、钢铁行业等工业部门，但采用的SCR催化剂材料工作温度窗口大多高于300℃。
中低温SCR脱硝技术的核心是中低温SCR脱硝催化剂材料技术。研究团队对传统的高温催化剂材料进行改进性研究，通过添加强吸附功能材料，使催化剂材料对NH3分子和NOx分子吸附能力增加了数倍；通过添加微量过渡金属元素，使NH3分子与NOx分子反应的电子转移加速，反应速率大幅度提高；通过新的加工制备工艺，使催化剂材料的表面积和孔容增加、耐磨性能也有显著提高，最终实现了高性能中低温催化剂材料的商业化生产。
此后，我们开展了中低温SCR脱硝催化剂材料技术及工程化应用的中试研究。中试研究首先是建立了高18m的小型SCR反应器，催化剂3+1层布置，每层布置一个尺寸为1910×970×1010催化剂模块，催化剂每层装有吹灰装置；引入的烟气量为10000m3/h，温度为200℃，含尘量为55g/m3；烟气中NOx浓度平均为300mg/m3，SO2浓度平均为600mg/m3，但有时会高达1600mg/m3。通过近2年中试装置的连续运行，验证了中低温SCR脱硝催化剂材料的长期高效稳定性，同时也验证了中低温SCR脱硝工艺技术路线的可行性。2019年8月17日，“水泥窑中低温SCR脱硝催化剂研发和应用”通过由中国建材联合会组织的项目鉴定，专家意见认为“达到国际先进水平”。
记者：与5000t/d生产线配套建设烟气中低温SCR脱硝项目是一个大工程，请您介绍一下工程建设的背景。
汪澜：前期的实验室研究及实际工况条件下的中试试验，形成了工程化应用的工艺技术方案，这也得到了上海南方水泥有限公司的肯定，并安排在长兴南方水泥有限公司5000t/d生产线上配套建设水泥窑炉烟气中低温SCR脱硝工程项目。企业的5000t/d生产线日产熟料可达6300t，窑尾烟气量360000m3/h。生产线带有精准喷氨系统，氨水用量为350L/h至400L/h，窑尾烟囱NOx排放浓度控制在260mg/m3至280mg/m3。
由于烟气中低温SCR脱硝反应器是布置于余热锅炉之后，并且截面尺寸和高度都比高温SCR脱硝反应器小很多，故选择在生产线原有SNCR氨水储存库上方建设，这样就不会占用原有的任何场地，而且与窑尾烟气的流向管道布置没有任何拐角弯头，满足了水泥生产线工艺设备布置的基本原则要求。
记者：中低温SCR脱硝反应器都有哪些关键工艺设备？它们有什么作用？
汪澜：设计的脱硝反应器截面为64m2，净高为34m，框架结构总重量350t。尽管反应器的总体积大大缩小，但反应器内布置有4+1层催化剂模块，作为脱硝反应的核心。每层催化剂上方紧密布置耙式吹灰器，周围则布置声波吹灰器；通过耙式吹灰器和声波吹灰器的配合，防止了催化剂上方的任何积灰现象。整个SCR脱硝反应器的压力降仅为320Pa。
脱硝反应器自带有精准喷氨系统，可以独立进行全烟气的脱硝；也可以与SNCR耦合，利用SNCR喷氨多余产生的氨逃逸进行最终的烟气脱硝。氨水由热盘管加热蒸发，不增加电耗。
脱硝反应器带有压力、浓度、烟气成分等众多在线检测分析仪表仪器，新增DCS控制系统，做到远程监控和启停，并接入全生产线集散控制系统。
长兴南方水泥有限公司俯瞰图
记者：目前长兴南方与5000t/d生产线配套的烟气中低温SCR反应器运行情况怎么样？
汪澜：在长兴南方的中低温SCR反应器及整个工程于2020年7月进行调试并投入试运行，并且也进行了一些优化改进。根据国内权威机构的现场检测及中国建材联合会和中国水泥协会联合组织的专家评审会意见如下：自主研发了稀土耦合钒钛体系的中低温SCR脱硝催化剂，系统优化了催化剂的化学组成设计、物理结构形态与催化性能之间的关系，解决了催化剂对SO2等成分的敏感性问题，实现了在170℃至220℃窗口温度催化剂脱硝效率可达90%。设计开发出水泥窑炉烟气中低温SCR脱硝工艺技术，建成国内外首台套水泥窑炉烟气中低温SCR脱硝反应器及其工艺技术装备，实现工程稳定运行。工业化应用连续运行表明：脱硝效率达到90%、NOx排放浓度小于50mg/m3、氨逃逸小于5mg/m3。项目成果开拓了水泥烟气治理的新技术路线，实现水泥烟气中低温SCR脱硝技术的重大创新和突破，为水泥工业节能减排、绿色发展提供了有力技术支撑。
记者：研究团队成功研发了中低温SCR脱硝催化剂材料，并实现了工程化应用。那么未来在推广该项工程技术上有什么计划呢？
汪澜：我们希望能将这项工程技术推广应用到更多的水泥生产企业，以便为这些企业的评级和长期可持续发展提供技术支撑。具体讲，对于有设计及工程建设能力的水泥集团公司，我们可以仅提供SCR脱硝技术咨询和催化剂材料，以便使相关的水泥集团公司全面掌握这项工程技术，实现最少的投入和最大的环保收益。如有需要，我们也可以为水泥生产企业提供EPC服务，共同打造水泥行业节能环保引领示范工程。
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