“碳討”水泥行業(yè)深度脫硝的關(guān)鍵技術(shù)
摘要：在構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的大背景下，綜述了低碳轉(zhuǎn)型對行業(yè)的意義。分析了水泥行業(yè)碳排放現(xiàn)狀及現(xiàn)有深度脫硝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)論述了低溫、低碳的水泥深度脫硝技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)低碳治污、協(xié)同治污及其所帶來的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。指出具有低溫、低碳、無氨等技術(shù)特點(diǎn)的深度脫硝技術(shù)將在水泥行業(yè)污染物治理中大有可為。
關(guān)鍵詞：水泥 碳達(dá)峰 碳中和 深度脫硝 氨逃逸
一、低碳轉(zhuǎn)型是行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路
人類是命運(yùn)的共同體，氣候變化事關(guān)全人類的前途命運(yùn)，需要我們攜手共同應(yīng)對。2020年9月，在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上，中國向世界作出莊嚴(yán)承諾將提高國家自主減排貢獻(xiàn)力度，“力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”
目前，歐盟和美國已先于我國實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰。相較于歐美國家，我國要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)面臨著以下三方面的挑戰(zhàn)：首先，從能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(fèi)比重占58%,石油消費(fèi)比重占19%而歐盟和美國煤炭消費(fèi)比重僅為11% 和12%；其次，歐盟與美國達(dá)到碳達(dá)峰時(shí)CO2峰值分別為45億噸、59億噸，權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測我國CO2達(dá)到排放峰值時(shí)約為106億噸；再次，歐盟從碳達(dá)峰至碳中和用了60年時(shí)間，而我國僅有30年時(shí)間。由上述三點(diǎn)不難看出，要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)對我國來說時(shí)間緊、任務(wù)重。
圖1 2019年中國能源生產(chǎn)總量結(jié)構(gòu)
二、水泥行業(yè)碳排放現(xiàn)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(yè)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(chǎn)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(yè)碳排放具有點(diǎn)多面廣、量大的特點(diǎn)，減排任務(wù)十分艱巨。
圖2 2009-2020年中國水泥行業(yè)水泥熟料產(chǎn)量和二氧化碳排放量
2.1水泥生產(chǎn)過程中CO2排放
水泥行業(yè)CO2排放具有點(diǎn)多面廣、量大的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在從原料分解到生產(chǎn)工藝，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)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(chǎn)生的CO2排放；間接排放是指在生產(chǎn)或服務(wù)過程中所需的電力支持及熱能損耗而產(chǎn)生的CO2排放。
直接碳排放主要體現(xiàn)在以下兩方面：
（1）原料分解產(chǎn)生的碳排放：水泥窯內(nèi)的生料碳酸鹽CaCO3和MgCO3受熱導(dǎo)致碳酸根分解產(chǎn)生CO2，生料中的有機(jī)碳也會(huì)產(chǎn)生CO2。
（2）燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放： 煅燒需要消耗大量的燃料，水泥行業(yè)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(xiàn)在以下兩方面：
（1） 電力消耗產(chǎn)生的碳排放：在水泥生產(chǎn)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(zhuǎn)化而來，所以電力消耗會(huì)間接產(chǎn)生CO2。
（2） 熱能損耗產(chǎn)生的碳排放：在水泥生產(chǎn)過程中，如預(yù)熱器出口廢氣熱損失、系統(tǒng)表面散熱導(dǎo)致的熱損失、冷卻機(jī)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(chǎn)生的熱損失等，都會(huì)間接造成CO2的排放。
本文重點(diǎn)分析水泥行業(yè)在污染物治理SCR脫硝過程中所產(chǎn)生的CO2排放情況。
2.2水泥行業(yè)深度脫硝中的碳排放
水泥行業(yè)的NOx排放量約占全國總排放量的10%~12%，是繼火電廠、機(jī)動(dòng)車之后的第三大排放源。當(dāng)前水泥企業(yè)普遍采用的是SNCR脫硝技術(shù)，其具有投資少、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。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(guān)要求。
SCR作為一種在世界范圍內(nèi)成熟、高效的煙氣脫硝技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用在電力與非電領(lǐng)域中，但SCR脫硝技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用還屬于新的領(lǐng)域。水泥行業(yè)煙氣因粉塵含量大易導(dǎo)致SCR催化劑塔發(fā)生堵塞，造成運(yùn)行阻力增加、催化劑失活等現(xiàn)象；同時(shí)煙氣經(jīng)過催化劑塔時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫降造成熱損耗；SCR還存在投運(yùn)成本高、氨逃逸等問題。其中因系統(tǒng)運(yùn)行阻力增加而造成電耗及溫降帶來的熱損耗都會(huì)造成CO2的間接排放。
2.2.1 SCR系統(tǒng)因運(yùn)行阻力產(chǎn)生的碳排
SCR系統(tǒng)運(yùn)行阻力問題主要由催化劑塔阻力和煙道阻力兩部分構(gòu)成。目前市場上廣泛應(yīng)用的釩鈦鎢/鉬系催化劑按結(jié)構(gòu)可分為蜂窩式、平板式、波紋式。由于催化劑的外形設(shè)計(jì)及在使用過程中會(huì)讓煙氣阻力增加1000Pa左右；SCR脫硝裝置和增加的煙道（彎頭）會(huì)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(yùn)行時(shí)間的增長，催化劑堵塞程度越嚴(yán)重，也會(huì)導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)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(tǒng)運(yùn)行阻力增加了1300Pa，而產(chǎn)生的電耗量和對應(yīng)的CO2排放量為：
（1）風(fēng)機(jī)內(nèi)功率=風(fēng)量（M3/h)*全壓(Pa)/3600000
代入數(shù)值600000*1300/3600000=216Kw
（2）軸功率=內(nèi)功率/效率
代入數(shù)值216/0.85=254 Kw
（3）實(shí)際配置電機(jī)功率=軸功率*電機(jī)安全系數(shù)
代入數(shù)值254*1.15=292Kw/h
表1 使用1度電（Kwh）的排放系數(shù)
（4）安裝SCR裝置后導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行阻力增大，對應(yīng)的每小時(shí)電能消耗產(chǎn)生的CO2排放量為：
代入數(shù)值292Kw/h*0.997Kg=297.124Kg/h
（5）以水泥窯年運(yùn)行時(shí)間為8000h計(jì)，二氧化碳年排放量為：
代入數(shù)值297.124Kg/h*8000h=2328992Kg=2328.99噸/年
2.2.2 SCR系統(tǒng)因熱損耗產(chǎn)生的碳排
水泥窯安裝SCR脫硝系統(tǒng)后，當(dāng)煙氣通過催化劑塔時(shí)，煙溫會(huì)降低5-10℃，會(huì)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(jīng)過SCR催化劑塔之后，按照煙溫下降10℃計(jì)算產(chǎn)生的熱損失，折算出耗煤量為：1267Kg標(biāo)準(zhǔn)煤。
（1）根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可算出1267Kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的CO2為：
代入數(shù)值1267Kg/0.4Kg*0.997Kg=3157.9975Kg
（2）以水泥窯年運(yùn)行時(shí)間8000h小時(shí)計(jì)，CO2年排放量為：
代入數(shù)值3157.9975Kg*8000h=25263980Kg=25263.98噸/年
由上述計(jì)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(chǎn)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(tǒng)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(yè)CO2排放總量的2%。
隨著生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《碳排放權(quán)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(jià)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(jià)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(yè)實(shí)現(xiàn)超低排放的難點(diǎn)是氮氧化物減排和氨逃逸的雙減雙降與協(xié)同治理。SCR脫硝技術(shù)雖可實(shí)現(xiàn)深度脫硝，但存在氨逃逸問題，還會(huì)造成更多的電耗與熱能的損耗，進(jìn)而造成額外的碳排放。水泥企業(yè)在氮氧化物超低排放與碳達(dá)峰的雙重背景下，減排的同時(shí)應(yīng)兼顧減碳。并且在碳交易全面鋪開的當(dāng)下，碳配額已經(jīng)成為一種關(guān)系到企業(yè)生存與發(fā)展的重要因素，這會(huì)倒逼水泥企業(yè)在深度脫硝過程中首選能夠兼顧社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又是低碳、無氨的脫硝技術(shù)。
三、水泥行業(yè)深度脫硝的低碳路徑
綜上所述，可實(shí)現(xiàn)超低排放的低碳脫硝技術(shù)無論是從市場需求、社會(huì)效益還是經(jīng)濟(jì)效益上來看都將大有可為。未來深度脫硝技術(shù)應(yīng)具有低溫、低碳、無氨、多污染物協(xié)同治理等特征，低碳與超凈協(xié)同、雙降雙贏是該技術(shù)路經(jīng)的重要標(biāo)志。喜多（SIOD）離子發(fā)生器作為深度脫硝的核心技術(shù)，是由中晶環(huán)境公司針對水泥行業(yè)煙氣特點(diǎn)自主研發(fā)具有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝技術(shù)。喜多（SIOD）離子發(fā)生器具有低溫、高效、對塵無感的特點(diǎn)，相較SNCR和SCR脫硝技術(shù)，它即是一種不介入生產(chǎn)系統(tǒng)（在原有煙道內(nèi)完成反應(yīng)），無需改造風(fēng)機(jī)，不會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行阻力和產(chǎn)生熱損耗的低碳脫硝技術(shù)；又是一種可實(shí)現(xiàn)無氨，多污染物協(xié)同治理的脫硝技術(shù)。因此，喜多（SIOD）離子發(fā)生器是一種可實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)深度脫硝與碳減排協(xié)同治理、“雙減雙降”的工藝路線。
圖1-3 喜多（SIOD）水泥行業(yè)脫硝除氨技術(shù)路徑
隨著國務(wù)院《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》的發(fā)布和水泥行業(yè)將在2023年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”時(shí)間點(diǎn)的明確。為此，水泥行業(yè)在深度脫硝治理過程中，應(yīng)更關(guān)注與碳減排的協(xié)同，“走雙降雙贏”的技術(shù)路徑。具備低溫、低碳、無氨等特點(diǎn)的污染物治理技術(shù)將成為水泥企業(yè)的首選，也是水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量綠色發(fā)展的必由之路。
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