技术 | 山西省水泥工业大气污染物排放水平分析及超低排放改造技术研究

引言

水泥工业作为山西省重点行业之一，无论是企业数量还是大气污染物排放量，在山西省工业行业中均居于前列。水泥工业大气污染物主要有颗粒物、SO2、NO、氟化物、汞及其化合物和氨，其中排放量较大的有颗粒物、SO2、NO这三种污染物。SO2会氧化形成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，是形成酸雨的重要来源。NO与光化学烟雾、酸沉降、平流层臭氧损耗和全球气候变化有重要关联，同时NO，的生命周期比SO2长，可以跨国界“长距离输送”。收严水泥工业大气污染排放标准限值，强化无组织管控，对其进行超低排放改造，协同推进减污降碳，改善环境空气质量，是环境保护的需要，更是企业坚持绿色发展、高质量发展的必由之路。本文通过搜集整理数据，分析当前山西省水泥工业大气污染物排放水平以及水泥工业超低排放改造情况，为山西省地方排放标准制定提供建议和参考。

目前，山西省水泥工业大气污染物排放标准执行《水泥工业大气污染物排放标准》(GB 4915-2013)中的大气污染物特别排放限值(山西省质量技术监督局和山西省环保厅2018年1号公告)。2021年4月25日，山西省生态环境厅和山西省工业和信息化厅下发《关于印发<山西省水泥行业超低排放改造实施方案>的通知》(晋环发〔2021〕16号)。对水泥工业提出超低排放要求，在基准氧含量10%的条件下，水泥窑及窑尾余热利用系统烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，氨逃逸浓度不高于5mg/m3。采用独立热源烘干的企业应采用余热或清洁能源，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。其他产尘环节颗粒物浓度不高于10mg/m3。方案印发后，水泥企业积极按照方案要求陆续进行超低排放改造。截至目前，山西省已有8家水泥企业完成超低排放改造。

山西省水泥工业企业生产规模大于2000吨/天的水泥企业45家，其中正常生产企业43家，停产2家，共收到41家反馈意见，调查占比为91.1%。41家反馈意见的水泥企业中，支持烟气排放颗粒物10mg/m3、二氧化硫35mg/m3、氮氧化物100mg/m3共23家，占比56.1%；支持超低排放(颗粒物10mg/m3、二氧化硫35mg/m3、氮氧化物50mg/m3)的水泥企业7 家，占比17.1%。生产规模小于2000吨/天的水泥企业18家，其中正常生产4家(包括3家特种水泥生产企业)，停产或产能置换企业14家，正常生产企业现有工艺均达不到氮氧化物排放浓度100mg/m3。除特种水泥生产企业外，小型水泥生产企业逐步停产淘汰。

2020年，山西省水泥工业企业颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量分别为21897.9吨、3476.1吨、21131.2吨，各占山西省重点调查行业排放总量的9.06%、1.67%、8.23%，可以看出水泥工业企业颗粒物和氮氧化物占比较大，必须重点加以控制。2020年全省水泥企业污染物排放总量占比见下表。

水泥行业颗粒物治理技术较为成熟，运行维护较好的除尘设施除尘效率高达99%以上，水泥企业除尘治理工艺主要以过滤式除尘法(布袋除尘法)为主，少数企业采用静电除尘法(管式、卧式)、电袋除尘法以及其它除尘方法，颗粒物排放浓度均可以达到20mg/m3以下，运行较好的可以达到10mg/m3以下。我省多数水泥熟料企业采用的生产工艺均为新型干法水泥生产线，其窑外分解工艺为进一步控制污染物排放提供了基础保证，如窑尾配备覆膜袋式等高效除尘设备，完全可以满足本标准10mg/m3的要求。

水泥窑尾气NOx超低排放改造技术呈多样化发展，主要集中在SCR、SNCR+SCR、热碳催化还原、LCR或其他深度脱硝技术上，均以氮氧化物排放浓度为主的技术指标和以氨水消耗量为主的经济指标进行评估。

5.1 SCR脱硝技术

SCR脱硝技术是水泥窑尾气氮氧化物超低排放改造的主流工艺。根据SCR反应器布置点位的不同，分为高温高尘、中温高尘和低温低尘技术，对应点位温度分别约为350℃、220℃、100℃。三种布置方式中以高温高尘为主，高温段的催化剂活性高，应用最成熟。“高温预除尘+SCR脱硝”技术改造后水泥窑尾气氮氧化物排放质量浓度可达50mg/m3以下，但改造难度大、建设成本高、运行费用高、占地面积大，多数水泥企业并未预留足够的空间用于改造。

5.2 智能化提升+SNCR脱硝优化

优化改造技术包括熟料烧成工艺优化、低氮改造优化、SNCR脱硝优化中的一种或多种技术组合。对于熟料烧成工艺，通过更加广泛地生产工艺数据采集和对生产工况的实时跟踪，实现对NO生成浓度的预测。采用分层级安装可独立控制的喷枪组，然后利用智能实时优化控制系统对NOx排放进行预测，根据实时工况控制喷氨量、喷氨位置等，从而达到提高脱硝效率，减少氨水用量，降低氨逃逸目的。经相关企业实施验证，NOx排放浓度可控制在50mg/m3以下。一次性投资小，管理维护方便，对烧成工况波动较大的生产线难以实现。

5.3 SNCR+SCR脱硝技术

SNCR+SCR法是先将氨水喷入窑体，脱除部分氮氧化物，未脱除的部分和逸出的氨进行催化还原反应。两种方法的结合不仅可以降低氨水、催化剂的使用量，对处置氮氧化物效率的提高更是效果明显，是脱硝技术经济性与高效性的有机结合。对于技术改造难度较大、老旧的生产线采用该脱硝方式较为实际。经调试运行，烟气出口氮氧化物排放浓度小于50mg/m3，脱硝效率达90%，氨逃逸小于3×10-6mg/m3。

5.4 分解炉直喷脱硝剂技术

根据停留时间和分散度的需要，在分解炉下部喷入粉状脱硝剂，在分解炉上部喷入液体脱硝剂，在分解炉上部喷入液体脱硝剂只是比液氨粘稠一些。在现有SNCR和喷氨设备下，改造费用只有SCR的二十分之一，不存在催化剂回收和氨逃逸问题。

5.5 其他深度脱硝技术

其他深度脱硝技术包括高温除尘脱硝一体化技术、液态催化剂技术(LCR)、高温陶瓷滤筒除尘脱硝技术、热碳催化还原技术等。针对主流的“高温预除尘+SCR脱硝”技术，提出高温除尘脱硝一体化技术，其区别在于前者在高温段除尘效率要求较低，除尘后PM浓度满足SCR反应器入口要求即可，后者是在高温段直接将PM控制到超低排放水平，避免二级除尘，使系统更流畅，降低建设成本及运行费用。

水泥窑尾气SO2产生量与窑型及原料、燃料中S含量有关。从各种窑型水泥厂SO，排放浓度达标技术分析来看：预分解窑因有高度活性的CaO 存在，SO2与CaO气固接触好，可被大量吸收，其固硫率可达95%以上，因此SO.排放浓度较低，可以达到10mg/Nm3以下。从原料和燃料中含S量来看：使用低S或无S原燃料的水泥窑SO2 排放量很少，不加治理其排放浓度就可以达到10mg/m3，因水泥熟料生产过程中的碱性环境对二氧化硫有较好的去除效果，多数水泥企业均未布设脱硫污染设备。而少数水泥企业使用的原燃料中S含量(硫铁矿、有机硫等)较高，排放浓度也会上升，需要进行脱硫才可以满足超低排放要求。目前国内有多家水泥厂采取湿法脱硫，脱硫效率可以达到95%以上。湿法脱硫主要有生石灰法，氧化镁法，石灰石石膏法，双碱法等等。

全面加强物料储存、输送、协同处置及生产工艺过程无组织排放控制，以及厂区及周边环境综合整治。在保障生产安全的前提下，采取密闭、封闭等措施，有效提高废气收集率，产尘点及车间不得有可见烟粉尘外逸，协同处置垃圾或固体废物相关区域不得有明显恶臭异味。厂区无裸露地面，除绿化带外均应硬化，无散状物料露天堆放，厂区及周边道路无积尘。生产设施、管道通廊、料棚及生产车间外部定期清理，做到物见本色。

建设全厂污染物排放管、控、治一体化监控平台，全面加强自动监控、过程监控和视频监控设施建设。窑尾(含氨逃逸在线监测)、窑头、独立烘干系统、水泥磨等均安装自动监控设施(CEMS)。水泥窑、窑尾烟气处理系统均应安装分布式控制系统(DCS)。原料储库、成品装卸平台及输送通道等重点工序安装高清视频监控设施。厂区内主要产尘点周边、运输道路两侧安装空气质量颗粒物监测设施，厂界安装环境空气质量颗粒物自动监测站。建设门禁系统和视频监控系统，监控运输车辆进出厂区情况。DCS、CEMS监控等数据至少保存一年以上，视频监控数据至少保存半年以上。

1.水泥工业大气污染物排放标准日益收严，PM、SO2、NO，排放限值分别向10mg/m3、35mg/m3、100mg/m3趋近，甚至可能到5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。

2.水泥窑尾气氮氧化物超低排放改造技术呈多样化发展，主要集中在SCR、SNCR+SCR或其他深度脱硝技术上，而熟料烧成工艺研究不足。

3.NO的控制宜优先减少生产过程的NO、生成量，其次是。优化SNCR脱硝系统，再配套SCR脱硝系统，通过多技术联合应用，做到节煤、提效、节约氨水消耗量、减少氨逃逸等。

4.石灰-石膏湿法脱硫技术最成熟可靠，脱硫效率高，是实现水泥窑废气SO2超低排放的最好选择，特别适合硫含量高的水泥窑废气。

5.颗粒物有组织排放控制很好，无组织排放还存在不少问题。

作者：任攀杰，仝吉昌，贾丁治，凌云鹏，赵海霞，刘志强

公司：山西省生态环境监测和应急保障中心(山西省生态环境科学研究院)

来源：《中国水泥》

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