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【转载】如箭在弦 超低排放百家争鸣谁领风骚?

浏览次数: 发布时间:2020-07-25 13:17:04

水泥行业推行超低排放势在必行,但相比于资金投入,更难的还是体现在技术层面。......
 
 

超低排放的概念最早由浙能集团在2011年提出,主要针对电力行业三大污染物(烟尘、二氧化硫、氮氧化物)提出控制指标,排放浓度要求分别不超过5mg/m3、35mg/m3、50 mg/m3。随后该标准在火电行业全面推行,并逐渐成为标配。

具体到水泥行业,大概在2016年左右,该概念被引入,并逐步被业内所重视。到2020年,生态环境部下发《关于在疫情防控常态化前提下积极服务落实“六保”任务 坚决打赢打好污染防治攻坚战的意见》,在《意见》中第一次明确提出水泥超低排放的要求。

业内专家曾告诉笔者,在完成火电、钢铁等行业的超低排放政策制定之后,水泥行业的超低排放有望成为大气治理政策下一步重点推进方向。事实上,在生态文明建设大背景下,水泥作为传统的“两高一资”行业,进一步提升排放标准可谓势在必行。

近年来,包括河北、河南、安徽、北京、福建、贵州、广东等省市在内,都结合地方实际相继出台了水泥行业超低排放政策,旨在进一步严格水泥行业主要污染物排放指标。其中,河北唐山标准最严,对粉尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10mg/m3、30 mg/m3、50 mg/m3,并要求在去年底之前完成改造。

超低排放是水泥行业绿色发展的必然

当前,国内水泥超低排放仍然粗在探索期,各地缺乏统一的标准和实施计划,“各自为政”的成分较多,但这并不影响超低排放在不久的将来成为水泥行业标配,究其原因在于:

1、水泥生产过程对环境的污染难以避免。

水泥生产过程可以简单理解为,用煤炭将石灰石烧成熔岩再冷却粉磨的过程。这一过程需要大量煤炭消耗,进而产生二氧化硫、氮氧化物及粉尘等污染物。另外,在1500℃左右高温环境下,氮气与氧气发生反应生成氮氧化物,而水泥熟料烧成温度也基本处于本区间内,火焰温度甚至高达1700℃以上,由此也会导致大量热力型氮氧化物产生。

水泥作为一种建筑材料,从诞生到现在,各个时代从业者都在为实现更低能耗,更低污染物排放对生产工艺进行不断改进,但是基于水泥生产本身高温、高资源消耗特性,污染物排放可以相对降低却始终难以避免。

2、我国水泥产量巨大,加大了环境压力。

现有各省市公布的超低排放标准,基本都大幅度严于欧美水泥行业污染物排放标准,但考虑到我国巨大的水泥工业体量,严于欧美的排放标准是必须的。

中国水泥网统计数据显示,1979年全国水泥产量仅为0.74亿吨,但是到2014年全国水泥产量达到24.92亿吨,增长了30多倍。如今全国水泥产量基本维持在22亿吨左右。

由于基数巨大,即便国内水泥行业在污染物减排方面已经成果丰硕,但排放总量仍然庞大,并给环境造成巨大压力。统计数据显示,在我国水泥工业颗粒物排放量占全国的15-20%,SO2排放量占全国的3-4%,NOx排放量占全国的10-12%。

水泥作为一种刚性需求的建材产品,且在可以预见的未来较长一段时间内难以出现替代产品。因此,水泥生产的污染物减排问题显得尤为重要,用最少的资源和环境代价,满足国民经济建设需求,是水泥行业一个永恒的话题,也是推行超低排放的根本目的。

氮氧化物减排难度为何巨大?

水泥行业推行超低排放势在必行,但相比于资金投入,更难的还是体现在技术层面。

水泥生产存在三大主要污染物(粉尘、二氧化硫、氮氧化物)。其中,粉尘治理难度最低,目前国内水泥企业基本能够做到10mg/m3的排放标准,即使未来粉尘排放标准进一步严格,也基本能够应对;二氧化硫治理方面,但由于水泥生产工艺本身具备脱硫特性,因此国内水泥熟料企业需要加装脱硫设施甚至不到一半。虽然投资成本较大,但脱硫效果非常明显,实现超低排放问题不大。

相比之下,氮氧化物减排较粉尘和二氧化硫难度更高。故而,水泥行业超低排放难在技术层面,而技术层面主要体现在氮氧化物减排技术难度较大。

目前,国内水泥行业氮氧化物治理技术主要分为低氮技改(脱硝效率30-50%)、SNCR技术(脱硝效率60-70%)、SCR技术(脱硝效率90%)。

其中,低氮技改脱硝效率最低,且受工况条件影响较大;SNCR技术成熟,但脱硝效率较低,对烟气温度的要求高、气凝胶设备容易造成腐蚀、无法实现NOX的超低排放,并且在SNCR系统中,氨的喷入量很大,造成下游氨的浓度非常高以至于产生氨逃逸的现象,直接导致了二次污染。因此,当前国内水泥企业为实现更低的污染物排放,更多的是采用上述两种脱硝方式的组合,即:“ SNCR+低氮技术改造”。

该技术组合基本能够实现氮氧化物排放量低于100mg/m3,但稳定运行难度较大,改造难度还受到工况条件制约。

由于“SNCR+低氮技术”改造并不稳定,且难以满足100mg/m3以下的氮氧化物排放标准,基于接下来必然会进一步提升的环保标准,不少水泥厂开始尝试脱硝效率更高的SCR技术。

理论上,SCR脱硝效率高达90%,结合低氮技术改造基本可以实现氮氧化物排放量低于50 mg/m3,且SCR在电力行业已经有了很成功的应用。然而,不同的是水泥生产环境粉尘含量更高,且烟气中含有碱金属、重金属,容易导致催化剂堵塞、中毒、失效等问题,因此在低温催化剂目前尚未取得更有效突破的情况下,高温环境下的除尘问题成为制约SCR在水泥行业推广应用的关键。

当前,国内部分水泥企业采用“高温电除尘+SCR”脱硝工艺,但由于高温环境会降低电除尘的除尘效率,因此长期使用过程中是否会导致催化剂堵塞、失效等问题还需要时间来考验。

总体而言,水泥行业超低排放的核心仍旧是氮氧化物减排。

虽然国内不少技术装备企业声称在部分水泥企业实现了氮氧化物超低排放,然而一方面缺少长时间稳定运行的数据资料支撑;另一方面案例过于单一,结合国内水泥企业工况差异巨大,能否具备普遍适用性同样是个问题。

氨逃逸是不容忽视的一环

当前最成熟的氮氧化物末端治理方式当属SNCR和SCR两种,二者都采用氨水作为还原剂。由于氨水在脱硝反应中并不完全参与,尤其是SNCR脱硝技术,氨水利用率更低,因此氨逃逸问题不可避免。

氨逃逸会导致严重的资源浪费和环境问题:

首先,氨水制备本身消耗大量的能源和资源。资料显示,目前吨氨综合能耗约为1500kg标准煤左右,并产生大量污水、废气和固体废物,而一条5000t/d水泥熟料生产线采用SNCR脱硝,在满足当前国家标准情况下,每天需要约20吨氨水(25%),即约5吨合成氨。其中,不少因氨逃逸而浪费。

其次,氨水属于危险化学品(危规号82503),生产、运输、储存、使用都有可能发生氨水泄露事故,污染周边环境,威胁民众生命财产安全。

再次,氨逃逸可能加重环境问题。近20年来,我国一直是全球最大的氨排放过国,而根据相关报道氨气污染一直是导致我国雾霾等环境问题的重要元凶。工业脱硝则是氨气污染的重要来源之一。

有资料显示,我国氨的年排放约为1000万吨左右,超过欧洲与美国氨排放的总和。氨气成为大气环境中含量最为丰富的碱性气体,与SO2转化形成的硫酸和NOX转化形成的硝酸发生化学反应,生成硫酸铵与硝酸铵二次无机颗粒物。硫酸盐、硝酸盐及铵盐约占PM2.5年均浓度的30%左右, 但在重污染过程中硫酸盐、硝酸盐及铵盐合计占PM2.5年均浓度的比例高达60%以上,是重污染天气二次无机颗粒物爆发式增长的重要前体物。PM2.5是构成雾霾的主要成分。

氨是造成雾霾的重要因素,氨逃逸则加重了雾霾问题,氨水泄露问题他也必须引起水泥行业的重视。基于上述原因,SNCR虽然更加经济且水泥行业运用已经相当成熟,但是氨逃逸量大将成为制约该技术应用的关键问题。

SCR独领风骚还是脱硝技术百家争鸣?

基于原有SNCR在脱硝效率及氨逃逸方面存在的缺陷,效率更高,氨逃逸可以得到有效控制的SCR脱硝技术一直是近年来水泥行业实现超低排放的重要突破口。

为解决粉尘浓度与催化剂反应温度之间的矛盾,业内将研发重点集中在了高温除尘和中低温催化剂两个方向。相比之下,“高温除尘+SCR”工艺路线发展和推广更为顺畅,中低温催化剂研发从媒体报道称,已经取得突破并在部分水泥厂使用,但应用范围有限。

作为一种已经在电力等相关行业得到充分验证的成熟脱硝手段,SCR无疑是当前水泥喊个与实现氮氧化物超低排放的首选技术方案之一。不过,正如合肥水泥研究设计院退休教授级高工,原袋委会秘书长吴善淦所言,粉尘问题是制约SCR技术推广应用的核心,由于目前国内水泥SCR脱硝项目运行时间普遍不长,缺少案例支持,高温电除尘能否胜任SCR除尘需要尚无定论。

此外,SCR脱硝系统投资成本高同样是制约该技术推广的一大难点。以宏昌水泥投运的国内首条SCR脱硝系统为例,据相关报道,该项目总投资近4000万元。

鉴于SCR脱硝系统存在投资成本高、工况条件制约等问题,探索一条更经济实用的脱硝技术方案成为业内部分专家及装备企业研发的重点。

据笔者了解,当前业内实现超低排放的技术手段还包括以下几种:

1、低氮技改+SNCR精准脱硝。该技术在槐坎南方7500t/d熟料生产线得到成功应用,据悉可以将氮氧化物排放量稳定控制在100mg/Nm3以内。

2、热碳催化还原脱硝技术。据称通过热碳还原技术可以将水泥厂氮氧化物排放量控制在50 mg/Nm3以内,目前已经在部分水泥厂得到推广使用。

3、LCR液态脱硝技术。资料显示该技术脱硝效率可达95%,将氮氧化物稳定控制在30 mg/Nm3以内,不过目前并没有大型水泥厂使用案例。

4、SNCR+离子发生器脱硝技术。资料显示,河南某水泥厂5500t/d熟料生产线结合“SNCR脱硝工艺+离子发生器脱硝装置”,氮氧化物最终排放浓度≤30 mg/Nm3、氨逃逸小于5ppm。

5、ERD+燃煤饱和蒸汽催化燃烧脱硝技术。据称可以实现氮氧化物可稳定控制100 mg/Nm3以内。

6、PYROCLON®REDOX脱硝。媒体报道称,天瑞新登郑州水泥有限公司采用该技术,氮氧化物排放量稳定在50毫克/立方米以下。

当然,目前技术流派众多,以上仅仅是笔者简要总结的几种。除上述技术方案以外,在前端治理方面业内也提出了众多改进方案,主要集中在对烧成系统的智能化低氮改造方面。特别是当前智能化技术快速发展,环保智能化被水泥行业所重视,未来智能化技术有望为水泥行业超低排放提供更多的助力。

综上,在水泥行业绿色发展大背景下,超低排放势在必行,并由此催生了流派众多的技术路径,呈现百家争鸣之势。但,无论何种脱硝方式均需要行之有效且能够防止氨逃逸等二次污染问题,进而实现行业绿色高质量发展。

关注:中国水泥网将于近日举办2020中国水泥行业超洁净排放技术交流大会,届时政府主管领导、技术专家、科研单位、水泥企业、装备服务商等共聚一堂,共同探讨水泥行业超低排放,敬请期待...

来源:中国水泥网
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