水泥工业NOx超净排放下CO2增排量的推算

水泥工业自GB 4915—2013标准颁布实施近10年以来，全行业NO_x综合排放量已消减1/2及以上。伴随辅助脱硝工艺技术的成熟及物理法脱硝系统的完善，进一步减少NO_x排放已成为历史必然，如环办大气函[2020]340号《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南（2020年修订版）》推荐的水泥工业宜先采取低氮燃烧、分解燃烧等物理脱硝措施，再利用SNCR/SCR法组合脱硝技术或是再利用先进型选择性非催化还原法脱硝技术等辅助脱硝措施，逐步实现水泥窑烟气NO_x超净排放。以全行业采用SCR脱硝技术实现烟气NO_x超净排放为例推算，待全面实施后全国CO₂排放量将增加 2379.61万t/年，对碳中和的挑战不容忽视。本文以满足假设条件的SCR法脱硝技术和先进型选择性非催化还原法脱硝工艺分别实施为例，围绕脱硝实施过程引发的广义能耗变化主线路，探析水泥工业烟气NO_x超净排放愿景实施后对CO₂排放量的影响。

我国水泥工业脱硝潜力及消耗的还原剂代价：文献整理得出，2022年底中国大陆现有水泥熟料生产线1624条，当年熟料产量约15.4亿t，未采取辅助脱硝前窑尾烟气NO_x初始均值（标况下）为 718.55 mg/m³，全行业排放含NO_x烟气量（标况下）34348.02亿m³/年@10%O₂。以当前脱硝后烟气NO_x排放均值320mg/m³，末态烟气NOx排放浓度500mg/m³计，推算出全行业NOx减排潜力为 92.74 万t/年，累计NO_x减排量 229.63 万t/年。以市场调研的火力发电厂SNCR/SCR复合型脱硝工艺、先进型SNCR脱硝技术、水泥窑精准脱硝系统或水泥窑SCR脱硝装置等运行现状为例，得出当NO_x排放均值从初始值718.55mg/m³降至 320mg/m³的氨氮比与理论氨氮比相符，SNCR脱硝及SCR脱硝计算时均选1.1；当NO_x排放均值从初始值320mg/m³降至50mg/m³的氨氮比为理论氨氮比的1.3~2.8倍，计算时SNCR脱硝选1.6、SCR脱硝选1.4；当NO_x排放均值从初始值718.55mg/m³直接降至50mg/m³的氨氮比是理论氨氮比的2.0~5.1倍，计算时SNCR脱硝选2.6、SCR脱硝选2.2。则采用单一SCR法辅助脱硝技术降低单位体积烟气中的668.55 mg/m³ NO_x时，至少需消耗质量浓度20%氨水933.51万t/年；采用单一SNCR辅助脱硝工艺降低单位体积烟气中的668.55 mg/m³ NO_x时，至少需消耗质量浓度20%氨水1103.24 万t/年。

一、脱硝工程支付能耗汇总

运行脱硝系统付出的电耗：采用单一SCR法辅助脱硝系统涉及五部分电能：氨泵电耗及控制系统电耗、克服SCR脱硝塔阻力增加的高温风机电耗、脱硝塔诱发的尾排风机负荷增加、提供脱硝还原剂雾化及提供脱硝塔清灰消耗的电能、脱硝塔散热及额外漏风对余热发电系统带来的发电损失。

(1)氨泵电耗及控制系统电耗。以每套SCR辅助脱硝系统包含一套控制系统和一座SCR脱硝塔，每条水泥熟料生产线对应一台同步运行的氨水增压泵和一台间歇运行的卸氨泵，出氨水增压泵时的回流氨水量与参与脱硝氨水量之比按1.5计。氨泵电耗及控制系统电耗见表1。

 

(2)克服SCR脱硝塔阻力诱发的高温风机负荷增加。假定未上SCR脱硝技术前C₁出口烟气中O₂平均浓度3%，烟气平均密度1.48kg/m³，余热锅炉平均漏风率5%；SCR脱硝装置运行后，SCR脱硝塔的平均阻力为1200Pa，C₁出口至高温风机段漏风率增加40%，SCR脱硝技术投用前后不影响烟气中绝对粉尘含量。克服SCR脱硝塔阻力诱发的高温风机负荷增加量统计见表2。

 

(3)脱硝塔诱发的尾排风机负荷增加。由表2计算出因SCR脱硝塔增加的高温风机风量负荷 601.85亿m³/年。按尾排风机全压平均值1400Pa计，因SCR脱硝增加的尾排风机电耗为 2753.56 万kWh/年。

(4)提供脱硝还原剂雾化及提供脱硝塔清灰消耗的电能。假定实施脱硝过程的压缩空气来自与各水泥生产企业的空压机总站，空压机采用电驱动，压缩空气初始压力0.68 MPa；脱硝还原剂雾化压缩空气用量300~400 m³/t-氨水，以360 m³/t-氨水计；脱硝塔清灰消耗压缩空气以30 m³/10万m³-烟气计，结合表1及表2，计算出获取压缩空气过程消耗电能汇总表见表3。

 

(5)脱硝塔散热及漏风对余热发电系统带来的电能损失。脱硝系统热损失主要包括SCR脱硝塔自身散热、SCR脱硝塔诱发余热锅炉发电量降低。假定出余热锅炉烟气平均温度为164 ℃，环境漏风平均温度为15 ℃，空气平均比热容1.005 kJ/(kg·℃），SCR脱硝塔自身散热量为SCR脱硝塔诱发余热锅炉发电量降低值的0.08倍，则折算至全行业因SCR脱硝塔散热及漏风对余热发电系统带来的电能损失为231781.22万kWh/年。

注：计算公式（1469.33-1049.52）×10000×(164-15)×1.005×1.229÷3600×1.08=231781.22万kWh/年

获取还原剂付出的能耗：假定20%氨水均来自合成氨。由表1计算出生产 933.51万t/年20%氨水消耗纯氨 186.70万t/年、消耗软化水 746.81万t/年。依据《合成氨单位产品能源消耗限额（GB 21344—2015）》表1“粉煤原料”单位能耗限值（标煤） 1680kg/t计算，生产 186.70万t/年纯氨消耗标煤 313.66万t/年；依据《综合能耗计算通则GB/T 2589—2020》附表B限值推算制备 746.81万t/年软化水，需消耗标煤 3 627.26 t/年。合计获取还原剂付出能耗为标煤 314.02万t/年。

建设脱硝装置付出的能耗：搭建SCR脱硝装置的材料有百余种，计算时除催化剂外其它材料均折算为钢材。假定SCR脱硝装置钢结构寿命20年，以每套脱硝装置平均消耗钢材1800t计，全行业实施SCR法脱硝技术至少需消耗钢材 146160t/年，以《铁合金单位产品能源消耗限额GB 21341—2017》表2中二级能耗限值（标煤） 1050kg/t计，获取脱硝装置支出能耗为标煤 15.35万t/年；参考《火电厂烟气脱硝（SCR）系统运行技术规范DL/T 335—2010》推算，水泥工业全行业实施脱硝后一次SCR脱硝催化剂装填量约为58742.53万t，SCR脱硝催化剂寿命按2年计，以《日用陶瓷单位产品能源消耗限额GB 36890—2018》表3“二次烧结工艺”能耗限值（标煤） 980 kg/t计，获取脱硝催化剂支出能耗为标煤 28.78 万t/年（注：计算公式：

20990.46×10⁸×(1+300÷273)÷3600÷4.5×1.2×3×0.6÷2×0.98=28783.84 t/年）。

综上，合计建设脱硝装置付出能耗为标煤 44.13 万t/年。

脱硝运行过程增加的煤耗：假定NO占NO_x总量的95%，脱硝过程NO与NO₂同比例消减，过量还原剂不再参与化学反应，则SNCR或SCR脱硝氨氮反应热化学方程可简化式为:

4.2NH₃(g) + 3.8NO(g)+0.2NO₂(g)+1.05O₂(g)→4.1N₂(g) + 6.3H₂O(g)，△H= -1689.27 kJ/mol

基于表4推算出脱硝系统实施后维持窑系统热工平衡下的能量增加折标煤 96.74 万t/年。关联物质热工参数汇总表见表4，脱硝热量转移过程汇总表见表5。

 

脱硝工程综合能耗及CO₂增排量汇总：基于获取原料过程综合能耗、脱硝系统运行期间增加的电耗以及脱硝系统降低的余热发电产量等为基础，得出采用SCR法辅助脱硝技术在水泥工业实施NO_x超净排放过程期间需支付标煤 758.67万t/年，折算至基准态下CO₂增排量 2048.40 万t/年。单一SCR法辅助脱硝技术水泥工业实施NO_x超净排放过程额外支付能量汇总见表6。

 

结论及建议

水泥工业如全面采用以SCR法脱硝技术为主导的NO_x超净排放后，每年增加标煤消耗758.67万t/年，折合增加原煤消耗 1062.13 万t/年，间接增加CO₂排放量 2048.40 万t/年。若实施采用低氮燃烧、分级燃烧物理处理后再利用先进型SNCR脱硝技术如精准脱硝技术代替SCR法脱硝技术，表6中除1、4、8项外，其余项能耗均可省去，同比节约标煤156.08万t，同比减少CO₂排放 421.42万t/年，更利于碳中和政策。

NO_x作为主要的大气污染物组份之一，也是补充农作物的重要氮源之一。合理控NO_x利国利民，盲目控NO_x得不偿失。建议行业在推进新的环保政策前，多派遣专家深入一线实地调研，盲目超净、超超净“大跃进”口号要不得