早期水泥工业废气排放行业标准中对污染物排放限值较为宽松，经1996年、2004年两次修订，颗粒物(PM)、SO
2、NOx排放限值分别为50 mg/m³、200 mg/m³、800mg/m³，该限值一直持续到2012年。由于水泥熟料烧成过程的固硫作用使得SO
2排放质量浓度低于200mg/m³，新型干法生产工艺基本可使NOx排放质量浓度低于800mg/m³，运行稳定的大型生产线甚至可达500mg/m³以下;仅有PM 排放质量浓度高达20～60g/m³，是排放限值的400～1200倍，是水泥厂早期重点污染物，此阶段通常配套电除尘器可达标排放，不需配套脱硫及脱硝设施。
2010年开始，全国水泥工业启动废气脱硝改造，主流技术是选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术，可实现NOx排放质量浓度低于400mg/m³，一般可控制到320mg/m³以下，美国环境保护署(USEPA)报道[1]最佳可达到200mg/m³以下。该技术支撑《水泥工业大气污染物排放标准》(GB 4915—2013)发布。
我国水泥工业生产线多、单条生产线排烟量大，然而大气污染物排放标准远比燃煤电厂宽松，而排放总量超过了火电、钢铁行业，已成为第一大排放源和非电行业的管控重点。继燃煤电厂全面完成、钢铁行业全面推进超低排放改造后，全国各地开始推动非电行业超低排改造，政策开始引导水泥工业向超低排放发展。本研究主要对现有标准和治理技术进行系统分析，有利于水泥工业超低排放政策发展和技术进步。
1、现行水泥工业NOx排放国家标准及部分地方标准
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序号 |
标准名称 |
标准号 |
颁布时间 |
执行时间 |
NOx排放限值（mg/m³） |
氨逃逸排放限值（mg/m³） |
备注 |
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1 |
水泥工业大气污染物排放标准 |
GB 4915-2013 |
13年12月27日 |
14年3月1日 |
400 |
10 |
|
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320 |
8 |
重点区域 |
|
2 |
关于推进实施水泥工业超低排放的意见（征求意见稿） |
|
（23年6月） |
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50 |
8 |
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3 |
水泥工业大气污染物超低排放标准 |
T/CCAS 022-2022 |
22年4月20日 |
22年7月20日 |
100 |
8 |
|
|
4 |
四川省水泥工业大气污染物排放标准 |
DB51 2864 -2021 |
21年12月8日 |
22年7月1日 |
150 |
8 |
攀枝花市、阿坝、甘孜、凉山 州 |
|
100 |
8 |
其他城市 |
|
5 |
重庆市水泥工业大气污染物排放标准 |
（DB 50/656-2016） |
16年1月26日 |
16年2月1日 |
250 |
8 |
主城区 |
|
350 |
10 |
其他区域 |
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6 |
重庆市水泥工业大气污染物排放标准 |
征求意见稿 |
22年9月30 日征求 |
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100 |
8 |
控制区 |
|
|
150 |
8 |
其他区 |
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7 |
北京市水泥工业大气污染物排放标准 |
(DB11/ 1054-2013) |
13年12月26日 |
14年1月1日 |
200 |
5 |
Ⅱ时段(2016年1月1日起执行) |
|
8 |
河北省水泥工业大气污染物超低排放标准 |
DB 13/ 2167—2020 |
20年 03月13日 |
20年05月01 日 |
100 |
8 |
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9 |
《山东省水泥行业超低排放改造实施方案》 |
鲁环发〔2022〕8号 |
22年6月20日 |
23年9月底前 |
50 |
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黄河流域各市 |
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23年年底前 |
|
全省全面完成水泥行业超低排放改造 |
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10 |
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 |
21年4月25日 |
21年底 |
50 |
5 |
大同朔州两市 |
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22年底 |
11个城市规划区和太原及周边“1+30”县 |
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24年底 |
全省 |
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11 |
广东省《关于进一步加强固定源和移动源氮氧化物减排工作的通知》 |
2022-04-07征求意见 |
22年5月 |
鼓励25年前实现 |
50 |
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12 |
《宁夏回族自治区水泥行业烟气超低排放改造实施方案》 |
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22年6月 |
22年底前 |
100 |
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完成宁夏14家水泥企业共22条生产线烟气超低排放改造。 |
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13 |
《吉林省水泥行业超低排放改造实施方案（征求意见稿）》 |
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23年底前 |
100 |
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25 年底前 |
50 |
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14 |
《浙江省水泥行业超低排放改造实施方案》 |
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20年 |
22年底前 |
100 |
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25年6月底前 |
50 |
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15 |
《河南省水泥行业超低排放改造实施方案（征求意见稿）》 |
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21年6月 |
20年底前 |
100 |
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|
2、现有水泥NOx超低排放技术介绍
随着科学技术的不断发展以及水泥窑烟气NOx排放标准的不断收严，水泥窑烟气脱硝历经SNCR技术、低氮燃烧器技术、分解炉分级燃烧技术等，它们建设费用低，性能良好，因此受到广泛应用，目前国内水泥生产线均已采用以上几种或一种技术，NOx得到有效控制。但从实际情况来看，这些技术自身虽然具备不同的优势，但也受到技术本身的限制，在排放标准进一步收严后难以保证NOx超低排放（≤50mg/Nm³）的同时满足氨逃逸≤5mg/Nm³的标准。根据相关资料调研，国外早在2006年意大利Moncelice水泥厂采用SCR工艺进行脱硝，粉尘在100g/Nm³左右，烟气温度330℃，属于高温高尘SCR工艺，NOx从初始1200mg/Nm³降至400mg/Nm³，氨逃逸小于5mg/Nm³；2010年德国Mergelstetten水泥厂、2013年美国Joppa水泥厂、2017年德国WOTAN-Zement先后采用高温高尘SCR工艺进行脱硝治理；2012年奥地利Mannersdorf水泥厂采用高温中尘SCR工艺，入口粉尘约20g/Nm³左右；国外水泥窑相关SCR脱硝工艺绝大多数采用了高温催化剂，已经过长期运行的考验。在我国SCR脱硝技术在电力、钢铁、化工等行业已成功运行多年，是实现NOx超低排放的最主要技术。目前水泥窑SCR技术根据适应温度和颗粒物含量主要分为高温高尘、高温中尘、高温低尘、中温中尘这4种工艺路径，均有能稳定运行的工程案例，具体工艺技术指标对比见下表：
水泥窑的各种SCR工艺技术指标对比表
|
项目/路径 |
高温高尘 |
高温中尘 |
高温低尘 |
中温中尘 |
|
还原剂 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
|
反应温度/℃ |
280-350 |
280-350 |
280-350 |
180-260 |
|
脱硝效率 |
～90% |
～90% |
～90% |
～85% |
|
预除尘 |
/ |
电除尘 |
金属滤袋 |
/ |
|
SCR入口粉尘浓度g/Nm³ |
80-100 |
≤60 |
≤0.03 |
≤60 |
|
催化剂对烟气中SO2要求 |
/ |
/ |
/ |
≤50 |
|
系统压降/Pa |
～800 |
～1200 |
～1200 |
～800 |
|
余热利用温度损失℃ |
8 |
17 |
17 |
/ |
|
脱硝效率 |
高 |
高 |
高 |
偏低 |
|
占地面积 |
小 |
大 |
大 |
小 |
|
建设费用 |
中等 |
高 |
高 |
高 |
|
运行费用 |
中等 |
高 |
高 |
高 |
|
系统可靠性 |
高 |
较高 |
较高 |
高 |
3、水泥工业NOx超低排放工艺选择原则
由于水泥窑的在垃圾、固废、危废处理方面具有明显的优势，因此目前水泥窑协同处理垃圾、固废、危废等情况越来越普遍，进而导致废气成分较传统水泥生产线有很大的区别。根据水泥生产线协同处理物质种类的不同，尾气成分也不同，据调查废气中成分主要增加有酸性气体（如二氧化硫、氯化氢等）、挥发性有机物、重金属、氟化物等，这些成分的存在会导致高温金属滤袋的堵塞、高温电收尘器极板的腐蚀和脱硝催化剂的腐蚀、中毒，进而影响后续脱硝设施运行的稳定性、安全性，并导致维护成本及运行成本的大幅提升，因此在选择工艺时必须根据各自企业尾气成分、运行工况等因素针对性的做出选择，以避免造成生产成本的增加或投资失败。
目前控制水泥窑炉NO
x排放的方法很多，各种脱硝工艺的工程投资、脱硝效率和适用条件也各不相同，选择何种脱硝工艺一般可根据以下几个方面综合考虑：
(1) NO
X排放浓度及氨逃逸必须满足国家和当地政府环保要求；(2) 脱硝设施必须适用于工程已确定的运行条件，并确保对生产运行影响最小；(3) 明确废气组分，选择合适的催化剂，并根据催化剂特性选择合适的工艺组合。(4) 脱硝工艺要做到技术成熟、设备运行可靠，并有较多成功的运行业绩；(5) 根据工程的实际情况尽量减少脱硝装置的建设投资；(6) 脱硝装置应布置合理，因地制宜；(7) 烟气脱硝技术先进，还原剂、水和能源等消耗少，尽量减少运行费用。
4、目前国内外水泥工业SCR工艺应用情况
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项目 |
高温高尘 |
高温中尘 |
高温低尘 |
中温中尘 |
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应用企业 |
海螺水泥、台泥、金隅冀东等 |
宏昌、金峰、曲寨等 |
华润等 |
山水、亚东、中建材。 |
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应用数量 |
~100条 |
~20条 |
~5条 |
~50条 |
以上数据为截止2022年12月，从目前应用案例来看，水泥NOx超低排放采用高温高尘SCR路线最为普片，但其他工艺路线也有稳定运行的案例。
高温高尘工艺：由于占地面积小，投资相对低的特点，对水泥生产线影响小，是目前市场上选择最多的工艺，但是由于水泥废气粉尘含量高，脱硝反应器设计时要解决好催化剂堵塞问题，不过粉尘会对催化剂有一定磨损，在一定程度上影响催化剂的物理寿命。
高温中尘工艺：具有催化剂选择面广，高温催化剂技术成熟，催化剂使用寿命相对较长等特点，目前也有较多的应用案例。但此种工艺未完全解决催化剂磨损问题，同时高温电除尘器的成本相对较高，系统阻力较大，运行能耗较高。
高温低尘工艺：由于脱硝段不需要考虑粉尘的影响，类似于火电厂锅炉的高温脱硝，单从脱硝角度说是最成熟的也是应用最广的脱硝方式，只是高温金属滤袋除尘器投资较高，系统阻力大，除尘段出现问题一般需要停机维护，更换金属滤袋费用很高，因此高温低尘应用案例相对较少。
中温中尘工艺：规避了高温除尘，将脱硝反应器布置于余热发电之后，但中低温脱硝催化剂选择面较窄，费用较高，催化剂不耐硫，同时针对使用矿渣、生活垃圾等水泥生产企业由于烟气中硫、氯、氟等酸性气体和腐蚀性气体会导致催化剂中毒、腐蚀，需要配置热解析系统，增加了系统运行成本、降低了系统稳定性。综上，从目前水泥工业SCR技术应用案例数量和运行稳定性来看，高温高尘技术路线相对成熟，系统温降小，运行阻力低，对生产线影响小，经济性好，投资相对较低的特点，企业可以优先考虑。
5、结语
2023年6月生态环境部公开发布《关于推进实施水泥工业超低排放的意见（征求意见稿）》，明确水泥超低排放指标为：颗粒物10mg/Nm³,二氧化硫mg/Nm³，氮氧化物50mg/Nm³，为水泥生产线超低排放指明了方向，也给水泥厂带来新的压力和挑战，为确保企业能在激烈的市场竞争中能够生存和发展，根据生产线实际情况选择合适于自身的工艺路线和设备选型是企业长远发展的必由之路。环保是在“安全”的前提下，解决“达标”的问题；环保是在“达标”的前提下，解决“成本”的问题；环保不是单一的技术问题，更是成本问题；成本问题，不仅是投资的问题，更是综合运行成本的问题。
