早期水泥工業廢氣排放行業標準中對污染物排放限值較為寬松，經1996年、2004年兩次修訂，顆粒物(PM)、SO
2、NOx排放限值分別為50 mg/m³、200 mg/m³、800mg/m³，該限值一直持續到2012年。由于水泥熟料燒成過程的固硫作用使得SO
2排放質量濃度低于200mg/m³，新型干法生產工藝基本可使NOx排放質量濃度低于800mg/m³，運行穩定的大型生產線甚至可達500mg/m³以下;僅有PM 排放質量濃度高達20～60g/m³，是排放限值的400～1200倍，是水泥廠早期重點污染物，此階段通常配套電除塵器可達標排放，不需配套脫硫及脫硝設施。
2010年開始，全國水泥工業啟動廢氣脫硝改造，主流技術是選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術，可實現NOx排放質量濃度低于400mg/m³，一般可控制到320mg/m³以下，美國環境保護署(USEPA)報道[1]最佳可達到200mg/m³以下。該技術支撐《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB 4915—2013)發布。
我國水泥工業生產線多、單條生產線排煙量大，然而大氣污染物排放標準遠比燃煤電廠寬松，而排放總量超過了火電、鋼鐵行業，已成為第一大排放源和非電行業的管控重點。繼燃煤電廠全面完成、鋼鐵行業全面推進超低排放改造后，全國各地開始推動非電行業超低排改造，政策開始引導水泥工業向超低排放發展。本研究主要對現有標準和治理技術進行系統分析，有利于水泥工業超低排放政策發展和技術進步。
1、現行水泥工業NOx排放國家標準及部分地方標準
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序號 |
標準名稱 |
標準號 |
頒布時間 |
執行時間 |
NOx排放限值（mg/m³） |
氨逃逸排放限值（mg/m³） |
備注 |
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1 |
水泥工業大氣污染物排放標準 |
GB 4915-2013 |
13年12月27日 |
14年3月1日 |
400 |
10 |
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320 |
8 |
重點區域 |
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2 |
關于推進實施水泥工業超低排放的意見（征求意見稿） |
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（23年6月） |
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50 |
8 |
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3 |
水泥工業大氣污染物超低排放標準 |
T/CCAS 022-2022 |
22年4月20日 |
22年7月20日 |
100 |
8 |
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4 |
四川省水泥工業大氣污染物排放標準 |
DB51 2864 -2021 |
21年12月8日 |
22年7月1日 |
150 |
8 |
攀枝花市、阿壩、甘孜、涼山 州 |
|
100 |
8 |
其他城市 |
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5 |
重慶市水泥工業大氣污染物排放標準 |
（DB 50/656-2016） |
16年1月26日 |
16年2月1日 |
250 |
8 |
主城區 |
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350 |
10 |
其他區域 |
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6 |
重慶市水泥工業大氣污染物排放標準 |
征求意見稿 |
22年9月30 日征求 |
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100 |
8 |
控制區 |
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150 |
8 |
其他區 |
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7 |
北京市水泥工業大氣污染物排放標準 |
(DB11/ 1054-2013) |
13年12月26日 |
14年1月1日 |
200 |
5 |
Ⅱ時段(2016年1月1日起執行) |
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8 |
河北省水泥工業大氣污染物超低排放標準 |
DB 13/ 2167—2020 |
20年 03月13日 |
20年05月01 日 |
100 |
8 |
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9 |
《山東省水泥行業超低排放改造實施方案》 |
魯環發〔2022〕8號 |
22年6月20日 |
23年9月底前 |
50 |
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黃河流域各市 |
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23年年底前 |
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全省全面完成水泥行業超低排放改造 |
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10 |
關于印發《山西省水泥行業超低排放改造實施方案》的通知 |
晉環發〔2021〕16號 |
21年4月25日 |
21年底 |
50 |
5 |
大同朔州兩市 |
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22年底 |
11個城市規劃區和太原及周邊“1+30”縣 |
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24年底 |
全省 |
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11 |
廣東省《關于進一步加強固定源和移動源氮氧化物減排工作的通知》 |
2022-04-07征求意見 |
22年5月 |
鼓勵25年前實現 |
50 |
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12 |
《寧夏回族自治區水泥行業煙氣超低排放改造實施方案》 |
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22年6月 |
22年底前 |
100 |
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完成寧夏14家水泥企業共22條生產線煙氣超低排放改造。 |
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13 |
《吉林省水泥行業超低排放改造實施方案（征求意見稿）》 |
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23年底前 |
100 |
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25 年底前 |
50 |
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14 |
《浙江省水泥行業超低排放改造實施方案》 |
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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 |
《河南省水泥行業超低排放改造實施方案（征求意見稿）》 |
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21年6月 |
20年底前 |
100 |
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2、現有水泥NOx超低排放技術介紹
隨著科學技術的不斷發展以及水泥窯煙氣NOx排放標準的不斷收嚴，水泥窯煙氣脫硝歷經SNCR技術、低氮燃燒器技術、分解爐分級燃燒技術等，它們建設費用低，性能良好，因此受到廣泛應用，目前國內水泥生產線均已采用以上幾種或一種技術，NOx得到有效控制。但從實際情況來看，這些技術自身雖然具備不同的優勢，但也受到技術本身的限制，在排放標準進一步收嚴后難以保證NOx超低排放（≤50mg/Nm³）的同時滿足氨逃逸≤5mg/Nm³的標準。根據相關資料調研，國外早在2006年意大利Moncelice水泥廠采用SCR工藝進行脫硝，粉塵在100g/Nm³左右，煙氣溫度330℃，屬于高溫高塵SCR工藝，NOx從初始1200mg/Nm³降至400mg/Nm³，氨逃逸小于5mg/Nm³；2010年德國Mergelstetten水泥廠、2013年美國Joppa水泥廠、2017年德國WOTAN-Zement先后采用高溫高塵SCR工藝進行脫硝治理；2012年奧地利Mannersdorf水泥廠采用高溫中塵SCR工藝，入口粉塵約20g/Nm³左右；國外水泥窯相關SCR脫硝工藝絕大多數采用了高溫催化劑，已經過長期運行的考驗。在我國SCR脫硝技術在電力、鋼鐵、化工等行業已成功運行多年，是實現NOx超低排放的最主要技術。目前水泥窯SCR技術根據適應溫度和顆粒物含量主要分為高溫高塵、高溫中塵、高溫低塵、中溫中塵這4種工藝路徑，均有能穩定運行的工程案例，具體工藝技術指標對比見下表：
水泥窯的各種SCR工藝技術指標對比表
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項目/路徑 |
高溫高塵 |
高溫中塵 |
高溫低塵 |
中溫中塵 |
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還原劑 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
氨水或尿素 |
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反應溫度/℃ |
280-350 |
280-350 |
280-350 |
180-260 |
|
脫硝效率 |
～90% |
～90% |
～90% |
～85% |
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預除塵 |
/ |
電除塵 |
金屬濾袋 |
/ |
|
SCR入口粉塵濃度g/Nm³ |
80-100 |
≤60 |
≤0.03 |
≤60 |
|
催化劑對煙氣中SO2要求 |
/ |
/ |
/ |
≤50 |
|
系統壓降/Pa |
～800 |
～1200 |
～1200 |
～800 |
|
余熱利用溫度損失℃ |
8 |
17 |
17 |
/ |
|
脫硝效率 |
高 |
高 |
高 |
偏低 |
|
占地面積 |
小 |
大 |
大 |
小 |
|
建設費用 |
中等 |
高 |
高 |
高 |
|
運行費用 |
中等 |
高 |
高 |
高 |
|
系統可靠性 |
高 |
較高 |
較高 |
高 |
3、水泥工業NOx超低排放工藝選擇原則
由于水泥窯的在垃圾、固廢、危廢處理方面具有明顯的優勢，因此目前水泥窯協同處理垃圾、固廢、危廢等情況越來越普遍，進而導致廢氣成分較傳統水泥生產線有很大的區別。根據水泥生產線協同處理物質種類的不同，尾氣成分也不同，據調查廢氣中成分主要增加有酸性氣體（如二氧化硫、氯化氫等）、揮發性有機物、重金屬、氟化物等，這些成分的存在會導致高溫金屬濾袋的堵塞、高溫電收塵器極板的腐蝕和脫硝催化劑的腐蝕、中毒，進而影響后續脫硝設施運行的穩定性、安全性，并導致維護成本及運行成本的大幅提升，因此在選擇工藝時必須根據各自企業尾氣成分、運行工況等因素針對性的做出選擇，以避免造成生產成本的增加或投資失敗。
目前控制水泥窯爐NO
x排放的方法很多，各種脫硝工藝的工程投資、脫硝效率和適用條件也各不相同，選擇何種脫硝工藝一般可根據以下幾個方面綜合考慮：
(1) NO
X排放濃度及氨逃逸必須滿足國家和當地政府環保要求；(2) 脫硝設施必須適用于工程已確定的運行條件，并確保對生產運行影響最小；(3) 明確廢氣組分，選擇合適的催化劑，并根據催化劑特性選擇合適的工藝組合。(4) 脫硝工藝要做到技術成熟、設備運行可靠，并有較多成功的運行業績；(5) 根據工程的實際情況盡量減少脫硝裝置的建設投資；(6) 脫硝裝置應布置合理，因地制宜；(7) 煙氣脫硝技術先進，還原劑、水和能源等消耗少，盡量減少運行費用。
4、目前國內外水泥工業SCR工藝應用情況
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項目 |
高溫高塵 |
高溫中塵 |
高溫低塵 |
中溫中塵 |
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應用企業 |
海螺水泥、臺泥、金隅冀東等 |
宏昌、金峰、曲寨等 |
華潤等 |
山水、亞東、中建材。 |
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應用數量 |
~100條 |
~20條 |
~5條 |
~50條 |
以上數據為截止2022年12月，從目前應用案例來看，水泥NOx超低排放采用高溫高塵SCR路線最為普片，但其他工藝路線也有穩定運行的案例。
高溫高塵工藝：由于占地面積小，投資相對低的特點，對水泥生產線影響小，是目前市場上選擇最多的工藝，但是由于水泥廢氣粉塵含量高，脫硝反應器設計時要解決好催化劑堵塞問題，不過粉塵會對催化劑有一定磨損，在一定程度上影響催化劑的物理壽命。
高溫中塵工藝：具有催化劑選擇面廣，高溫催化劑技術成熟，催化劑使用壽命相對較長等特點，目前也有較多的應用案例。但此種工藝未完全解決催化劑磨損問題，同時高溫電除塵器的成本相對較高，系統阻力較大，運行能耗較高。
高溫低塵工藝：由于脫硝段不需要考慮粉塵的影響，類似于火電廠鍋爐的高溫脫硝，單從脫硝角度說是最成熟的也是應用最廣的脫硝方式，只是高溫金屬濾袋除塵器投資較高，系統阻力大，除塵段出現問題一般需要停機維護，更換金屬濾袋費用很高，因此高溫低塵應用案例相對較少。
中溫中塵工藝：規避了高溫除塵，將脫硝反應器布置于余熱發電之后，但中低溫脫硝催化劑選擇面較窄，費用較高，催化劑不耐硫，同時針對使用礦渣、生活垃圾等水泥生產企業由于煙氣中硫、氯、氟等酸性氣體和腐蝕性氣體會導致催化劑中毒、腐蝕，需要配置熱解析系統，增加了系統運行成本、降低了系統穩定性。綜上，從目前水泥工業SCR技術應用案例數量和運行穩定性來看，高溫高塵技術路線相對成熟，系統溫降小，運行阻力低，對生產線影響小，經濟性好，投資相對較低的特點，企業可以優先考慮。
5、結語
2023年6月生態環境部公開發布《關于推進實施水泥工業超低排放的意見（征求意見稿）》，明確水泥超低排放指標為：顆粒物10mg/Nm³,二氧化硫mg/Nm³，氮氧化物50mg/Nm³，為水泥生產線超低排放指明了方向，也給水泥廠帶來新的壓力和挑戰，為確保企業能在激烈的市場競爭中能夠生存和發展，根據生產線實際情況選擇合適于自身的工藝路線和設備選型是企業長遠發展的必由之路。環保是在“安全”的前提下，解決“達標”的問題；環保是在“達標”的前提下，解決“成本”的問題；環保不是單一的技術問題，更是成本問題；成本問題，不僅是投資的問題，更是綜合運行成本的問題。
