摘要：氮氧化物是大气污染的主要因子之一,也是产生PM2.5的诱因之一。NOX主要来源于分解炉内燃料型NOx和回转窑内NOx。通过研究南京市某水泥企业SNCR工程实际运用情况,了解该企业脱硝效果,同时根据NOx排污费征收政策,分析NOx排放浓度与生产成本的关系,为政府控制水泥企业NOx排放工作提出建议。
1引言
氮氧化物(NOx)作为大气污染物的重要因子之一，不仅是光化学烟雾的重要诱因，也是形成酸雨的主要物质。根据我国2013年至2016年环境统计公报的数据显示，近年来全国废气中氮氧化物排放量约2000万吨，工业氮氧化物排放量约占排放总量的70%。其中水泥行业氮氧化物排放总量仅次于火电行业位居第二位。水泥行业脱硝治理的好坏决定了氮氧化物排放总量是否能够得到有效控制。本文通过对南京某水泥企业SNCR脱硝技术实际运用的分析，了解企业脱硝工作运行成本，为脱硝工作提出建议。
2脱硝技术种类
水泥脱硝技术主要分为两大类：一是燃烧过程中的脱硝技术;另一个是燃烧后烟气脱硝技术。燃烧过程中的脱硝技术主要包括低氮燃烧、分级燃烧。燃烧后脱硝技术主要包括选择性非催化还原技术(SNCR)、选择性催化还原技术(SCR)。
2.1分级燃烧技术
分级燃烧包括空气分级燃烧和燃料分级燃烧。空气分级燃烧是指将燃烧需要的空气分两次送人，第一次通人空气使得燃料在缺氧的情况下燃烧，第二次送人的空气使得燃料在空气过剩区域燃尽。空气分级燃烧过程需要注意的是燃烧器的炉膛内氧含量不能过低，氧含量低于3%时会造成CO和飞灰的急剧增加。燃料分级燃烧是指将燃料煤分成两部分送入燃烧器经过三段燃烧区发生反应。根据胡芝娟的研究。发现将燃料在分解炉不同部位送入以及三次风、生料多点多层的送人使得脱硝效率得到更好的提高。
2.2选择性非催化还原技术(SNCR)
选择性非催化还原技术(SNCR)是指在不需要催化剂的情况下，向分解炉内喷入还原剂，使得炉内NO还原成N的技术。经调查，我国在燃烧后烟气脱硝技术中均使用的SNCR，还原剂为尿素或氨水，其中大部分使用氨水。其主要的反应公式为：
4NH3+4NO+02N2+6H2O(1)
2NH3+NO+NO2N2+3H2O(2)
4NH3+6NO--~5N2+6H20(3)
8NH3+6NO2_7N2+12H20(4)
当温度到达1200℃以上时，NH。的催化作用减弱，此时NH，会被氧化生成NO，其反应公式为：
4NH3+502—4NO+6H20(5)
研究表明，SNCR技术的脱硝效率跟分解炉炉型、分解炉温度、氧含量、NH/NO(即NSR)摩尔比、喷射方式等有关。
2.3选择性催化还原技术(SCR)
选择性催化还原技术(SCR)国内尚未有水泥厂使用，欧洲已有企业使用该项技术。其原理是将水泥窑炉烟气在一定温度下加入还原剂，通过催化剂催化反应，进一步降低NOx浓度。SCR技术的理论脱硝效率可达到80%，使用的还原剂主要有氨水、尿素。
3某水泥企业SNCR技术运用
分解炉内煤粉处于低氧环境无焰燃烧，同时还伴随着生料的分解过程。炉内温度在850℃至950℃之间，在此燃烧氛围下NO的产生主要为燃料型NOx，占80%以上，其中反应包括挥发分中的N氧化成NO和煤焦中的N氧化成NOx。该水泥企业生产线脱硝工程于2013年12月底改造完成，采用的是SNCR脱硝技术，在分解炉中设置喷枪，将氨水喷人炉内降低NOx的生成。
3.1煤粉和生料的分析
通过表1～3对煤粉工业分析，发现其使用的是烟煤，挥发分含量较高。查阅该企业生产记录，在连续三天正常生产情况下，煤粉使用量在30t/h左右，其中分解炉中用煤量占总用煤量65%以上。由于回转窑温度高达1800℃左右，基本无燃料型NOx生成。而燃料型NOx是水泥熟料生产过程中NOx排放的主要来源。因此，分解炉内燃料型NOx是NOx排放的主要来源。
3.2不同温度对NO生成的影响
分解炉中温度一般低于1000℃，在850℃至950℃之间。本实验研究基于模拟分解炉中悬浮与喷腾状态实验架台搭建，选取该水泥企业生产过程中煤粉作为原料，在高浓度CO：氛围下，三种不同温度对NO生成的影响。具体实验条件如下：(1)CO2体积分数为20%，流量为0.025L/s;(2)O：体积分数为10%，流量为0.025L/s;(3)N体积分数为7O%，流量0.175L/S;(4)煤粉为所研究水泥企业烟煤。温度是影响NO生成的一个重要因素。图1是该水泥企业烟煤在其他条件恒定，不同温度情况下NO析出特性曲线。通过该图可以看出，随着温度的升高，NO的排放量逐渐增大。随着温度的升高，煤粉中挥发分析出，挥发分中的N在燃烧过程中氧化成NOx，随后煤焦开始燃烧，煤焦中的N氧化成NO。NO的生成速率随着温度的升高而加快。
3.3SNCR脱硝技术实际运用
SNCR系统主要包括卸载模块、氨水输送模块、计量分配模块、喷射模块和PLC控制系统等部分组成。该水泥企业生产过程中使用的氨水全部外购，外购质量浓度为20%。氨水通过槽罐车经卸载模块进入氨水储存罐，氨水输送模块将氨水输送到计量分配模块，氨水经计量后进人喷射模块，喷人在分解炉内。整个系统运行通过PLC控制系统控制。
通过南京市污染源自动监控系统发现(图2、3)，2015年9月和2016年4月该水泥企业窑尾废气日均NOx浓度在4OOmg/m以下。经过SNCR脱硝工程改造后，能满足《水泥工业大气污染物排放标准》的要求。
延伸阅读：
4SNCR脱硝技术成本分析
4.1成本种类
该水泥公司SNCR脱硝工程成本主要分为建设成本和运行成本。工程建设投入约500万元，属于一次性支出成本，后期无新增费用。运行成本主要包括氨水以及水电的使用。其中氨水的使用成本占运行成本95%。通过调节氨水的使用量，降低NO的排放量，减少排污费的缴纳，可以对企业生产成本产生较大影响，因此本文中主要讨论氨水和排污费对生产成本的影响。
4.2排污费征收情况
排污费征收制度目的是促使企事业排污单位加强治理的意识从而能够达到保护环境的目的。国内外学者对排污费制度建立和缴纳进行了研究。2014年以来，国家、江苏省和南京市密集出台了多项规定来规范排污费征收规定，南京市大气污染物收费规范逐步细化，单价逐年增加(见表4)。
《水泥工业大气污染物排放标准》中规定，现有水泥企业于2015年7月1日开始执行新标准，即NOx排放浓度从800mg/m3降为400mg/m3。同时《南京市调整排污费征收标准实施细则》中提出排污费差别化收费。即NO排放浓度低于排放标准50%的按收费标准50%收取排污费;排放浓度在标准50%～80%之间(含80%)，按收费标准的80%收取排污费，从而鼓励水泥企业降低NOx排放浓度。本文通过对比《水泥工业大气污染物排放标准》执行前后，即2015年4月份和8月份该水泥企业的生产及排污费缴纳情况来分析运行成本。
通过对比两个月排污费缴纳情况(见表5)，发现由于新老排放标准的不同，NOx排污费缴纳金额相差近一倍。调阅该公司生产数据(见表6)发现，4月份吨熟料氮氧化物排污费成本为1.65元，8月份成本为2.47元。
吨熟料氮氧化物排污费成本上升原因主要为：(1)新废气排放标准的实施，降低了企业差别化收费减免的额度;(2)生产工况的不同导致废气排放量不同，加快废气排放流速可有效减少NOx排放浓度，但NO排放总量却会增加，导致排污费增加。
4.3氨水使用成本分析
该水泥企业SNCR脱硝工程采用的是20%氨水作为还原剂。经调研周边市场，20%氨水价格为550元/t。对比分析2015年4月份和8月份氨水使用情况(见表7)，发现2015年4月吨熟料氨水成本为2.46元/t，8月份吨熟料氨水成本为2.31元/t。
分析发现不同NOx排放浓度下虽然吨熟料氨水使用量差别不大。氨水的使用量主要与窑内燃料型NOx反应情况有关，空气流速加快降低了氨水的使用量，但排污费成本大幅增加，使得总生产成本增加，同时流速加快提高了生产过程中的热损耗，进～步提高了企业的生产成本。
4.4优化方案
4.4.1排污费标准
2017年1月开始，南京市将执行更严格的排污费标准，NOx排污费单价上升至9元/kg。同时，我国于2018年1月1日将排污费改为环境保护税，NOx排放浓度低于排放标准50%的按收费标准50%收取排污费;排放浓度在标准50%一70%之间(含70%)，按收费标准的75%收取排污费。
4.4.2水泥企业脱硝成本分析
该水泥企业分解炉内设有5套氨水喷枪，为了研究氨水喷入量对分解炉内脱硝效率的影响，通过调节分解炉内氨水喷射速率，将20%的氨水喷入，脱硝情况如图4所示。
如图4所示，在氨水喷人量达到0.7t/h时，NOx排放浓度达到国家标准;在氨水喷人量达到0.9t/h以上，NOx排放浓度低于320mg/m3，即排污费可以减免20%;根据趋势图，NOx排放浓度低于200mg/m3预计需要达到2t/h，即排污费可以减免50%。
调阅2017年1月该水泥企业生产情况，发现共生产25d，生产l4万吨水泥熟料，排放废气2.3亿标立方米。
以2017年1月份生产情况为例，通过图5分析发现，NO排放浓度在320mg/m3和300mg/m3时吨熟料增加成本最低。排放浓度在320mg/m3时，如工况异常易超过此排放限值导致不能减免排污费。因此，在2017年1月起新的排污费征收标准实施后，水泥企业将NO排放浓度控制在300ms/m左右有利于企业成本控制，同时降低了氨水喷射量。
4.4.3环境保护税影响分析
根据环境保护税税目税额表显示，大气污染物每污染当量税额为1.2—12元，即1.26—12.6kg。目前南京市已实施的排污费，未来环保税在此基础上较难降低。因此以2017年1月该公司生产情况为条件，分析税额为9、10、11、12、12.6元/kg，NOx排放浓度为200、250、280、300、400mg/m3时对企业生产成本的影响。
由图6和图7所示，环保税额为9kg和10元/kg时，NOx排放浓度为280mg/m3时，脱硝成本较低，分别为5.94元/t和6.28元/t;当环保税额大于10元/kg时，NOx排放浓度为200mg/m3时，脱硝成本较低，分别为6.52元/t、6.68元/t和6.78元/t。由于企业经济效益最大化和环保减排存在冲突。因此，在环境保护税实施后，南京市可以将税额调至11元/kg，从而促进水泥企业自觉进行进一步脱硝，最大限度降低NOx的排放。
4.4.4优化建议
该水泥企业近三年年生产熟料约170万吨。经查阅资料，2016年1月至今，水泥熟料价格在77～110t之间。根据上述分析，环保税额从9kg提升至11元/kg，虽然能够最大限度降低NOx排放，但该公
司熟料增加成本0.58元/t，年增加生产成本近98.6万元。为了提高水泥企业脱硝积极性，可以根据火电行业超低排放的要求，在提高环保税额同时强制要求企业NOx排放低于200mg/m，同时给予电价补贴和提高企业环境评价等级等方式实施。
5结论
(1)分解炉内温度一般在850℃至950℃之间，在此区问随着温度的升高，NOx的排放量逐渐增大。水泥企业通过采取SNCR脱硝技术，NOx排放浓度能满足《水泥工业大气污染物排放标准》的要求;
(2)环境管理过程中，氨水使用成本和排污费成本对水泥熟料成本影响最大。环境税法实施前，该水泥企业通过脱硝将NO排放浓度控制在300mg/m。左右，生产成本降至最低，即吨熟料生产成本为5.94元;
(3)环境税法实施后，将NOx税额提高至l1kg能最大限度促进企业降低NO的排放，即排放浓度达到200mg/m3以下。同时可以通过电价补贴和提高企业环境评价等级等方式提高水泥企业脱硝积极性。
延伸阅读：
原标题：水泥企业SNCR脱硝技术的运用及成本分析
