水泥是國家社會經濟建設重要的基礎原材料，我國現有水泥生產線約1650余條，2020年水泥和水泥熟料產量分別達到23.8億噸和15.5億噸。隨著“新基建”、“內循環”的逐步開展，水泥工業也面臨著新的發展機遇。然而水泥工業又是典型的高NOx排放行業，按污染源普查NOx排放系數為1.65 kg/t熟料計算，2020年我國水泥工業窯爐NOx排放量約為256萬噸，占全社會NOx排放總量的15%，也是繼煤電和交通運輸行業之后的第三大排放源。
NOx是一種嚴重的大氣污染物。其包含多種化合物，如一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)等，統稱為氮氧化物。氮氧化物是形成光化學煙霧和酸雨的一個重要原因。光化學煙霧是有毒煙霧，具有特殊刺激氣味，可傷害人體視覺器官，妨礙植物生長，使大氣能見度下降。酸雨會導致土壤酸化，使農作物大幅度減產，酸雨還會使水泥混凝土建筑結構加快老化，導致建筑結構強度下降、表面溶解，發生“黑殼”效應。更為嚴重的是氮氧化物會傷害人體肺部器官，導致肺部組織病變，危害人們的身體健康。
保護生態環境是我國的一項基本國策，國家《大氣污染防治行動計劃》提出“加快脫硫、脫硝等方面的技術研發”，《工業窯爐大氣污染綜合治理方案》提出“完善工業爐窯大氣污染綜合治理管理體系，推進工業爐窯全面達標排放，實現工業行業二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物進一步下降”。為此，以火電廠為主體的煤電行業通過采用催化還原技術(SCR)，已基本實現了全行業的超低排放，即排放煙氣中顆粒物、SO2和NOx濃度分別低于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3和50 mg/Nm3；鋼鐵行業到2025年底也力爭80%以上產能完成超低排放改造。
目前地方大氣污染物防治相關文件中，關于水泥窯大氣污染物排放的指導值，河北、河南、四川、山西等省，已明確提出氮氧化物排放標準要達到超低排放水平，即NOx排放數值不高于50mg/Nm3。盡管在水泥工藝方面進行了諸多如低氮燃燒器、分級燃燒技術、選擇性非催化還原技術(SNCR)等技術改造來降低氮氧化物的排放，但目前在不考慮氨逃逸的情況下，通過過量噴氨，可把氮氧化物排放值降低到100mg/m3以下，甚至達到70mg/m3，但是要想達到低于50mg/m3就比較困難，因此目前加裝SCR脫硝系統是水泥廠氮氧化物達到超低排放的一個重要的選項。
1 水泥窯SCR脫硝技術發展過程
SCR脫硝技術由美國Eegelharol公司提出，并于1959年申請發明專利。20世紀70年代日本率先將SCR脫硝技術用于電廠燃煤鍋爐的煙氣脫硝。我國在20世紀90年代開始引進這一技術，并于2006年建立了具有自主知識產權的電廠燃煤鍋爐SCR脫硝工程，目前已在煤電行業全面推廣采用了SCR脫硝技術，為煤電行業實現超低排放奠定了基礎。
SCR脫硝技術最早由德國Solnhofen公司于2000年用于水泥窯爐煙氣脫硝，并已在歐美水泥工業得到廣泛應用。我國于2018年開始引進學習國際先進技術，目前已有數十家水泥生產企業采用了SCR脫硝技術。
水泥窯爐煙氣從預熱器系統排出時，溫度約為320 ℃，含塵濃度約為120 g/m3，煙氣經過余熱鍋爐進行余熱回收發電，排出時溫度降為160~220 ℃，含塵濃度約為55 g/m3；煙氣再通過生料粉磨系統，進行物料烘干，最終經袋式收塵器除塵后排放，排出時溫度為80~120 ℃，含塵濃度小于10 mg/m3。針對水泥窯爐煙氣排放過程，SCR脫硝工藝也可分為“高溫布置”、“中溫布置”和“低溫布置”三種形式。即分別位于預熱器系統后、余熱鍋爐后和袋式收塵器后。
2.1 高溫路線
高溫高塵路線是把脫硝反應塔安裝在預熱器C1煙氣出口與余熱鍋爐之間的位置，窯尾煙氣直接通過脫硝反應塔。優點是窯尾C1出口煙氣溫度達290~320℃，在電廠SCR脫硝催化劑適用溫度區間內，因此可基本套用電廠SCR脫硝催化劑的成分及加工工藝。但是對于一條5000t/d熟料生產線，窯尾煙氣量大約400000Nm3/h，含塵量大約為24~32t/h，這么多的粉塵均需通過脫硝塔和催化劑，使得催化劑容易堵塞，所以為此技術路線設置可靠的吹灰、清灰系統至關重要。因為煙氣流程中一旦堵塞，就會影響窯通風，進而對窯的運行產生較大影響。
因此，為了減輕粉塵濃度過高的不利影響，規避或減少對窯可能造成的影響，高溫中塵、高溫低塵技術路線誕生了。高溫中塵技術路線是在脫硝塔前加裝電收塵器，先對煙氣粉塵進行預收集，盡量減少通過催化劑的灰塵總量，將減少催化劑堵塞和對窯通風的影響。
由于電收塵器在高溫狀態收塵效果有待提高，因此一些廠家開發了耐高溫袋收塵器、電袋復合收塵器或特殊材質收塵器，力爭提高收塵效果，把通過催化劑的粉塵濃度降到最低，這就是從高溫中塵技術路線向高溫低塵技術路線的提升。
但是因為高溫路線安裝在余熱鍋爐前，煙風管道、收塵器均會有一定的散熱，帶來一定的煙氣溫度的損失，降低了余熱鍋爐的進口煙氣溫度，從而降低了窯尾余熱鍋爐的產汽量而影響余熱發電量。另外高溫中塵和高溫低塵技術路線把一部分帶有高品質熱量的高溫粉塵收集走，減少了進入余熱鍋爐的總熱量，也會帶來余熱鍋爐產汽量的減少，從而降低余熱發電量，這些影響是不可逆的。高溫路線也給高溫風機的能力帶來了挑戰，一般情況，均需對高溫風機進行提效改造或者更換電動機甚至整機更換。
高溫SCR脫硝塔由于布置在余熱鍋爐之前，SCR脫硝塔的煙風接口需要布置余熱鍋爐進口煙道之前，接口位置高度較高，煙風管道的長度較長以及煙風阻力較大，造成系統電耗偏高。但是高溫路線也有優點，由于煙氣溫度高，催化劑供應廠家較多，技術比較成熟，高溫催化劑的單價較低，并且高溫高塵和高溫中塵路線中，煙氣中剩余的粉塵具有吸附性，雖然增加了吹灰系統的壓力，但是能夠減緩硫酸氫銨的影響。
圖1 水泥窯窯尾廢氣高溫高塵SCR脫硝系統工藝流程
2.2 中溫路線
中溫路線是把脫硝反應塔安裝在余熱鍋爐后面。和高溫路線相比，水泥廠窯尾余熱鍋爐后面區域一般場地情況良好，脫硝反應塔無論是布置在高溫風機前還是高溫風機后，都可能找到比高溫路線更舒適的布置位置，脫硝反應塔進、出口煙風管道的長度也大大減少，煙氣阻力降低、流程更加順暢。而且當脫硝反應塔布置在高溫風機后時，中溫脫硝對水泥窯操作運行的影響將會更小。
中溫路線之所以滯后于高溫路線出現，是因為中溫路線工作溫度在180~220℃之間，由于不能直接借鑒電力行業的高溫催化劑，因此需要開發適用于水泥行業中溫區間的催化劑，以及改變催化劑加工工藝使得催化劑容易成型并具有一定強度。目前國內已有制造商成功研發、生產出此適用溫度的中溫催化劑。
對于中溫中塵技術路線，窯尾C1出口煙氣經余熱鍋爐后，大約有40%以上的粉塵會被余熱鍋爐灰斗收集下來，因此進入脫硝反應塔的粉塵總量大幅降低，這大大減輕了粉塵對催化劑的影響，同時未影響余熱鍋爐產汽量。由于中溫中塵技術路線的煙氣中仍然有一些粉塵，這些粉塵可以吸附一部分硫酸氫銨，從而可以降低硫酸氫銨對催化劑的影響。
中溫低塵技術路線就是在脫硝塔前安裝普通袋收塵器，煙氣中的粉塵經余熱鍋爐及袋收塵器收塵后，可以降低到30~50mg/Nm3，這可以大大改善脫硝催化劑的運行工況，減輕粉塵造成的催化劑的堵塞。同時由于對袋收塵器的耐溫性、除塵效率要求不高，袋收塵器成本低。這種方案的缺點是由于增加了收塵器后，脫硝系統阻力增加顯著，造成系統電耗偏高；同時粉塵對硫酸氫銨的吸附作用減小，硫酸氫銨對脫硝系統的影響就凸顯出來了。
圖2 水泥窯窯尾廢氣中溫中塵SCR脫硝系統工藝流程
2.3 低溫路線
低溫低塵技術路線是把脫硝塔放置在窯尾大收塵器之后、窯尾煙囪之前，此技術方案的優點是對窯的煅燒、余熱發電運行、窯尾生料粉磨的影響都降到了最低。缺點是目前低溫催化劑的活性較差，并且催化劑燒制時成型困難，目前僅有進行中試的相關報道。
高溫高塵系統誕生最早，因此目前應用數量最多，中溫中塵技術路線正逐漸被大家認可，這兩種路線的煙氣流程分別見圖1和圖2。
由于是在水泥窯窯尾煙氣流程中加裝SCR脫硝系統，因此SCR建設后，會對水泥窯通風、余熱鍋爐運行、增濕塔的運行、生料磨運行造成影響，同時也摻雜著可能對硫對NOx排放帶來影響的因素，因此，從對水泥線運行影響降低到最小來看，低溫低塵SCR技術具有較好的發展前景。但研究表明：在有催化劑作用的條件下，SO2會在300 ℃以上的溫度窗口氧化成SO3，同時形成硫酸銨鹽，在煙氣溫度低于150 ℃條件下，冷凝吸附到催化劑材料表面，引起催化劑硫氨中毒失活，因此解決硫酸氫銨的問題是水泥窯窯尾SCR脫硝低溫低塵技術路線的關鍵點之一。
