我國(guó)水泥行業(yè)脫硝設(shè)施投資分析與預(yù)測(cè)

辛 璐 趙云皓 逯元堂 馬春暉 盧 然

(環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化所形成的二次顆粒物約占我國(guó)大氣PM2.5 濃度的一半，而氮氧化物又是PM2.5 中二次硝酸鹽顆粒物的重要來(lái)源，因此大力削減氮氧化物排放總量是確保我國(guó)城市PM2.5 達(dá)標(biāo)的必要條件。然而，《2011年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2011年四項(xiàng)主要污染物中，氮氧化物排放總量不降反增，比上年上升5.73%。水泥工業(yè)氮氧化物排放量占工業(yè)系統(tǒng)總排放量10%，是居火力發(fā)電和汽車尾氣排放之后的氮氧化物排放的第三大源，是“十二五”氮氧化物減排的重要領(lǐng)域之一?！秶?guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》中明確提出“十二五”氮氧化物減排10%的約束性要求，《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》提出，到2015年，水泥行業(yè)氮氧化物排放量在2010年的基礎(chǔ)上削減12%。通過(guò)分析水泥行業(yè)氮氧化物排放與控制現(xiàn)狀，本研究提出“十二五”期間水泥行業(yè)脫硝設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行任務(wù)及投資需求，對(duì)明確投資方向與重點(diǎn)，促進(jìn)水泥行業(yè)氮氧化物減排，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水泥行業(yè)氮氧化物排放與控制現(xiàn)狀

1.1 水泥行業(yè)氮氧化物排放量不降反增

“十一五”期間，我國(guó)水泥工業(yè)迅猛發(fā)展，熟料產(chǎn)量由2006年的7.6 億噸增加到2010年的11.5 億噸，年均增長(zhǎng)率為15%，水泥產(chǎn)量由2006年的12.4 億噸增長(zhǎng)到2010年的18.8 億噸，年均增長(zhǎng)率約12%。隨著水泥產(chǎn)量的持續(xù)增加，氮氧化物排放量持續(xù)上升，由2006年的59.84 億噸，增加到2010年的169.96 億噸，平均增長(zhǎng)率達(dá)到20%。2006-2010年水泥產(chǎn)量與氮氧化物排放量變化情況詳見(jiàn)圖1。根據(jù)《水泥工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》， “十二五”期間，水泥工業(yè)年均增長(zhǎng)3%～4%，2015年國(guó)內(nèi)水泥需求量為22 億噸左右。通常情況下，生產(chǎn)1 噸水泥將消耗0.64 噸熟料，按照1.584 千克氮氧化物/噸. 熟料的產(chǎn)污系數(shù)測(cè)算，水泥行業(yè)2015年氮氧化物的產(chǎn)生量將達(dá)到223 萬(wàn)噸，是2010年排放量的1.31 倍。

圖1 2006-2010年水泥產(chǎn)量與氮氧化物排放量變化情況

1.2 水泥行業(yè)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格

我國(guó)水泥企業(yè)氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)為800mg/Nm3(GB4915－2004)，《水泥廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50259－2008)規(guī)定水泥廠焚燒廢棄物氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)為500mg/Nm3。針對(duì)水泥行業(yè)氮氧化物減排的嚴(yán)峻形勢(shì)，環(huán)境保護(hù)部正在制訂水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見(jiàn)稿)要求現(xiàn)有企業(yè)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)為450mg/Nm3，新建水泥廠氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)為320mg/Nm3，重點(diǎn)地區(qū)企業(yè)全部執(zhí)行320mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，環(huán)境保護(hù)部也在組織制定水泥工業(yè)污染防治技術(shù)政策等一系列指導(dǎo)性技術(shù)文件。

1.3 水泥行業(yè)低氮燃燒+SNCR 脫硝技術(shù)成熟

水泥行業(yè)主要的脫硝工藝技術(shù)有低氮燃燒技術(shù)、選擇性非催化氧化還原脫硝技術(shù)(SNCR)和選擇性催化氧化還原脫硝技術(shù)(SCR)。低氮燃燒技術(shù)在我國(guó)已普遍使用，近幾年新上的新型干法生產(chǎn)線基本上都采用低氮燃燒技術(shù)。SCR 法雖脫硝效率高，但由于水泥企業(yè)廢棄的粉塵濃度高、堿金屬含量較高，易使催化劑中毒和堵塞，一次性成本和運(yùn)行成本均較高，因此SCR 法的成功工程實(shí)例較少，仍處于工程試驗(yàn)階段。相對(duì)于SCR技術(shù)，SNCR 技術(shù)具有一次性投資較低(相當(dāng)于SCR 系統(tǒng)投資的25%～30%)、運(yùn)行成本低(相當(dāng)于SCR 法的40%～50%)、受煙氣流量等因素影響較小的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)外水泥工業(yè)脫硝設(shè)施中應(yīng)用率達(dá)90%以上。目前，低氮燃燒+SNCR 脫硝組合技術(shù)是較為成熟穩(wěn)定的水泥行業(yè)脫硝技術(shù)，在拉法基等水泥企業(yè)已獲得成功應(yīng)用，可逐步推廣應(yīng)用。

1.4 水泥行業(yè)“十二五”期間脫硝任務(wù)明確出臺(tái)

我國(guó)各項(xiàng)規(guī)劃已相繼明確“十二五”期間水泥行業(yè)脫硝設(shè)施建設(shè)任務(wù)。 《國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》指出，“十二五”期間新型干法水泥窯需進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造，新建水泥生產(chǎn)線需安裝效率不低于60%的脫硝設(shè)施?！端喙I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》指出，重點(diǎn)推進(jìn)水泥行業(yè)氮氧化物治理，削減大氣污染物排放總量，對(duì)已建成的日產(chǎn)4000 噸及以上熟料生產(chǎn)線，應(yīng)盡快實(shí)施煙氣脫硝改造。 《水泥行業(yè)準(zhǔn)入條件》(工原［2010］第127 號(hào)文件)提出“對(duì)水泥行業(yè)大氣污染物實(shí)行總量控制，新建或改擴(kuò)建水泥(熟料)生產(chǎn)線項(xiàng)目須配置脫除氮氧化物效率不低于60%的煙氣脫硝裝置”。環(huán)境保護(hù)部與各省簽署的《“十二五”主要污染物減排目標(biāo)責(zé)任書(shū)》明確對(duì)重點(diǎn)減排項(xiàng)目未按目標(biāo)責(zé)任書(shū)落實(shí)的地區(qū)和企業(yè)，環(huán)境將根據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》(國(guó)發(fā)〔2011〕26 號(hào))第(三十七)條的規(guī)定，實(shí)行階段性環(huán)評(píng)限批，即企業(yè)集團(tuán)中某水泥廠未完成減排項(xiàng)目的，整個(gè)企業(yè)集團(tuán)面臨環(huán)評(píng)限批。

2 “十二五”水泥行業(yè)脫硝設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行任務(wù)量分析

2.1 新建水泥生產(chǎn)線配套脫硝設(shè)施建設(shè)任務(wù)量

依據(jù)《水泥工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，2010年水泥產(chǎn)量18.8 億噸，2015年國(guó)內(nèi)水泥需求量為22 億噸左右，五年間將累計(jì)淘汰落后產(chǎn)能2.5 億噸。水泥行業(yè)準(zhǔn)入條件要求新建水泥(熟料)生產(chǎn)線采用新型干法生產(chǎn)工藝，即“十二五”期間新型干法水泥新增產(chǎn)能為5.7億噸。按照生產(chǎn)1 噸水泥將消耗0.64 噸熟料折算，“十二五”期間需要為新建的3.65 億噸水泥熟料生產(chǎn)線配套建設(shè)煙氣脫硝裝置。

2.2 現(xiàn)有日產(chǎn)4000 噸及以上熟料生產(chǎn)線脫硝改造任務(wù)量

依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010年全國(guó)新型干法水泥窯生產(chǎn)線共有1330 條，總規(guī)模達(dá)到393.3 萬(wàn)噸/日，其中，日產(chǎn)4000 噸及以上熟料生產(chǎn)線381 條，總規(guī)模195.8 萬(wàn)噸/日。2010年新型干法水泥窯生產(chǎn)線分布情況詳見(jiàn)表1。相關(guān)政策要求對(duì)現(xiàn)有4000 噸及以上熟料新型干法水泥窯生產(chǎn)線進(jìn)行煙氣脫硝改造。對(duì)環(huán)境保護(hù)部與各省簽訂的“十二五”減排目標(biāo)責(zé)任書(shū)中新型干法水泥窯生產(chǎn)線脫硝改造項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全國(guó)需進(jìn)行脫硝改造的熟料生產(chǎn)線共計(jì)256 條，總規(guī)模為126.8 萬(wàn)噸/日，其中，安徽、河南、廣西和山東脫硝設(shè)施建設(shè)總規(guī)模超過(guò)10萬(wàn)噸/日。各省4000 噸/日新型干法水泥窯生產(chǎn)線與“十二五”脫硝改造任務(wù)分布情況詳見(jiàn)圖2，全國(guó)新型干法水泥窯生產(chǎn)線脫硝改造年度任務(wù)詳見(jiàn)圖3。由此可見(jiàn)，全國(guó)脫硝設(shè)施改造將主要集中在2013年和2014年，年度建設(shè)總規(guī)模分別為65.76 萬(wàn)噸/日和87.06 萬(wàn)噸/日，占到“十二五”總規(guī)模的61%。

表1 2010年新型干法水泥窯生產(chǎn)線分布情況單位:噸/日;條

2.3 “十二五”期間水泥行業(yè)脫硝設(shè)施運(yùn)行任務(wù)量

“十二五”初期，基本沒(méi)有水泥生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)脫硝設(shè)施。依據(jù)本研究結(jié)論，“十二五”期間新建的3.65 億噸水泥熟料生產(chǎn)線將配套建設(shè)煙氣脫硝裝置，即新增產(chǎn)能110.6 萬(wàn)噸/日;另有總規(guī)模126.8 萬(wàn)噸/日的現(xiàn)有新型干法水泥生產(chǎn)線需進(jìn)行脫硝改造(采用目標(biāo)責(zé)任書(shū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，預(yù)計(jì)到“十二五”末期，水泥行業(yè)煙氣脫硝裝置總運(yùn)行規(guī)模約為240 萬(wàn)噸/日。

3 “十二五”水泥行業(yè)脫硝設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行投資預(yù)測(cè)

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，用于4000 噸/日熟料生產(chǎn)線的低氮燃燒器投資約為100 萬(wàn)元，SNCR 脫硝設(shè)施建設(shè)投資約為300 萬(wàn)元/條。4000 噸. 熟料/日新型干法水泥生產(chǎn)線采用低氮燃燒+SNCR 集成技術(shù)脫硝，采用氨水作為還原劑，當(dāng)脫硝效率達(dá)到60%時(shí)，脫硝設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用約為4 元/噸. 熟料?？紤]到“十二五”期間計(jì)劃改造的現(xiàn)有生產(chǎn)線規(guī)模50%以上為4000 噸. 熟料/日，且水泥行業(yè)脫硝設(shè)施投資受生產(chǎn)線規(guī)模影響較小，本研究對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)線低氮燃燒+SNCR 脫硝設(shè)施建設(shè)費(fèi)用取400 萬(wàn)元/條;脫硝設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用取4 元/噸. 熟料。

依據(jù)本研究提出的水泥行業(yè)脫硝設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行投資參考標(biāo)準(zhǔn)測(cè)算，“十二五”期間新建水泥生產(chǎn)線配套建設(shè)脫硝設(shè)施投資約為12 億元;現(xiàn)有4000 噸/日及以上熟料生產(chǎn)線脫硝改造投資約為10.24 億元(采用目標(biāo)責(zé)任書(shū)數(shù)據(jù)計(jì)算)，合計(jì)22.24 億元。預(yù)計(jì)2015年全國(guó)水泥脫硝設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用將達(dá)到31.3 億元(按照年運(yùn)行330 天計(jì)算)。

預(yù)計(jì)2015年水泥行業(yè)氮氧化物產(chǎn)生量約為223 萬(wàn)噸。按照“十二五”期間，改造原有水泥生產(chǎn)線脫硝設(shè)施126.8 萬(wàn)噸/日，新建水泥生產(chǎn)線配套建設(shè)脫硝設(shè)施110.6 萬(wàn)噸/日，脫硝效率為60%，“十二五”末期，脫硝設(shè)施氮氧化物削減量約為75 萬(wàn)噸。據(jù)此測(cè)算，到2015年，水泥行業(yè)氮氧化物排放量約為148 萬(wàn)噸(2010年約為170 億噸)。各年水泥行業(yè)脫硝設(shè)施運(yùn)行投資及氮氧化物去除量見(jiàn)圖4。

圖2 4000 噸/日水泥生產(chǎn)線與“十二五”脫硝改造任務(wù)分布

圖3 2011－2015年水泥行業(yè)脫硝改造年度任務(wù)

圖4 水泥行業(yè)脫硝設(shè)施建設(shè)年度投資與環(huán)境效益預(yù)測(cè)

4 結(jié)論與建議

氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化所形成的二次顆粒物約占我國(guó)大氣PM2.5 濃度的一半，而氮氧化物又是PM2.5 中二次硝酸鹽顆粒物的重要來(lái)源，因此大力削減氮氧化物排放總量是確保我國(guó)城市PM2.5 達(dá)標(biāo)的必要條件。

我國(guó)水泥工業(yè)氮氧化物排放量占工業(yè)系統(tǒng)總排放量10%，是居火力發(fā)電和汽車尾氣排放之后的氮氧化物排放的第三大源，是“十二五”氮氧化物減排的重要領(lǐng)域之一。本研究在分析水泥行業(yè)氮氧化物排放與控制現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)減排目標(biāo)與任務(wù)，對(duì)“十二五”期間我國(guó)水泥行業(yè)氮氧化物污染治理設(shè)施的投資需求作出了相應(yīng)預(yù)測(cè)。研究表明，近年來(lái)，由于水泥行業(yè)尚未大規(guī)模建設(shè)脫硝設(shè)施，氮氧化物排放量不降反增。為加快脫硝設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)污染減排工作，各項(xiàng)規(guī)劃已相繼明確“十二五”期間水泥行業(yè)脫硝設(shè)施建設(shè)任務(wù)，水泥行業(yè)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)也即將出臺(tái)。分析與預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，“十二五”期間新建水泥生產(chǎn)線配套建設(shè)脫硝設(shè)施投資需求約為12 億元，現(xiàn)有4000 噸/日及以上熟料生產(chǎn)線脫硝改造投資約需求為10.24 億元，共計(jì)22.24 億元;“十二五”末全國(guó)水泥脫硝設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用將達(dá)到31.3 億元/年?！笆濉逼陂g完成計(jì)劃投資，確保脫硝設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，2015年能夠有效削減氮氧化物75 萬(wàn)噸，控制水泥行業(yè)氮氧化物排放量在150 萬(wàn)噸以內(nèi)，較2010年削減13%。

建議加大政策支持力度，進(jìn)一步加快脫硝設(shè)施建設(shè);同時(shí)，借鑒國(guó)外水泥行業(yè)污染物防控經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化火焰冷卻、分段燃燒、中窯燒制、礦化熟料等過(guò)程控制方法/技術(shù)的應(yīng)用，并兼顧水泥行業(yè)粉塵、二氧化硫、碳氧化物、總有機(jī)碳、二惡英/呋喃、金屬汞及其化合物、多環(huán)芳烴(PAH)等污染物的防控;重視微生物脫硝、電子束法等減少還原劑應(yīng)用、避免氨逃逸、脫硝效率較高的氮氧化物控制技術(shù)研發(fā)，推進(jìn)水泥行業(yè)先進(jìn)污染防治技術(shù)尤其是氮氧化物控制技術(shù)示范推廣以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為水泥行業(yè)污染減排提供有力支撐。

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