2018, Vol. 39
我国从“十二五”时期开始对大气NOx实行总量控制, 其中水泥行业是仅次于火电行业的NOx第二大工业排放源, 是控制的重点.水泥生产过程中的NOx主要来源于水泥窑系统, 其排放类型按照生成机理分为热力型NOx、燃烧型NOx和激发型NOx[1~4], 目前新型干法窑相对立窑释放的NOx浓度较高[5], 随着新型干法窑对立窑的替代, 如果不实行严格的减排措施, 即使在水泥产量不增长的情况下, 我国水泥工业NOx排放量也会持续升高.高精度的水泥工业排放清单是使用模型工具及评估NOx排放控制成效的基础, 目前我国大部分水泥工业NOx的排放是作为工业的一部分根据煤炭消耗量进行宏观估算或者基于分省的水泥产量和水泥技术分布调查相结合的方法进行估算[6~12], 以每条生产线为单元的自下而上的全国水泥工业排放量估算几乎为空白.因此, 笔者基于2011~2015年全国水泥企业逐个生产线的基本信息、活动水平、控制技术等数据, 构建了基于生产线的自下而上的水泥工业大气NOx排放计算模型, 测算了历年NOx的排放量和建立了NOx排放动态数据库, 并分析了水泥工业NOx的时空分布特征, 以期为我国水泥工业NOx排放控制提供决策依据.
1 材料与方法 1.1 计算方法基于2011~2015年大陆地区30个省(区、市)(不含西藏)及兵团总量减排的水泥企业的每条生产线的基本信息、工艺类型、活动水平、排放因子、控制水平等数据, 并结合历年现场调研和文献调研, 构建了大气NOx排放量计算模型, 测算了每条生产线的NOx排放量, 建立了全国水泥生产线的动态排放数据库.水泥企业NOx排放量按照新型干法窑和立窑两种生产工艺进行测算.水泥工业NOx2010年排放量为我国第一次污染源普查更新数据.现场调研发现, “十二五”期间中国水泥企业安装烟气排放连续在线监测系统(CEMS)烟道的取样布点规范性较差, 直接影响烟气流量流速测定结果的准确性, 只有少量安装规范的水泥窑可以采用在线监测直接测量法测算NOx排放量, 为了结果具有系统可比性, 所有NOx排放量均采用排污系数法进行测算. 2011~2015年企业新型干法窑NOx排放量根据水泥熟料产量、治理工程建设和运行情况采用排污系数法分生产线逐一进行测算.
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式中, Ei表示第i个水泥企业NOx排放量, t ·a-1; Pij表示第i个水泥企业第j条生产线水泥熟料产量, 万t; efij表示第i个水泥企业第j条生产线NOx产污系数(以熟料计), kg ·t-1; ηij为NOx去除率, %.根据治理设施投运前后NOx排放浓度比确定, 治理设施包括新建脱硝设施和进行低氮燃烧技术改造; n表示第i个水泥企业新型干法生产线条数.对于现役水泥窑新建治理工程的, NOx排放量根据治理设施投运前后水泥熟料产量分时间段进行测算.
1.2 参数确定 1.2.1 水泥熟料产量“十二五”期间, 由于我国水泥工业生产工艺全面升级, 2010年熟料煅烧主要采用新型干法窑及立窑, 占水泥熟料产量的98%以上, 预热器窑、干法中空旋窑、立波尔窑、湿法窑等基本全面淘汰, 因此本研究仅对新型干法窑和立窑熟料煅烧过程的NOx排放量进行测算.本研究全国水泥熟料产量为全国各省每条水泥熟料生产线产量数据加和, 2010~2015年我国分生产技术的水泥熟料产量见图 1所示. 2010年熟料产量为11.9×108 t, 2014年达到峰值, 为14.0×108 t, 2015年为13.2×108 t.立窑熟料产量的占比逐年下降, 由2010年的18.0%下降到2015年的0.6%.
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图 1 2010~2015年我国分生产技术的水泥熟料产量 Fig. 1 Cement clinker production in China from different types of kiln from 2010 to 2015 |
本研究所采用的产生系数主要根据第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册确定[13], 如表 1所示.
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表 1 水泥工业NOx产污系数 Table 1 NOx pollution factors of cement industry |
1.2.3 NOx控制技术及NOx去除率
水泥工业的NOx控制可行技术主要包括工艺控制和选择性非催化还原法(SNCR)[14~16].从全国来看, 目前所有的水泥窑采用的脱硝技术均为低氮燃烧技术和SNCR. 2010~2015年水泥窑脱硝规模(以熟料计, 下同)由0.6×104 t ·d-1增加到4.8×107 t ·d-1, 占全国水泥产能的比例由0.1%增加到92.3%. 2015年全国已建脱硝设施的水泥生产线为1454条, 占总条数的79.6%, NOx去除率约为23.1%.已建设脱硝设施的水泥生产线中约有42.8%的脱硝设施基本不运行, 去除不运行的水泥生产线全国已建脱硝设施的水泥生产线的NOx去除率约为37.2%, 效率分布见图 2所示.
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图 2 2015年不同生产能力的水泥生产线NOx去除效率 Fig. 2 Distribution of denitration efficiency with different scales in 2015 |
从各省的脱硝情况来看, 全国各省“十二五”期间脱硝设施建设呈快速增长趋势, 脱硝设施安装时间集中在2013年和2014年, 两年安装规模占总脱硝规模的76%(见图 3).截至2015年底, 脱硝规模超过20×104 t ·d-1以上的省份有9个, 分别为安徽、山东、河南、四川、广东、云南、贵州、湖南和河北.脱硝规模占比达95%以上的省份有10个, 分别为北京、天津、海南、湖南、广东、贵州、福建、安徽、山东和河南, 安装比例在50%及以下的仅上海一市.从脱硝效率的情况来看, NOx去除率在35%以上的省份主要有天津、北京、河北、陕西、海南、重庆、广西这7省, NOx去除率在10%以下的省份主要有云南、新疆、湖南、内蒙古、山西、宁夏和上海, 其中上海、宁夏两地已建脱硝设施基本处于不运转状态(见图 4).
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按照《十二五节能减排综合性工作方案》的划分原则, 将兵团作为一个单独的省份进行考虑, 下同 图 3 2010~2015年不同省份水泥工业脱硝规模变化 Fig. 3 Distribution of denitration scale by provinces during 2010-2015 |
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图 4 2015年各省水泥工业脱硝规模占比及NOx去除率 Fig. 4 Proportion of denitration scale and denitration efficiency by provinces in 2015 |
2010~2015年我国水泥工业NOx排放量变化范围为168~199万t, 自2010年的169万t增加到2012年的199万t, 达到排放峰值, 2012年的排放量测算结果与Hua等[17]的研究结果基本一致.自2012年水泥工业NOx排放量开始逐年下降, 到2015年与2010年基本持平, 为168万t, 未完成《节能减排“十二五”规划》中水泥工业NOx减排12%的目标.水泥工业的单位产品排放强度范围为1.26~1.55 kg ·t-1, 自2010年的1.52 kg ·t-1增加到2012年的1.55 kg ·t-1, 随后逐年下降, 到2015年为1.26 kg ·t-1, 较2010年下降17%(见图 5).
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图 5 2010~2015年水泥工业NOx排放量变化趋势 Fig. 5 NOx emissions from cement industry in China during 2010-2015 |
“十二五”水泥工业NOx排放量呈现先升高后下降的趋势主要是由于以下3个原因：①水泥工业熟料产量整体呈现上升趋势, 2015年相比2010年增加了20%; ②水泥工业技术水平不断提升, 立窑等落后产能基本被淘汰, 按照排放系数估算, 新建的新型干法水泥窑若配备先进的脱硝设施且高效运转, 排放水平仍是立窑的2.5~3倍[8], 导致“十二五”初期NOx排放量不断增加[18]. ③2013年后GB 4915-2013对水泥企业NOx排放控制提出了更高要求, 标准中对NOx的控制要求已经达到了国际最先进的水平[19, 20]. 《“十二五”节能减排综合工作方案》也将NOx排放列为约束性控制指标, 要求水泥工业开展减排工作. “十二五”期间新建水泥窑全部采用了低氮燃烧技术和安装了脱硝设施, 大批现役水泥窑在2013和2014年集中开展了低氮燃烧技术及脱硝技术改造, 脱硝机组安装比例大幅提高(见图 3和图 4), 到2015年底, 水泥窑脱硝比例达92.3%.水泥工业NOx排放控制效果开始显现, 到2015年相比2012年峰值排放量下降16%, 排放强度下降19%.
2.2 大气NOx排放的空间分布 2.2.1 分地区排放量2010~2015年我国水泥工业NOx排放地区分布不平衡(见图 6). 2015年水泥工业NOx年排放量最高的省份依次为安徽、四川、河南、湖南、云南和山东, 约占全国排放总量的40%, 年排放量均在9万t以上.排放量最低的省份为上海、天津和北京, 年排放量均在1万t以下.本研究还分析了各省水泥工业2010~2015年NOx排放的变化趋势, 相比于2010年, 安徽作为水泥熟料生产大省, “十二五”期间NOx排放量基本没有变化, 13个省排放量呈上升趋势, 上升最大的5个省为贵州、新疆、海南、云南和湖南, 升幅在45%以上. 17个省排放量呈下降趋势, 下降最大的省市为北京、天津、河北和辽宁, 降幅在40%以上.
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图 6 2010~2015年各省水泥工业NOx排放量的变化趋势 Fig. 6 NOx emissions from the cement industry by provinces during 2010-2015 |
2010~2015年各地区水泥工业NOx排放水平波动与水泥熟料波动趋势基本一致(见图 7), 熟料产量增幅较大的省份为贵州、兵团、新疆和甘肃, 他们的排放量增幅也位居前列, 这与Cui等[21]研究的我国西部地区NOx排放量整体增加较快的结果一致.山西、湖南、四川熟料产量变化幅度小于NOx排放量变化幅度, 这主要是由于水泥生产工艺结构的转变, 2010年3个省份的立窑熟料产量占比较大, 基本都在30%以上, 2015年立窑基本全部被淘汰, 而且已建脱硝设施的脱硝效率相对不高(见图 3), 导致NOx增长幅度高于熟料增长幅度.
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图 7 2010~2015年各地区水泥工业NOx排放量与熟料产量的变化趋势 Fig. 7 Growth rate of productions and NOx emissions of the cement industry by provinces during 2010-2015 |
由于各省水泥生产工艺和污染治理水平的差异, 水泥工业单位熟料NOx排放强度存在明显差异(见图 8). 2015年14个省份水泥工业NOx排放强度高于全国平均水平, 其中上海、内蒙、山西、新疆、湖南、云南、四川NOx排放强度在1.50 kg ·t-1以上.与2010年相比, 湖南、四川、山西、内蒙、云南、贵州和吉林这7省NOx排放强度有所升高, 这主要与水泥生产工艺结构的转变及当地水泥工业的污染控制水平较低相关.
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图 8 2010~2015年各地区水泥工业NOx排放强度变化 Fig. 8 NOx emissions factors of the cement industry by provinces during 2010-2015 |
2015年我国新型干法水泥生产线共1 827条.水泥装备水平以及企业管理能力都对NOx排放有不同程度的影响[22].将水泥生产线按照规模划分为≥4 000 t ·d-1、2 000~4 000 t ·d-1(不含)、< 2 000 t ·d-1这3种, 全国不同省份3种规模水泥熟料生产企业NOx排放情况见图 9所示.规模≥4 000 t ·d-1的熟料生产线产量占比和NOx排放量占比均最大, 分别为68.5%和66.5%, NOx排放量为112万t, 其次为规模2 000~4 000 t ·d-1(不含)的熟料生产线, 熟料生产线产量占比和NOx排放占比分别为28.8%和30.6%, 规模 < 2 000 t ·d-1的熟料生产线产量和NOx排放占比最小, 分别为2.7%和2.9%.从3种规模的排放强度来看, 2 000~4 000 t ·d-1(不含)和 < 2 000 t ·d-1的排放强度基本一致, 约为1.37 kg ·t-1, 规模≥4 000 t ·d-1的熟料生产线排放强度约为1.24 kg ·t-1, 与它们的产污系数相比(表 1), 不同生产规模的水泥熟料生产线排放强度降幅基本一致, 说明不同规模的生产线污染控制水平相差不大.
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图 9 2015年全国各省不同规模新型干法水泥熟料产量占比及NOx排放量 Fig. 9 Production ratio of pre-calcining kilns with different scales and NOx emissions by provinces in 2015 |
排放量测算的相关参数的准确性不可避免地给排放量的估算带来了不确定性.该研究的不确定性有：①第一次全国污染源普查工业源-水泥制造业产排污系数是根据大量实测数据得到的经验系数, 并考虑了生产工艺、规模等级等因素, 但具体到各个水泥厂还受到生产工况、企业管理水平、原材料及清洁生产水平等因素的影响, 排放因子与实际排放仍存在差异, 存在一定的不确定性[23~25]; ②该研究所采用的NOx去除率主要是根据国家历年总量核查核定的效率, 由于核查过程中部分企业不完全符合总量减排要求, 包括减排台账的规范性、治污设施的运转稳定性较差等, 综合脱硝效率的认定可能过于严格, 会给部分机组NOx的排放量测算带来一定的偏差.
3 结论与建议(1)“十二五”期间水泥行业熟料产量呈现上升态势, 2015年相比2010年增加了20%, NOx排放量基本持平, 大气NOx控制水平的提高使水泥工业大气NOx排放强度由2010年的1.52 kg ·t-1下降至1.26 kg ·t-1.
(2) 我国水泥工业大气NOx排放量的地理分布不均衡, 2015年安徽、四川、河南、湖南、云南、山东是排放量最大的省份, 占全国排放总量的40%, 上海、天津和北京是排放量最低的省份, 年排放量均在1万t以下.与2010年相比, 17个省排放量呈下降趋势, 下降最大的省为北京、天津、河北和辽宁, 降幅在40%以上, 各省水泥熟料产量、NOx排放控制技术水平等是影响排放量的主要因素.
(3) 随着我国水泥生产技术的不断提升, 环境管理水平日益增强.当前, 规模≥4 000 t ·d-1的熟料生产线产量占比和NOx排放量占比均最大, 分别为68.5%和66.5%, NOx排放量为112万t, 单位熟料NOx平均排放强度最低.
(4) 我国水泥工业NOx控制的重点应该放在环境行为较差的小规模水泥窑上, 同时提高脱硝设施的整体运行管理水平, 使已有的治污设施切实发挥减排效益.此外应根据NOx排放的区域特征, 加强安徽等排放大省及贵州、四川等排放强度较高的省份的控制力度.
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