电石渣水泥生产脱硝脱氨技术及应用

0　引言

电石渣是电石法生产聚氯乙烯（PVC）过程中产生的工业废弃物，我国电石渣排放量巨大，每年产生约为4?000万吨（干基）。以往，电石渣的处置大多仅是堆放或填埋，这不仅占用大量的土地，而且由于电石渣易于扩散流失，会导致周边土地碱化、水资源污染，生态环境遭受破坏。电石渣可代替石灰石原料用于水泥生产，这既可以实现工业废弃物的综合利用，又可以减少水泥生产碳排放。目前全国已建成有数十条电石渣水泥熟料生产线，环境经济效益较为显著。

随着国家生态文明建设的深入推进，水泥行业大气污染物排放标准日趋严格。2024年1月，生态环境部发布《关于推进实施水泥行业超低排放的意见》，要求水泥窑及窑尾余热利用系统烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值分别不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50 mg/Nm3，脱硝氨水消耗量小于3.5 kg/t熟料（基于20%的氨水浓度折算）。电石渣水泥生产在减少碳排放的同时，也需采取相应的工艺技术措施，对大气污染物进行治理，尤其是对NOx排放和氨逃逸进行控制，这也是由电石渣水泥生产的特殊性所决定的。

电石渣含有大量的氨组分，又可称为“本底氨”，在水泥生产过程中会释放到窑炉烟气中，导致最终的氨逃逸可高达数百mg/Nm3，大大高于超低排放的限额要求。如何在削减窑炉烟气NOx排放的同时减少氨逃逸，开发应用协同脱硝脱氨工艺技术，已成为电石渣水泥生产实现超低排放的关键。本文聚焦电石渣水泥生产的SCR脱硝和氨逃逸问题，从成因机理分析入手，系统比较各项治理工艺技术，提出“源头控制—过程提氨—深度协同脱硝脱氨（eSCR）”全流程治理思路，并结合工程案例讨论了工艺技术的可行性与应用前景。

1　电石渣用于水泥生产

乙炔（C2H2）是生产PVC的重要原料，电石渣是电石（CaC2）水解制乙炔过程中排出的工业废弃物，主要化学成分为Ca（OH）2，含量可达90%以上。此外电石渣中还含有少量从石灰石和焦炭等生产原材料中带入的SiO2、Al2O3和Fe2O3化学组成。电石渣为粉状料、颗粒细小，由于含较高的氨组分，会伴有刺鼻的气味。电石渣水泥生产氨逃逸的特殊性也是源于电石生产环节及大量氨的存在。

电石炉内温度高达2?000 ℃以上且处于强还原性气氛，炉内渗入的氮气（N2）与含钙物质（碳化钙CaC2和气态钙原子）发生反应，生成氮化钙（Ca3N2）。

3CaC2+N2→Ca3N2+6C

3Ca（g）+N2（g）→Ca3N2（s）

生成的氮化钙呈灰黑色固体，会导致本应呈紫褐色的电石颜色变深、发黑。氮化钙化学性质极为活泼，遇水或潮湿空气会发生剧烈水解，生成氢氧化钙并释放大量氨气。

Ca3N2+6H2O→3Ca（OH）2+2NH3↑

这一反应发生在电石水解制乙炔过程中，水解产生的氨气部分溶解于工艺水中，部分被吸附在电石渣表面和孔隙内。当电石渣作为原料送入水泥窑尾烘干系统时，吸附的氨受热迅速解析进入烟气，形成高浓度、波动大的“本底氨”。

电石渣代替石灰石用于水泥生产有多方面的技术优势和环境效益。早在20世纪70年代，国内水泥行业就开始利用电石渣配料生产水泥熟料。由于电石渣的水分含量较高，当初的应用技术为“湿磨干烧”，即将电石渣浆与黏土、砂岩等原料混合制成含水约43%的生料浆，经压滤成含水25%左右的料饼，再烘干入窑，以适应湿法长窑生产工艺。随着新型干法生产工艺技术的出现及普遍应用，电石渣水泥生产技术也有了长足进步，目前采用的“干磨干烧”技术，即是电石渣经脱水至含水35%以下，与其他原料一同进入生料磨进行烘干、粉磨后，直接入预分解窑炉进行煅烧。由于烘干原材料需要大量的窑炉烟气余热，通常电石渣水泥生产窑炉不配置余热发电系统，以保证窑尾布袋收尘后，排放烟气温度高于100 ℃。

随着水泥行业超低排放要求的明确和推进，电石渣水泥生产氨逃逸控制也得到了多方面的关注。与常规原料生产水泥窑炉烟气不同的是电石渣水泥生产窑尾烟气具有以下显著特点：（1）烟气氨浓度高且波动剧烈。电石渣烘干过程释放的氨少则几十mg/Nm3，多则近千mg/Nm3，且随着电石渣批次、原料配比、窑炉产量等因素变化而产生大幅波动。这种被动释放的“本底氨”不受脱硝系统控制，无法通过常规的喷氨调节手段予以抑制。（2）烟气成分复杂。除常规污染物外，烟气中还可能含有硅烷（SiH4）、单氰胺（CH2N2）、双氰胺（C4H4N4）、磷化氢（PH3）、砷化氢（AsH3）等特殊成分。这些还原性气体会与氨产生竞争吸附，部分取代氨参与脱硝反应，重金属和碱土金属则可能导致催化剂中毒失活。（3）烟气湿度高。干法电石渣烟气湿度约为14%~19%，湿法电石渣烟气湿度高达25%~35%。高湿度条件下，水蒸气会抢占SCR催化剂活性位点，导致脱硝效率下降。（4）烟气温度低。干法电石渣烟气温度约为100~180 ℃，湿法电石渣烟气温度约为100~130 ℃，该烟气温度条件下，暂无成熟的商用脱硝催化剂可供利用。

电石渣水泥生产窑炉烟气成分复杂、氨浓度高，给超低排放治理带来严峻挑战，也决定了电石渣水泥生产窑炉烟气的硝、氨治理不能简单套用传统SCR脱硝技术路径，必须采取针对性、系统性的全流程治理方案。

2　氨逃逸（排放）末端治理工艺技术分析

氨逃逸（排放）是水泥窑炉烟气SCR脱硝可能产生的负效应，而对于电石渣水泥生产则是存在的主要问题。针对窑炉烟气氨逃逸（排放）浓度控制，也有一些技术研发和应用，包括水洗法、酸洗法、催化氧化法等。

水洗法是控制氨逃逸和气溶胶的有效技术手段之一，尤其适用于氨法脱硫系统的末端处理。其核心原理是利用水对氨的高溶解性，通过多级喷淋洗涤将逃逸氨吸收并去除。其工艺流程为：洗氨→蒸氨与解吸→饱和吸收，即利用软水吸收气体中的氨，对富氨水进行加热处理，分离出较纯的氨气，将氨气在饱和器中被硫酸吸收，生成硫酸铵。水洗法技术成熟，可实现氨的资源化回收，出口氨逃逸浓度小于5 mg/Nm3，液滴浓度小于70 mg/Nm3，满足超低排放要求。但水洗法设备复杂，材质要求高（需防腐），且蒸氨与解吸过程消耗大量蒸汽，用水量大，运行成本较高。

与水洗法不同的是酸洗法采用稀硫酸作为吸收液，工艺流程为：酸洗吸收→蒸发结晶，即在喷淋塔中，硫酸母液直接与含氨气体逆流接触，发生中和反应；吸收后的母液移至蒸发结晶器，浓缩生成大颗粒硫酸铵结晶。酸洗法工艺流程相对紧凑，酸碱中和反应速度快、反应彻底，反应产物为固体硫酸铵，便于运输和出售。但酸洗法系统会产生含盐废水（如蒸氨废水），需送至专业处理装置，且设备腐蚀风险较高。

催化氧化法是目前的研究热点，其原理是在催化剂（通常含铂、钯等贵金属）作用下，氨气（NH3）被选择性氧化为氮气（N2）和水（H2O）。

催化氧化法几乎无二次污染，反应产物为无害的氮气和水，可与SCR脱硝系统深度协同，即安装在同一个反应塔中，窑炉烟气脱硝、除氨工艺技术改造无过多的工作量。但贵金属催化剂成本高，缺少在水泥窑炉复杂工况烟气条件及不同温度窗口长期运行的试验验证。

“源头控制—过程提氨—深度协同脱硝脱氨（eSCR）”基于电石渣水泥生产过程提出的工艺技术方法。首先是源头控制：电石渣水泥生产大多隶属于PVC生产母公司，电石渣也是相应生产工艺过程的副产物，因此，可在源头抑制氮化钙生成、减少电石渣中氨含量。电石生产中Ca3N2的生成是高温活化氮气分子与活性钙物种反应的必然结果。控制空气渗入和原料纯度是减少Ca3N2生成的关键，这就需要：（1）加强炉体密封，尽量减少空气渗入，切断氮气来源，这是最根本的措施；（2）控制原料纯度，严格筛选原料，使用低硅、低杂质的优质石灰和碳素原料，减少副反应；（3）优化操作工艺，保持电石炉工况稳定，避免大幅波动和局部过热，在确保反应温度的前提下优化热工制度。源头控制可以在一定程度上减少电石渣中的氨含量，为后续治理带来了较大便利。

过程提氨也是一项重要的前处理技术。电石在乙炔车间进行水解过程中，多余的水经过处理后会回用，但回用水中溶解了大量氨。采用蒸汽提氨工艺，对回用水进行汽提处理，将溶解的氨气脱除，从而显著降低电石渣中的氨本底浓度，从源头上减少进入窑尾烟气的氨量。提取的氨通过水吸收，可以形成17%~20%浓度的氨水，运输到周围电厂或者水泥厂用于脱硝还原剂。这一过程可显著降低电石渣中氨的本底浓度，从源头上减少进入电石渣水泥生产窑尾烟气中氨浓度，同时也可实现资源化利用。

eSCR协同脱硝脱氨是电石渣水泥生产协同脱硝脱氨关键技术核心。基于水泥生产工艺过程和SCR脱硝反应原理，eSCR工艺技术创新性地将水泥熟料煅烧窑炉中产生的NOx与烘干电石渣过程所释放的氨进行耦合反应。系统采用增强型选择性催化还原技术，在传统SCR催化剂的基础上进行改性，不仅具备高效的脱硝活性，还赋予了催化剂强大的储氨功能，从而为氨氮协同治理奠定了技术基础。通过控制SCR脱硝反应温度窗口和平衡窑炉烟气中氨氮摩尔比，最终实现了电石渣水泥生产窑炉烟气脱硝脱氨的双重目标。

3　综合治理技术工程化应用

HS水泥公司拥有一条2?500 t/d水泥熟料生产线，并由母公司PVC生产产出的电石渣完全替代石灰石用于水泥熟料生产，取得了良好的经济和环境效益。为实现电石渣水泥生产脱硝脱氨及超低排放，以及后续的长期、高效、稳定运行，经过深入的调研分析和技术对比，公司决定采用“源头控制—过程提氨—深度协同脱硝脱氨（eSCR）”技术路线，由合肥水泥工业研究设计院有限公司进行工程项目的建设。表1列出了2?500 t/d生产线脱硝脱氨设计参数。由表1可见，生产线脱硝脱氨需要处理的标况烟气量为300?000Nm3/h，但烟气温度仅有100~130 ℃，这是由于大量的窑炉烟气余热用于高水分电石渣（烟气水分含量达到15％）烘干所致；另一方面，烟气中NOx浓度仅为400~700 mg/Nm3，而NH3浓度则可高达500 mg/Nm3，大大超过了脱硝过程氨氮摩尔1∶1的需求。

项目工程设计和建设首先通过源头控制和过程提氨等技术对电石渣氨含量进行有效削减和稳定控制，使电石渣窑炉烟气中氨浓度维持在300 mg/Nm3水平上下，进而为优化工程设计提供了可能。由于烟气温度较低，项目选择在窑炉烟气布袋收尘器后布置脱硝脱氨反应器，这是电石渣水泥生产窑炉烟气脱硝脱氨的必然选择，其优势是低粉尘浓度减少了对催化反应的干扰，低尘条件下采用高孔数催化剂材料还可提高催化反应效率，减少催化剂实际用量。另一方面，由于较低的烟气温度和高含水分等复杂烟气工况条件，目前还缺少相适应的低温催化剂，因此，项目工程设计采用电石生产富余热源对低温烟气进行加热升温至约200 ℃左右，以强化脱硝脱氨反应进程。烟气经脱硝脱氨塔排出后，通过烟气换热器（GGH）系统进行热回收，用于加热低温烟气，使补充的热量需求降到了最低。

为实现SCR脱硝脱氨精准控制及维持反应所需的适宜氨氮比，反应塔（图1）工艺系统配套设置了一套完整的脱氨助剂及氨水储存、计量、输送与喷射单元。该系统依托进出口在线监测数据，通过智能算法动态调整脱氨助剂或氨水的喷射量，精准维持SCR入口的氨氮摩尔平衡；随后，烟气进入eSCR反应器，催化剂层在还原NOx的同时，能将烟气中的本底氨及上游逃逸氨高效氧化为无害的氮气，最终实现NOx削减与氨逃逸遏制的双重目标。

工程项目（图2）于2025年底建成并投运以来，一直处于良好的运行状态，其中排放烟气NOx浓度和NH3浓度分别低于45 mg/Nm3和5 mg/Nm3，达到了工程设计考核目标和行业超低排放的要求。

4　结语

我国电石渣（干基）年产出量已达到4?000万吨，电石渣水泥生产线也有数十余条，通过电石渣水泥生产，均取得了资源综合利用及良好的经济和环境效益。随着水泥行业超低排放的提出和推进，电石渣水泥生产面临着脱硝脱氨的双重挑战。电石渣水泥生产窑炉烟气温度低、含水量高，治理技术要求高。“源头控制—过程提氨—深度协同脱硝脱氨（eSCR）”技术路线提出了切实可行的解决方案。通过源头控制和过程提氨，可以降低和稳定电石渣中的氨含量，为后续的脱硝脱氨及优化工程建设提供了必备条件。深度协同脱硝脱氨基于多参数（如NOx、NH3浓度、温度、负荷）的AI智能喷氨控制系统，实现精准调控，有效避免“过喷”和“欠喷”现象。在窑炉烟气温度较低的情况下，则可通过烟气加热和热回收技术，或是抽取窑炉少量热烟气，在较少利用热能的前提下，稳定烟气脱硝脱氨反应塔高效运行。总之，通过源头密封控氮、过程蒸汽提氨、eSCR协同催化氧化的组合拳，不仅能实现NOx的超低排放，更能有效遏制氨逃逸，解决行业痛点。这一全流程治理思路为电石渣水泥产业突破环保瓶颈、实现绿色低碳转型提供了坚实的技术支撑。

作者单位:1.安徽华塑股份有限公司；2.合肥水泥研究设计院有限公司；

3.中国硅酸盐学会工程技术分会；4.清华大学

文章来源：《水泥》杂志2026年第5期

编辑：何昊

审核：胡如进

1.喜报 | 《水泥》入选CACJ中国应用型核心期刊，并被美国化学文摘设CAS收录！

2.2024年《水泥》杂志及公众号广告，期待与您合作

3.关于发布《水泥工业大气污染物排放标准》（GB 4915-2013）修改单的公告

4.技术 | 整体预制碳化硅陶瓷三次风闸板使用情况分析

5.技术|储能技术在水泥行业的应用现状与发展趋势探讨

6.技术|生料磨系统节能降耗技改实践

7.技术|高温中尘水泥SCR脱硝技术设计与选型

8.技术|7?200 t/d熟料生产线节能减排技术实践分析

9.技术|氢烧水泥研究进展与减污降碳潜力分析

10.技术|人工智能技术在水泥制造中的应用研究

11.技术|V型选粉机的技改措施及效果

12.技术|烧成系统热工诊断常见技术问题分析与解决方案

13.技术 | 不同细度生料对熟料能耗的影响与配料优化实践