水泥窯煙氣多種污染物的治理技術研究

呂 剛 向 軼 冷 健 呂文豪

（1.西安航天動力研究所， 陜西 西安 710100；2.西安航天源動力工程有限公司， 陜西 西安 710100）

0 前言

水泥窯在運行過程中會產生大量的煙氣污染物，進入大氣后會對自然環(huán)境和人體健康造成危害，隨著近年來政府對生態(tài)環(huán)境保護的越加重視，火電、化工、鋼鐵等行業(yè)均出臺了大氣污染物超低排放標準，將顆粒物、SO2、NOx排放量控制在10/35/50 mg/m3，對各大企業(yè)的煙氣治理提出了更高的要求。而GB4915-2013中水泥窯的排放限值仍然停留在20/100/320 mg/m3的水平，距離超低排放標準仍有很大的提升空間，這也將是水泥行業(yè)環(huán)保政策的發(fā)展趨勢。2018 年以來，各省市密集出臺了與煙氣消白相關的地方標準，各地對消除濕法脫硫后白煙的要求也已逐漸由定性轉變?yōu)槎?，并在各個行業(yè)推廣開來。

因此對于水泥窯煙氣的治理，應從過去單一污染物脫除的思路，轉變?yōu)槎辔廴疚锏膮f(xié)同治理路線，以應對逐漸收緊的環(huán)保政策，保證水泥生產企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 水泥窯煙氣多種污染物治理技術

1.1 除塵技術

水泥窯煙氣含塵量高，可達到80～100g/m3，含有大量的CaO，且水泥窯頭和窯尾的煙氣性質也有所不同，是水泥窯污染物治理的難點。現(xiàn)階段主流除塵技術為電除塵、布袋除塵、旋風除塵和水洗除塵等，其中布袋除塵效率較高，處理后的粉塵濃度可降至10mg/m3以下，但布袋也存在著火、糊袋等風險。

為保證除塵效率和運行穩(wěn)定，除了設置多種除塵器聯(lián)合運行，還可以對現(xiàn)有設備進行改良，例如選用高效的濾袋、改進電除塵器結構等。也有越來越多的企業(yè)將新技術應用到生產中，如電袋復合除塵器、高溫靜電除塵器、預荷電技術、多孔陶瓷材料等。

以上技術均是針對水泥行業(yè)粉塵的有組織排放行為，除此之外，水泥生產過程中還存在大量的無組織排放粉塵，主要是堆場和道路揚塵。為減少粉塵的無組織排放，可采用增加沖洗裝置、提高清掃頻率、露天堆場封閉等措施，均有良好的效果[1]。

1.2 脫硫技術

由于石灰石本身的固硫作用，水泥窯煙氣中的SO2含量一直處于較低水平，但隨著原料價格上漲以及優(yōu)質石灰石存量的減少，水泥生產中開始大量用到低品質的石灰石，造成窯尾煙氣中的SO2排放超標。隨著超低排放標準的到來，僅靠傳統(tǒng)的運行模式難以滿足超低排放需求，加裝煙氣脫硫系統(tǒng)很有必要。

目前的主要脫硫技術有濕法、干法、半干法等，其中濕法脫硫在整個環(huán)保市場上占比90%，技術成熟、脫硫效率高、運行穩(wěn)定，針對水泥行業(yè)的特點，石灰石膏法是最佳工藝。濕法脫硫設備通常布置在除塵器后部，煙氣進入脫硫塔后與石灰漿接觸反應，生成副產物含水石膏[2]。石膏能作為生產水泥的原料，具有良好的利用價值。

半干法脫硫也是一種有效的脫硫工藝，分為循環(huán)流化床法（CFB）和旋轉噴霧干燥法（SDA），優(yōu)勢是不產生廢水、對設備磨損小，但脫硫效率略低于濕法。半干法脫硫的副產物為不含水的脫硫灰CaSO3，經(jīng)氧化后可作為水泥緩凝劑，提高水泥的抗壓強度，同樣具有較好的經(jīng)濟性。

1.3 脫硝技術

類似于燃煤鍋爐，水泥窯煙氣中的氮氧化物有80%以上是燃料型NOx，主要來源于揮發(fā)分和焦炭中的N 元素，水泥行業(yè)NOx排放量占全國工業(yè)排放總量的15%，位居排放大戶之列?，F(xiàn)階段的水泥行業(yè)多采用分級燃燒、低氮燃燒、SNCR脫硝等手段控制NOx排放，在現(xiàn)標準下能做到長時間的達標運行。

根據(jù)以往的運行經(jīng)驗，采用“低氮燃燒+SNCR 脫硝”的路線可以將NOx排放量穩(wěn)定控制在100 mg/m3以內，但與50 mg/m3的超低排放標準仍有一定距離，因此需要加裝SCR 脫硝系統(tǒng)，進一步提高脫硝能力。根據(jù)催化劑溫度區(qū)間的不同，可分為低/中/高溫催化劑，現(xiàn)階段脫硝效果較好、運行較穩(wěn)定的是高溫催化劑，也決定了SCR 系統(tǒng)需布置在280～400℃的溫度區(qū)間內。在進行SCR 脫硝改造時，也應基于業(yè)主企業(yè)的實際情況，綜合考慮脫硝效果、催化劑壽命、對系統(tǒng)熱效率影響、場地限制等多重因素，制定最優(yōu)方案。

與燃煤電廠、煤化工等行業(yè)不同，水泥窯煙氣的高含塵量會導致SCR 催化劑的中毒、堵塞和沖刷，降低脫硝效率，縮短使用壽命[3]。例如水泥窯尾預熱器后的溫度在300℃上下，適合SCR 催化劑的運行，但此處煙氣含塵量很高，為解決此問題，可采用以下措施：①提高清灰頻率，改進清灰方式；②選用大孔徑催化劑；③開發(fā)抗毒耐磨的新型催化劑；④選用性能可靠的中低溫催化劑，調整SCR 布置地點。通過多種方式的協(xié)同，實現(xiàn)SCR 的長期穩(wěn)定運行。

1.4 消白技術

濕法脫硫往往會產生白煙現(xiàn)象。白煙的實質是水霧，濕法脫硫后的凈煙氣基本上處于飽和狀態(tài)，含濕量≥10%，除了煙氣本身攜帶的水滴，出現(xiàn)白煙更重要的原因是飽和煙氣在煙囪口與大氣混合降溫冷卻時變成過飽和狀態(tài)，大量的水蒸氣凝結成了液態(tài)水。煙氣消白的標準已經(jīng)在電力、非電、鋼鐵等行業(yè)大規(guī)模實施，未來也可能會推廣到水泥行業(yè)。

煙氣消白技術分為加熱法、冷凝法、冷凝再熱法、溶液吸收法等，綜合考慮消白效率、投資成本、施工難度等因素，認為冷凝再熱法是目前可行性最高的方案[4]。具體實施方案是：在濕法脫硫塔前布置MGGH 系統(tǒng)的冷卻器，降低進入脫硫塔的煙氣溫度；經(jīng)塔內洗滌吸收脫硫后，煙氣經(jīng)過相變冷凝器，使水蒸氣冷凝脫出，回收冷凝水；經(jīng)冷凝后的煙氣進入MGGH 系統(tǒng)的再熱器，利用余熱進行再加熱，提高排煙溫度，加強煙氣的擴散能力，防止白煙產生。

冷凝再熱法的另一優(yōu)勢在于，煙氣中的水蒸氣冷凝成液態(tài)水時會將Hg 元素一并溶解帶出，兼有脫汞的效果，符合水泥窯控制Hg 元素0.05mg/m3排放量的標準要求和發(fā)展趨勢。因此冷凝再熱法煙氣消白技術不僅能帶來感官上的改善，更能實際上降低各類可溶性大氣污染物（Hg、SO3等）的排放。

2 結語

在超低排放標準的要求下，多種污染物協(xié)同治理技術是水泥窯煙氣治理路線的發(fā)展趨勢。水泥生產企業(yè)在經(jīng)過新一輪的環(huán)保設備升級改造后，應考慮到能同時實現(xiàn)除塵、脫硫、脫硝、消白、脫汞等多重效果；同時提高環(huán)保管理水平和運行人員素質，以應對不斷升級的環(huán)保政策要求，推動企業(yè)的健康運轉。