煤矸石燒結(jié)磚生產(chǎn)中隧道窯煙氣污染治理技術(shù)

滕俊雨

(棗莊市生態(tài)環(huán)境局嶧城分局，山東 棗莊 277300)

目前，我國每逢進(jìn)入冬季，受風(fēng)速、降雨、濕度、溫度等氣候因素的影響，大氣污染物擴(kuò)散緩慢，導(dǎo)致霧霾天氣頻發(fā)，大氣環(huán)境質(zhì)量下降，群眾要求治霾的呼聲越來越強(qiáng)烈。當(dāng)前，政府部門對大氣污染的治理工作越來越重視，相關(guān)執(zhí)法力度也在不斷的加強(qiáng)。煤矸石燒結(jié)磚作為高能耗、高排放行業(yè)，是我國重點(diǎn)工業(yè)污染控制行業(yè)之一，其燒結(jié)磚過程中的煙氣排放也開始受到社會各界的廣泛關(guān)注[1-3]。《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB29260-2013)發(fā)布實(shí)施以來，環(huán)保部門要求所有磚瓦生產(chǎn)企業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行《標(biāo)準(zhǔn)》，并安裝與環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，并加大了超標(biāo)排放的處罰力度，環(huán)保要求越來越嚴(yán)。近年來，煤矸石燒結(jié)磚行業(yè)減排控制技術(shù)取得了較大進(jìn)步，但距超低排放標(biāo)準(zhǔn)還有很大差距[4]。本文基于對煤矸石燒結(jié)磚過程中的煙氣排放特征及治理技術(shù)的探討， 通過對多家煤矸石磚瓦企業(yè)治理污染工作過程的調(diào)查研究及技術(shù)應(yīng)用，提出了煤矸石燒結(jié)磚過程中煙氣污染物(顆粒物、二氧化硫、氮氧化物)的成功治理技術(shù)。

1 磚瓦行業(yè)執(zhí)行的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB29260-2013)要求自2016年7月1日起，現(xiàn)有企業(yè)執(zhí)行大氣污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容如表1所示。

表1 現(xiàn)有企業(yè)執(zhí)行大氣污染物排放限值

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基準(zhǔn)過量空氣系數(shù)為1.7，實(shí)測的大氣污染物排放濃度應(yīng)換算為基準(zhǔn)過量空氣系數(shù)排放濃度。生產(chǎn)設(shè)施應(yīng)采取合理的通風(fēng)措施，不得故意稀釋排放。

在本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性引用文件《固定污染物排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T16157)中規(guī)定：過量空氣系數(shù)α=21/(21-XO2),其中XO2為排放氣體中氧的體積百分?jǐn)?shù)。由此公式推導(dǎo)出：過量空氣系數(shù)α=1.7時，氧的體積百分?jǐn)?shù)為8.65%。磚瓦工業(yè)規(guī)定的煙氣過量空氣系數(shù)與陶瓷行業(yè)(18%)、水泥行業(yè)(10%)、燃煤鍋爐(9%)相比較低，基于磚瓦工業(yè)隧道窯焙燒工藝實(shí)際含氧量基本在18%左右的特點(diǎn)，含氧量8.65%的要求較低。實(shí)測值要經(jīng)過換算后得出排放濃度值，換算公式如式1所示：

(式1)

式中：

c—大氣污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度，mg/m3；

c' —實(shí)測的大氣污染物排放濃度，mg/m3；

O'2—實(shí)測的氧含量，%；

O2—基準(zhǔn)氧含量，%。

從公式可以得出，實(shí)測的氧含量越高，換算的值越大。從煤矸石磚瓦生產(chǎn)企業(yè)排污調(diào)查情況來看，很難實(shí)現(xiàn)大氣污染物達(dá)標(biāo)排放，必須對現(xiàn)有治污設(shè)施進(jìn)行升級改造，同時采用可行的治污技術(shù)。

2 煤矸石燒結(jié)磚生產(chǎn)工藝及主要污染物排放

煤矸石燒結(jié)磚是以煤矸石為結(jié)合劑的燒結(jié)磚工藝所生產(chǎn)的建筑材料。隧道窯焙燒技術(shù)生產(chǎn)煤矸石燒結(jié)磚工藝具體流程[5]：將煤矸石裝入料斗經(jīng)皮帶機(jī)送至原料加工廠房，經(jīng)錘式粉碎機(jī)粉碎、滾筒篩或振動篩篩選加工成合格物料，然后送入一級攪拌加水后送入陳化倉進(jìn)行陳化。把經(jīng)過陳化的物料用皮帶機(jī)送入二級攪拌及真空制磚機(jī)制成磚坯，然后用液壓自動碼坯機(jī)將磚坯碼到窯車上送入烘干窯內(nèi)進(jìn)行烘干，將烘干的磚坯用擺渡車送到隧道窯口后頂入窯內(nèi)燒結(jié)而成為成品磚，烘干坯體后的煙氣經(jīng)烘干窯通過風(fēng)機(jī)送至治污設(shè)施處理，再經(jīng)煙筒排放。

以棗莊地區(qū)一家年產(chǎn)6000萬塊煤矸石磚隧道窯焙燒工藝企業(yè)為例，年生產(chǎn)300天，每天生產(chǎn)量20萬塊標(biāo)磚，其干燥及焙燒工序煙氣產(chǎn)污情況如下：

焙燒窯內(nèi)的余熱煙氣全部都送入干燥窯，干燥后的混合濕煙氣主要含有煙塵顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等主要污染物，排出煙筒廢氣的氧含量約18%，治污前濃度約為：煙塵顆粒物100 mg/Nm3左右、二氧化硫1000 mg/Nm3左右，氮氧化物70 mg/Nm3，為確保二氧化硫這一主要指標(biāo)達(dá)標(biāo)排放，減少治污設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用，目前多數(shù)磚瓦企業(yè)不敢使用含硫高的煤矸石，均采用含硫量約為0.2%～0.4%左右的低硫煤矸石。此外，氮氧化物主要來自焙燒窯中氮的氧化，由于焙燒溫度不高，實(shí)際監(jiān)測表明氮氧化物的濃度不高，在脫硫過程中順便把氮氧化物進(jìn)行了吸收處理，氮氧化物能夠達(dá)標(biāo)排放。在山東魯南地區(qū)煤矸石磚隧道窯焙未檢測出氟化物。

同時，焙燒的余熱通過風(fēng)機(jī)進(jìn)入干燥窯烘干坯體，干燥窯內(nèi)的溫度降到50℃左右，為加速排潮，企業(yè)一般都加大風(fēng)機(jī)風(fēng)量，導(dǎo)致空氣過剩，因隧道窯用焙燒的余熱通過風(fēng)機(jī)進(jìn)入干燥窯烘干坯體的工藝特點(diǎn)，在經(jīng)過干燥窯后的混合濕氣體氧含量約在18%左右。

3 煤矸石燒結(jié)磚煙氣治理技術(shù)

目前，煤矸石燒結(jié)磚煙氣治理技術(shù)一般以布袋除塵+濕法脫硫工藝，在實(shí)踐運(yùn)行過程中，此工藝很難達(dá)到《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB29260-2013)排放標(biāo)準(zhǔn)，已基本淘汰。而采用濕式靜電除塵治污工藝后可實(shí)現(xiàn)煙氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

在對傳統(tǒng)工藝分析基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，本文提出新的煙氣三級治污流程如下：

焙燒窯內(nèi)煙氣→焙燒窯車上放置石灰石初步去除少量SO2→干燥窯→風(fēng)機(jī)→濕式雙堿脫硫→濕式靜電除塵器→達(dá)標(biāo)排放。

3.1 焙燒窯加入石灰石初步去除二氧化硫

3.1.1 工作原理

從焙燒窯的加煤孔適量加入含鈣石灰石顆粒與窯內(nèi)的二氧化硫反應(yīng)生成硫酸鈣，去除煙氣中的少量二氧化硫。另一部分含鈣石灰石經(jīng)高溫生成氧化鈣，氧化鈣再與窯內(nèi)的二氧化硫反應(yīng)也生成硫酸鈣，再去除煙氣中的少量二氧化硫。

3.1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在焙燒窯加煤孔均勻加入細(xì)顆粒石灰石(CaCO3)，石灰石在近1000℃高溫的作用下，與硫氧化物作用生成CaSO4和CaO，在此反應(yīng)過程中，部分SO2被去除，每天生成的硫酸鈣經(jīng)清理進(jìn)入制磚坯環(huán)節(jié)。

3.2 濕式堿法脫硫

3.2.1 工作原理

以氫氧化鈉和氫氧化鈣作為脫硫劑，從烘干窯出來的煙氣與脫硫塔內(nèi)的氫氧化鈉和氫氧化鈣的混合液充分反應(yīng)生成硫酸鈉和硫酸鈣，去除煙氣中的二氧化硫[6]。實(shí)踐中由于使用氫氧化鈣作為脫硫劑生成的硫酸鈣沉淀量較大，清理難度大，現(xiàn)企業(yè)已不再使用，多使用氫氧化鈉作為脫硫劑。

3.2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

設(shè)備為高22 m，直徑6.5 m的脫硫塔，脫硫塔內(nèi)的每組噴淋層由母管及其聯(lián)接的支管噴嘴組成，噴淋組件及噴嘴的布置設(shè)計(jì)均勻覆蓋吸收塔上流區(qū)的橫截面，噴淋系統(tǒng)與脫硫除塵液的循環(huán)泵相連，脫硫堿液的使用量以視煙氣量和進(jìn)入脫硫塔煙氣中SO2的濃度自動調(diào)整循環(huán)泵運(yùn)行數(shù)量，從而科學(xué)加入脫硫堿液的量，從而降低脫硫的運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)踐中氫氧化鈉堿液的含量約30%～40%左右。

塔內(nèi)自下向上內(nèi)置1+3+2+2結(jié)構(gòu)，即：一層旋流板，三層高效渦流霧化噴淋層，兩層除霧器，兩層除霧沖洗層，脫硫后的煙氣通過除霧器以減少攜帶的水滴，經(jīng)過兩層除霧器處理后的水滴攜帶量不大于75 mg/m3，另外在除霧器的上方設(shè)置噴淋裝置，定期沖洗除霧器。烘干窯煙氣經(jīng)風(fēng)機(jī)導(dǎo)入脫硫塔底部，經(jīng)過煙氣旋流板均勻上升，煙氣在塔內(nèi)上升流速一般為2.3 m/s，煙氣在塔內(nèi)停留時間為9 s，通過噴淋層的時間為2.6 s，噴淋層安裝117個高效渦流噴頭，在經(jīng)過三層渦流霧化噴淋層的同時，使煙氣中的SO2與向下噴霧的堿液氫氧化鈉進(jìn)行反應(yīng)，生成硫酸鈉和水，從而去除煙氣中的SO2。脫硫除塵后的液體通過管道自流入沉淀池再循環(huán)使用。

表2 濕式堿法脫硫前后二氧化硫濃度值

脫硫主要設(shè)備：脫硫水泵、變頻器，脫硫水泵經(jīng)變頻后的工作負(fù)荷及脫硫塔內(nèi)噴頭的數(shù)量和脫硫堿液的濃度決定了脫硫效率。

3.3 濕式靜電除塵

3.3.1 工作原理

濕式靜電除塵器的工作原理是利用高壓電暈放電使粉塵或水霧荷電，沉淀極采用蜂窩式管束結(jié)構(gòu)，每個沉淀極管對應(yīng)1根陰極電暈線，設(shè)備運(yùn)行時利用高壓靜電裝置對電暈線施加負(fù)高壓，使電暈線和沉淀管之間形成不均勻的高壓靜電場。在電場力的作用下，整個沉淀極管內(nèi)部都形成電暈區(qū)，高濃度的負(fù)離子(電子)從電暈電極向沉淀極管做定向運(yùn)動而形成電暈電流。當(dāng)含有水霧、粉塵的煙氣進(jìn)入沉淀極管時，由于離子的碰撞和擴(kuò)散，水霧和粉塵荷電，在電力場的作用下迅速抵達(dá)沉淀極管的內(nèi)壁并釋放出電荷，在沉淀極管壁形成液膜，粉塵隨液膜在重力的作用下流至集塵板，然后再用沖刷液沖洗電極，將收塵板上捕獲的粉塵沖刷到灰斗中排放到沉淀池中。需要注意的是，若集塵極上的粉塵不能及時沖刷下來，會產(chǎn)生運(yùn)行電壓下降、電暈封閉和局部腐蝕等問題。沖刷液中含有的大量懸浮顆粒物以及酸性物質(zhì)，沖洗水經(jīng)沉淀后再循環(huán)使用。

濕式靜電除塵器除塵除霧過程分為四個階段：氣體的電離、塵霧的荷電、荷電塵霧的沉集、集塵的清理。

3.3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

濕式電除塵器主要由高壓靜電發(fā)生裝置、電除霧器、進(jìn)出口煙道、除塵器殼體、導(dǎo)流板、整流格柵、陽極收塵板陰極線、絕緣箱、沖洗水系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)組成。其殼體尺寸為11.3 m×6.1 m×16 m，內(nèi)置4組陽極管模塊，共計(jì)448支陽極管所構(gòu)成。濕式電除塵器外部構(gòu)件采用普通碳素鋼，內(nèi)表面加涂層以防腐蝕。

表3 濕式電除塵前后顆粒物濃度值

濕電主要設(shè)備：電源及變電設(shè)備。

3.4 驗(yàn)收監(jiān)測報(bào)告及在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.4.1 驗(yàn)收監(jiān)測報(bào)告數(shù)據(jù)

表4 XX煤矸石燒結(jié)磚廠煙氣驗(yàn)收監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.4.2 XX煤矸石燒結(jié)磚廠煙氣在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

表5 XX煤矸石燒結(jié)磚廠煙氣在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

表5(續(xù))

綜上所述，經(jīng)過新的治理技術(shù)，各類污染物均可達(dá)標(biāo)排放，環(huán)保設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用每塊標(biāo)磚約7分錢左右。

4 結(jié)論

(1) 煤矸石燒結(jié)磚過程煙氣治理采用焙燒窯車上石灰石初步去除少量SO2-濕式雙堿脫硫-濕式靜電除塵工藝減排效果完全滿足當(dāng)前的國家及地方排放要求。

(2)源頭控制煤的含硫量。選購煤矸石在注重?zé)嶂档耐瑫r，更要選用含硫量低煤矸石，少量的助燃煤也要使用低硫煤(含硫1%以下)，以降低脫硫成本。此外，從坯體進(jìn)車、風(fēng)機(jī)頻率、窯頂投助燃煤等環(huán)節(jié)將硫的問題考慮進(jìn)去，窯頂投助燃煤時，可改用石灰拌混制成一定規(guī)格的清潔型煤，能減少投煤產(chǎn)生的硫和粉塵。

(3)不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高脫硫塔效率。從干燥窯出來的混合濕煙氣，溫度一般為40～50℃，此時的煙氣溫度，脫硫效果較差，所加入的堿液量大，而溫度越高脫硫效果越好。所以，要不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，在保證正常生產(chǎn)情況下，還要降低脫硫運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(4)目前，煤矸石燒結(jié)磚煙氣排放指標(biāo)較煤電超低排放標(biāo)準(zhǔn)還有較大差距，建議根據(jù)行業(yè)自身特點(diǎn)，逐步研究開發(fā)適合煤矸石燒結(jié)磚煙氣的超低排放技術(shù)。