水泥行業(yè)煙氣超潔凈排放的技術(shù)措施和降低運(yùn)行成本的探索
  鄭志根/蔣賽花/丁海軍
（江蘇三創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，江蘇南通226600）

       摘要：介紹江蘇三創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰驹诿摿蛎撓醭龎m超凈排放領(lǐng)域所做的探索。水泥行業(yè)氮氧化物減排難度大、成本高，且國內(nèi)鮮有將氮氧化物排放濃度成功穩(wěn)定控制在 100mg/m³以下的技術(shù)應(yīng)用案例，尋找一條可行的技術(shù)路徑使氮氧化物排放指標(biāo)滿足超低排放要求迫在眉睫。同時(shí)，顆粒物及二氧化硫減排技術(shù)雖然相對較為成熟，但如何改造以及降低治理成本仍然是當(dāng)前水泥企業(yè)亟需解決的問題。
       關(guān)鍵詞：超潔凈；技術(shù)路徑；治理成本
       0 引言： 2018 年以來，多省市連續(xù)出臺(tái)水泥工業(yè)大氣污染物特別排放值實(shí)施計(jì)劃，要求1-2 年內(nèi)，水泥行業(yè)全部完成超低排放改造，最嚴(yán)苛地區(qū)要求顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度要分別不高于 10mg/Nm³、50mg/Nm³、100mg/Nm³。我公司在超低排放上做了一些工作，運(yùn)行成本較低，工藝可行性高。
       1、我公司顆粒物不高于10mg/Nm³ 的窯頭窯尾超潔凈除塵新工藝。
       技術(shù)原理：采用濕法水幕高效除塵工藝。脫塵效率：粉塵排放濃度10mg/Nm3以下。
       設(shè)計(jì)路線：在窯頭窯尾引風(fēng)機(jī)出口進(jìn)煙囪前加除塵塔布置多層新型除霧除塵器。
       性能保證：在設(shè)計(jì)條件下，除塵塔裝置的除塵排放濃度低于10 mg/Nm3。除塵效率大于80%。； 在任何正常運(yùn)行工況下，除霧除塵器出口煙氣攜帶的水滴含量低于50mg/Nm3；煙囪入口煙氣在任何工況下不低于50℃； 除塵塔裝置可用率在正式移交后使用壽命的每年中大于98%；在裝置停運(yùn)或事故中斷恢復(fù)后，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)投入運(yùn)行。
       總的技術(shù)要求：
       （1） 每套煙氣除塵裝置在窯爐額定工況的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，能與窯爐額定工況的50%~110%相適應(yīng)，在任何情況下除塵塔裝置的除塵排放濃度低于10mg/Nm3。
       （2）煙氣除塵裝置能在窯爐額定工況下進(jìn)煙溫度加20℃裕量條件下安全連續(xù)運(yùn)行。事故狀態(tài)下，煙氣除塵裝置的進(jìn)煙溫度不得超過170℃。
       （3 ）除塵塔裝置的檢修時(shí)間為：小修每年1次（質(zhì)保期內(nèi)的小修由乙方負(fù)責(zé)），大修每4年一次。
       （4）所有室內(nèi)、外布置的設(shè)備、管道及儀表按最低氣溫條件考慮防凍措施，確保除塵系統(tǒng)能夠在該最低環(huán)境溫度條件下正常運(yùn)行、備用、檢修而不發(fā)生凍結(jié)。露天設(shè)備有有防雨設(shè)施。
       2、氮氧化物不高于100mg/m³最優(yōu)先采取的技術(shù)措施及較低的運(yùn)行成本：脫硝首先采用低氮分級(jí)燃燒技術(shù)結(jié)合SNCR技術(shù)和水泥窯垃圾協(xié)同處置固體廢物技術(shù)在降低氮氧化物的同時(shí)大幅降低運(yùn)行成本，同時(shí)減少垃圾處理投資費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。
       技術(shù)原理：采用 CO、CH4、H2、HCN和固定碳以及氨水還原氮氧化物為N2排放。采用燃料分級(jí)燃燒是指在煙室和分解爐之間建立還原燃燒區(qū)，將原分解爐用燃料的一部分均布到該區(qū)域內(nèi)，使其缺氧燃燒以便產(chǎn)生 CO、CH4、H2、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，將NOx還原成N2等無污染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒也抑制了自身燃料型NOx產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的 NOx 減排。水泥窯垃圾協(xié)同處置固體廢物技術(shù)減少氮氧化物原理與燃料分級(jí)燃燒類似，由于缺氧燃燒產(chǎn)生CO與NOX還原產(chǎn)生N2。SNCR工藝是將氨水（質(zhì)量濃度20%～25%），通過霧化噴射系統(tǒng)直接噴入合適溫度區(qū)域（850~950℃），霧化后的氨與NOx（NO、NO2 等混合物）進(jìn)行選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化成無污染的N2。當(dāng)反應(yīng)區(qū)溫度過低時(shí)，反應(yīng)效率會(huì)降低；當(dāng)反應(yīng)區(qū)溫度過高時(shí)，氨會(huì)直接被氧化成N2和NO。噴氨后爐內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O；6NO+4NH3→5N2+6H2O；6NO2+8NH3→7N2+12H2O；2NO2+4NH3 +O2→ 3N2+6H2O
       設(shè)計(jì)路線：對窯尾煙室入分解爐爐煙氣進(jìn)行整流，同時(shí)在可能的情況下，將上升煙道的直段延長，使窯內(nèi)煙氣入爐流場穩(wěn)定，降低入爐風(fēng)速，增加CO、CH4、H2、HCN和固定碳的停留時(shí)間；
在分解爐錐部和煙室設(shè)計(jì)脫氮還原區(qū)，增加了燃燒空間。在保證煤粉充分燃燒的同時(shí)，適當(dāng)增加分解爐錐部和煙室的煤粉喂入比例，保證缺氧燃燒產(chǎn)生的還原氣氛，還原窯尾煙氣中大量的NOx，產(chǎn)生良好的脫硝效率；水泥窯垃圾協(xié)同處置固體廢物可以采用垃圾回轉(zhuǎn)窯焚燒爐技術(shù)也可以采用污泥從分解爐加入的技術(shù)；SNCR噴槍設(shè)置在分解爐或C5出口合適的溫度區(qū)域。
       性能保證：在設(shè)計(jì)條件下，脫硝裝置的NOX放濃度低于100 mg/Nm3。脫硝總效率大于90%。； 脫硝裝置可用率在正式移交后使用壽命的每年中大于98%；在裝置停運(yùn)或事故中斷恢復(fù)后，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)投入運(yùn)行。
       總的技術(shù)要求：
（1） 每套煙氣除塵裝置在窯爐額定工況的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，能與窯爐額定工況的50%~110%相適應(yīng)，在任何情況下脫硝裝置的NOX排放濃度低于100mg/Nm3。
（2）根據(jù)原系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，調(diào)整C4下料點(diǎn)位置，使生料沿分解爐錐部內(nèi)部下滑，避免分解爐錐部高溫結(jié)皮現(xiàn)象；
（3）根據(jù)原系統(tǒng)三次風(fēng)入爐速度和流場分布的需要，調(diào)整三次風(fēng)入口面積大小和入爐風(fēng)速；
（4）操作上，適當(dāng)降低窯內(nèi)通風(fēng)和喂煤量，增加三次風(fēng)量和分解爐喂煤量，盡量降低窯內(nèi)過剩空氣系數(shù)，減少NOx的生成量；盡量減少系統(tǒng)用風(fēng)，在保證脫硝效率的同時(shí)可降低熟料燒成熱耗，同時(shí)系統(tǒng)阻力有所降低。
（5）脫氮區(qū)空間需能夠滿足煤粉及還原性物質(zhì)還原NOx所需的停留時(shí)間。
（6）為了提高脫NOx的效率并實(shí)現(xiàn)NH3的逃逸最小化，滿足以下條件：在氨水噴入的位置沒有火焰，粉塵濃度盡可能低；在反應(yīng)區(qū)域維持合適的溫度范圍（850~1050℃）；在反應(yīng)區(qū)域有足夠的停留時(shí)間（至少0.8秒以上，～800℃）。
       3、脫硫采用石灰石石膏法，吸收塔具有脫硫效率高運(yùn)行成本低的特點(diǎn)。在各種情況下都能將S02降到50 mg/Nm³
       技術(shù)原理：
       1）吸收。在吸收塔中，煙氣中的SO2 和S03按照以下反應(yīng)式被漿液中的水吸收：
SO2 + H2O<==> H2SO3
SO3 + H2O<==> H2SO4
       2）中和反應(yīng)
H2SO3 和 H2SO4必須很快被中和以保證有效的SO2和SO3吸收。
H2SO3、H2SO4 、HCl和HF與懸浮液中細(xì)小的石灰石微粒按以下反應(yīng)式發(fā)生反應(yīng)：
CaCO3 + H2SO3 <==>CaSO3+CO2  +H2O
CaCO3 + H2SO4 <==>CaSO4 + CO2  + H2O
CaCO3 +2 HCl<==>CaCl2 +CO2 +H2O
CaCO3 +2 HF <==>CaF2 +CO2 +H2O
以上反應(yīng)為發(fā)生在溶液中的離子反應(yīng)。
中和反應(yīng)在吸收塔漿液池中完成，漿液的停留時(shí)間保證有足夠的反應(yīng)時(shí)間，其值為：約為4min。
       3）氧化和結(jié)晶
煙氣中所含的氧量不足以氧化反應(yīng)生成的亞硫酸鈣。因此，需為吸收塔漿液提供氧化空氣。氧化空氣將把脫硫反應(yīng)中生成的亞硫酸鈣(CaSO3)氧化成硫酸鈣(CaSO4)，并結(jié)晶形成2水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)即石膏。
2 CaSO3+O2 <==>2 CaSO4
CaSO4+2H2O<==>CaSO4 . 2H2O
石膏結(jié)晶時(shí)間約為25小時(shí)。
  設(shè)計(jì)路線： FGD系統(tǒng)采用帶就地強(qiáng)制氧化的噴淋式吸收塔。該吸收塔確保壓力損失低，節(jié)省引風(fēng)機(jī)電耗，且吸收塔內(nèi)部表面無結(jié)垢、堵塞問題。
       噴淋組件之間的距離是根據(jù)所噴液滴的有效噴射軌跡及滯留時(shí)間而確定的，液滴在此處與煙氣接觸，SO2通過液滴的表面被吸收。
       進(jìn)氣口的布置是精心設(shè)計(jì)的，以保持朝向吸收塔有足夠的向下傾斜坡度，從而保證煙氣的停留時(shí)間和均勻分布。
       補(bǔ)給石灰石懸浮液進(jìn)入吸收塔漿池與石膏漿液混合。吸收塔漿池中的混合漿液由循環(huán)泵循環(huán)并配送到噴嘴，產(chǎn)生非常細(xì)小的懸浮液滴。每個(gè)運(yùn)行循環(huán)泵都連接到其各自的漿液噴淋管組。循環(huán)泵的數(shù)量和流量根據(jù)煙氣量的大小、煙氣中二氧化硫的濃度和石膏的品質(zhì)要求而確定。
       氧化和結(jié)晶主要發(fā)生在吸收塔漿池中。吸收塔漿池中的pH值由投入石灰石劑量控制，大約為5 ~ 7。吸收塔漿液池的尺寸保證能提供足夠的漿液停留時(shí)間完成亞硫酸鈣向硫酸鈣的氧化和石膏(CaSO4 . 2H2O)的結(jié)晶。
       凈化了的濕煙氣從吸收塔頂部離開系統(tǒng)。吸收塔設(shè)計(jì)成自動(dòng)控制，以便連續(xù)運(yùn)行。
       吸收塔再循環(huán)系統(tǒng)包括循環(huán)泵、管道系統(tǒng)、噴淋組件及噴嘴, 使吸收漿液及原煙氣進(jìn)行充分的接觸。這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是噴淋層的布置達(dá)到所要求的覆蓋率，從而在適當(dāng)?shù)囊?氣比（L/G）下可靠地實(shí)現(xiàn)95%以上的脫硫效率且在吸收塔的內(nèi)表面不產(chǎn)生結(jié)垢。
       循環(huán)系統(tǒng)采用單元制設(shè)計(jì)，每個(gè)噴淋層都配有一臺(tái)與噴淋層上升管道系統(tǒng)相連接的吸收塔再循環(huán)泵，從而保證吸收塔內(nèi)200%以上的吸收漿液覆蓋率。
       吸收塔配有多臺(tái)再循環(huán)泵。運(yùn)行的再循環(huán)泵數(shù)量根據(jù)吸收漿液流量的要求來選定，以適應(yīng)分解爐負(fù)荷變化而達(dá)到要求的的吸收效率。
       噴淋組件及噴嘴的布置設(shè)計(jì)成均勻覆蓋吸收塔的橫截面。一個(gè)噴淋層是由噴嘴和帶連接支管的母管制漿液分布管道組成的。
       使用由碳化硅制成的螺旋形噴嘴和FRP噴淋管道，可以長期運(yùn)行而無磨蝕、無石膏結(jié)垢及堵塞等問題。
       性能保證：通過生產(chǎn)管理和精細(xì)化操作等手段，將水泥窯尾煙氣SO2的排放濃度從200-1000g/Nm3降到50mg/Nm3的水平。
       總的技術(shù)要求：
（1）脫硫漿液制備系統(tǒng)按采用外購散裝石灰石粉設(shè)計(jì)。
（2）煙氣脫硫裝置在分解爐額定工況的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，能與分解爐額定工況的50%~110%相適應(yīng)，在任何情況下FGD裝置的SO2脫硫效率大于90 %。
（3）煙氣脫硫裝置能在分解爐額定工況下進(jìn)煙溫度加20℃裕量條件下安全連續(xù)運(yùn)行。事故狀態(tài)下，煙氣脫硫裝置的進(jìn)煙溫度不得超過180℃。
（4）FGD裝置的檢修時(shí)間為：小修每年1次，大修每4年一次；
（5）脫硫島所有室內(nèi)、外布置的設(shè)備、管道及儀表按最低氣溫條件考慮防凍措施，確保脫硫系統(tǒng)能夠在該最低環(huán)境溫度條件下正常運(yùn)行、備用、檢修而不發(fā)生凍結(jié)。露天設(shè)備需有防雨設(shè)施。
（6）脫硫系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)控制。
（7）脫硫副產(chǎn)品——石膏在脫水后含濕量不大于10%，作為水泥緩凝劑使用，無廢料。
（8）改造后風(fēng)機(jī)壓力增加800-1000Pa。；
（9）脫硫塔循環(huán)泵及氧化風(fēng)機(jī)可根據(jù)不同負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整
       4、結(jié)語：
（1）國家應(yīng)從現(xiàn)實(shí)角度出發(fā)，制定切實(shí)可行的氮氧化合物減排標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的制定既要達(dá)到控制氮氧化合物排放目的，也應(yīng)符合目前的技術(shù)現(xiàn)狀。
（2）采用和推廣分級(jí)燃料燃燒+SNCR+水泥窯協(xié)同處置固體廢物脫硝技術(shù)。單純采用SNCR技術(shù)或SCR以及臭氧加雙氧水技術(shù)不是最有效的解決方案，這三種技術(shù)存在的問題：一是大幅度提高企業(yè)的生產(chǎn)成本，二是需要消耗大量的氨水或尿素、雙氧水，這也是一種二次能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，其中SCR技術(shù)對水泥生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步探索。目前采用的分級(jí)燃燒技術(shù)+SNCR+水泥窯協(xié)同處置固體廢物脫硝技術(shù)已通過實(shí)踐驗(yàn)證，節(jié)能減排效果明顯，值得行業(yè)推廣。
（3）新型高效除塵除霧超凈排放技術(shù)既可以除塵也可以實(shí)現(xiàn)多種污染物氟化物、重金屬的聯(lián)合脫除，可有效去除SO3氣溶膠、微細(xì)粉塵(PM2.5)、細(xì)小液滴，由于耗能少，安全可靠，已通過實(shí)踐檢驗(yàn)，值得推廣。
（4）將來在水泥廠設(shè)計(jì)時(shí)必須同步考慮煙氣環(huán)保綜合治理特別是脫硫脫硝除塵。