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水泥行業(yè)煙氣超潔凈排放的技術措施和降低運行成本的探索

發(fā)布時間：2021-02-06

水泥行業(yè)煙氣超潔凈排放的技術措施和降低運行成本的探索
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以下的技術應用案例，尋找一條可行的技術路徑使氮氧化物排放指標滿足超低排放要求迫在眉睫。同時，顆粒物及二氧化硫減排技術雖然相對較為成熟，但如何改造以及降低治理成本仍然是當前水泥企業(yè)亟需解決的問題。
關鍵詞：超潔凈；技術路徑；治理成本
0 引言： 2018 年以來，多省市連續(xù)出臺水泥工業(yè)大氣污染物特別排放值實施計劃，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。
設計路線：在窯頭窯尾引風機出口進煙囪前加除塵塔布置多層新型除霧除塵器。
性能保證：在設計條件下，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%；在裝置停運或事故中斷恢復后，能夠在極短的時間內(nèi)投入運行。
總的技術要求：
（1）每套煙氣除塵裝置在窯爐額定工況的基礎上設計，能與窯爐額定工況的50%~110%相適應，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煙溫度加20℃裕量條件下安全連續(xù)運行。事故狀態(tài)下，煙氣除塵裝置的進煙溫度不得超過170℃。
（3 ）除塵塔裝置的檢修時間為：小修每年1次（質(zhì)保期內(nèi)的小修由乙方負責），大修每4年一次。
（4）所有室內(nèi)、外布置的設備、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行、備用、檢修而不發(fā)生凍結(jié)。露天設備有有防雨設施。
2、氮氧化物不高于100mg/m³最優(yōu)先采取的技術措施及較低的運行成本：脫硝首先采用低氮分級燃燒技術結(jié)合SNCR技術和水泥窯垃圾協(xié)同處置固體廢物技術在降低氮氧化物的同時大幅降低運行成本，同時減少垃圾處理投資費用，具有良好的經(jīng)濟社會效益。
技術原理：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，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減少氮氧化物原理與燃料分級燃燒類似，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）進行選擇性非催化還原反應，將NOx轉(zhuǎn)化成無污染的N2。當反應區(qū)溫度過低時，反應效率會降低；當反應區(qū)溫度過高時，氨會直接被氧化成N2和NO。噴氨后爐內(nèi)發(fā)生的化學反應有：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O；6NO+4NH3→5N2+6H2O；6NO2+8NH3→7N2+12H2O；2NO2+4NH3 +O2→ 3N2+6H2O
設計路線：對窯尾煙室入分解爐爐煙氣進行整流，同時在可能的情況下，將上升煙道的直段延長，使窯內(nèi)煙氣入爐流場穩(wěn)定，降低入爐風速，增加CO、CH4、H2、HCN和固定碳的停留時間；
在分解爐錐部和煙室設計脫氮還原區(qū)，增加了燃燒空間。在保證煤粉充分燃燒的同時，適當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)窯焚燒爐技術也可以采用污泥從分解爐加入的技術；SNCR噴槍設置在分解爐或C5出口合適的溫度區(qū)域。
性能保證：在設計條件下，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%；在裝置停運或事故中斷恢復后，能夠在極短的時間內(nèi)投入運行。
總的技術要求：
（1）每套煙氣除塵裝置在窯爐額定工況的基礎上設計，能與窯爐額定工況的50%~110%相適應，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)的運行狀況，調(diào)整C4下料點位置，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)三次風入爐速度和流場分布的需要，調(diào)整三次風入口面積大小和入爐風速；
（4）操作上，適當降低窯內(nèi)通風和喂煤量，增加三次風量和分解爐喂煤量，盡量降低窯內(nèi)過?？諝庀禂?shù)，減少NOx的生成量；盡量減少系統(tǒng)用風，在保證脫硝效率的同時可降低熟料燒成熱耗，同時系統(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所需的停留時間。
（6）為了提高脫NOx的效率并實現(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；在反應區(qū)域維持合適的溫度范圍（850~1050℃）；在反應區(qū)域有足夠的停留時間（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行成本低的特點。在各種情況下都能將S02降到50 mg/Nm³
技術原理：
1）吸收。在吸收塔中，煙氣中的SO2 和S03按照以下反應式被漿液中的水吸收：
SO2 + H2O<==> H2SO3
SO3 + H2O<==> H2SO4
2）中和反應
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與懸浮液中細小的石灰石微粒按以下反應式發(fā)生反應：
CaCO3 + H2SO3 <==>CaSO3+CO2 +H2O
CaCO3 + H2SO4 <==>CaSO4 + CO2 + H2O
CaCO3 +2 HCl<==>CaCl2 +CO2 +H2O
CaCO3 +2 HF <==>CaF2 +CO2 +H2O
以上反應為發(fā)生在溶液中的離子反應。
中和反應在吸收塔漿液池中完成，漿液的停留時間保證有足夠的反應時間，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)晶時間約為25小時。
設計路線： FGD系統(tǒng)采用帶就地強制氧化的噴淋式吸收塔。該吸收塔確保壓力損失低，節(jié)省引風機電耗，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。
進氣口的布置是精心設計的，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間和均勻分布。
補給石灰石懸浮液進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)生非常細小的懸浮液滴。每個運行循環(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)。吸收塔設計成自動控制，以便連續(xù)運行。
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行充分的接觸。這一系統(tǒng)的設計要求是噴淋層的布置達到所要求的覆蓋率，從而在適當?shù)囊?氣比（L/G）下可靠地實現(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)采用單元制設計，每個噴淋層都配有一臺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。
吸收塔配有多臺再循環(huán)泵。運行的再循環(huán)泵數(shù)量根據(jù)吸收漿液流量的要求來選定，以適應分解爐負荷變化而達到要求的的吸收效率。
噴淋組件及噴嘴的布置設計成均勻覆蓋吸收塔的橫截面。一個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。
總的技術要求：
（1）脫硫漿液制備系統(tǒng)按采用外購散裝石灰石粉設計。
（2）煙氣脫硫裝置在分解爐額定工況的基礎上設計，能與分解爐額定工況的50%~110%相適應，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煙溫度加20℃裕量條件下安全連續(xù)運行。事故狀態(tài)下，煙氣脫硫裝置的進煙溫度不得超過180℃。
（4）FGD裝置的檢修時間為：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行、備用、檢修而不發(fā)生凍結(jié)。露天設備需有防雨設施。
（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）改造后風機壓力增加800-1000Pa。；
（9）脫硫塔循環(huán)泵及氧化風機可根據(jù)不同負荷進行調(diào)整
4、結(jié)語：
（1）國家應從現(xiàn)實角度出發(fā)，制定切實可行的氮氧化合物減排標準。標準的制定既要達到控制氮氧化合物排放目的，也應符合目前的技術現(xiàn)狀。
（2）采用和推廣分級燃料燃燒+SNCR+水泥窯協(xié)同處置固體廢物脫硝技術。單純采用SNCR技術或SCR以及臭氧加雙氧水技術不是最有效的解決方案，這三種技術存在的問題：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和環(huán)境污染，其中SCR技術對水泥生產(chǎn)工藝的適應性還有待進一步探索。目前采用的分級燃燒技術+SNCR+水泥窯協(xié)同處置固體廢物脫硝技術已通過實踐驗證，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既可以除塵也可以實現(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、微細粉塵(PM2.5)、細小液滴，由于耗能少，安全可靠，已通過實踐檢驗，值得推廣。
（4）將來在水泥廠設計時必須同步考慮煙氣環(huán)保綜合治理特別是脫硫脫硝除塵。