技術 | 水泥行業超低排放及煙氣治理技術

前言

據統計，截至2018年底，全國共有新型干法水泥生產線1681條，熟料設計生產能力約為18.2億噸，累計熟料產量14.2億t，全國累計水泥產量22.1億t。為進一步加強對水泥工業的污染物排放控制，強化大氣污染防治，促進環境空氣質量改善，2018年以來，各省市不斷加大環保力度，部分地區陸續出臺較之更加嚴格的水泥行業大氣排放標準。

水泥生產排放的污染物包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氟化物、氨等，當排放超標時，將對環境及人體健康帶來不利影響。各類主要污染物對環境及人體健康造成不利影響如下。

(1)顆粒物。顆粒物又稱塵，是大氣中的固體或液體顆粒狀物質。粒徑在0.1~1μm的顆粒物，與可見光的波長相近，對可見光有很強的散射作用，是造成大氣能見度降低的主要原因。由二氧化硫和氮氧化物化學轉化生成的硫酸和硝酸微粒是造成酸雨的主要原因，酸雨影響植物生長，對建筑物等有腐蝕作用。粒徑在3.5μm以下的顆粒物，能被吸入人的支氣管和肺泡中并沉積下來，引起或加重呼吸系統的疾病。大氣中大量的顆粒物，干擾太陽和地面的輻射，從而對地區性甚至全球性的氣候發生影響。長期接觸空氣中的污染顆粒會增加患肺癌、患心臟病的風險。

(2)二氧化硫。二氧化硫對大氣可造成嚴重污染。對人體健康的危害，易被濕潤的粘膜表面吸收生成亞硫酸、硫酸，對眼及呼吸道粘膜有強烈的刺激作用，并表現出不同程度的中毒現象。

(3)氮氧化物。氮氧化物俗稱硝煙，是氮和氧化合物的總稱，為最常見的刺激性氣體之一。NO為無色無臭的氣體，它與血紅蛋白的結合力更強，對人體更容易造成缺氧。NO₂為棕色氣體，可在人呼吸時到達肺的深部，引起呼吸系統疾病。

(4)氟化物。氟化物指含負價氟的有機或無機化合物，氟化物容易與某些高氧化態的陽離子形成穩定的配離子，含有金屬的氟化物易溶于水。然而，含氟化合物在結構上可以有很大差異，因此很難概括出氟化物的一般毒性。氟化物的毒性與其反應活性和結構有關。2017年10月27日，世界衛生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，氟化物位于(飲用水中添加的無機物)3類致癌物清單中。

(5)氨。氨通常情況下是有刺激性氣味的無色氣體，極易溶于水，易液化。氨是一種堿性物質，它對所接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用；氨通常以氣體形式吸入人體進入肺泡內，通過肺泡進入血液，與血紅蛋白結合，破壞運氧功能。氨的溶解度極高，所以主要對動物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用，減弱人體對疾病的抵抗力。

(1)標準中的特別排放限值。國標《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915-2013)中規定特殊地區水泥窯及窯尾特排排放標準為：顆粒物20mg/m3、二氧化硫100mg/m3、氮氧化物320mg/m3。一些省份及地區為加強本地水泥工業環保排放控制，改善大氣環境質量，也發布了相關地方排放標準，具體見表1。

(2)地方超低排放限值。2018～2019年間，國家及地方陸續頒發了“藍天保衛戰”、大氣污染防治“三年作戰計劃”等相關文件，地方陸續對水泥窯廢氣中的主要污染物提出了超低排放限值要求，見表2。

水泥行業中水泥窯煙氣是最主要、最關鍵的廢氣排放源，煙氣治理由脫硝、除塵兩個重要環節構成。由于水泥生產工藝的特殊性，水泥窯煙氣溫度高，產生的熱力型氮氧化物濃度高，脫硝難度大；水泥窯窯內為堿性環境，預熱器及分解爐的堿性物料在高溫區域對窯尾燃煤排放出來的二氧化硫具有很高的捕捉力，通常情況下水泥原料中低價硫含量不高，在正常的水泥窯運行條件下，窯尾二氧化硫排放濃度很低，因此水泥窯煙氣通常無需末端脫硫措施。

水泥窯煙氣凈化工藝較多，當前，煙氣常用脫硝技術包括低氮燃燒技術、選擇性非催化還原技術(SNCR)、選擇性催化還原技術(SCR)、生產控制等；除塵技術為袋式除塵器、電除塵器以及電袋復合除塵器。

3.1 氮氧化物治理技術

(1)低氮燃燒技術。低氮氧化物燃燒技術主要包括低氮燃燒器和分解爐分級燃燒技術。低氮燃燒器通過增加燃燒器風道，降低一次空氣比例，使煤粉分級燃燒。燃料在高溫區停留時間短，可減少氮氧化物產生量5％～15％。分解爐分級燃燒技術利用助燃風分級或燃料分級加入，減少分解爐內氮氧化物的生成，并通過控制燃燒過程，還原爐內的氮氧化物，可減少氮氧化物產生量10％～20％。低氮燃燒器和分解爐分級燃燒技術聯合使用，可減少氮氧化物產生量20％～30％。

(2)選擇性非催化還原技術(SNCR)。選擇性非催化還原法(SNCR)是將氨或尿素等還原劑噴入爐內之高溫區，將氮氧化物分解成N₂與O₂的方法。若為提高氮氧化物的去除效率，而增加藥劑噴入量時，未反應的氨會殘留在煙氣中，與煙氣中的HCI反應，而產生氣態氯化銨，導致銨鹽沉積在鍋爐省煤器

上，氮氧化物去除率為40％～60％。

(3)選擇性催化還原法(SCR)。SCR是在水泥窯預熱器出口處安裝催化反應器，在反應器前噴入還原劑(如氨水或尿素)，在適當的溫度(300～400℃)和催化劑作用下，將煙氣中的氮氧化物還原成氮氣和水。該技術氮氧化物去除效率可達85％～90％。

從目前SCR技術的發展情況來看，有兩種選擇：一是將SCR設備安裝在除塵器之前，這時煙氣溫度較高，可滿足催化還原反應要求，但由于粉塵濃度過高，會造成催化劑磨損和堵塞。另一種選擇是將SCR設備安裝在除塵器之后，這時粉塵濃度非常低，沒有了催化劑堵塞問題，但由于溫度下降較多，催化還原反應溫度不夠。

3.2 顆粒物治理技術

除塵系統的核心是各種除塵器，主要有袋式除塵器、電除塵器、電袋復合除塵器等。目前水泥工業應用較多的是袋式除塵器。袋式除塵器是一種利用有機或無機纖維過濾布將含塵氣體中的粉塵過濾出來的凈化設備，因濾布多做成袋式，所以稱袋式除塵器。袋式除塵器采用深層過濾或表面過濾的過濾機理將粉塵阻擋在濾布外部而通過潔凈氣體，為維持持續穩定的處理能力和較高的凈化效率，需要采取清灰機構將附著的粉塵抖落。袋式除塵器具有除塵效率高、適應性強、維護簡單等優點。

表3 水泥窯氮氧化物控制措施及效果

水泥行業長期以來被認為是高污染、高能耗工業，打造綠色工廠不但是改善水泥行業形象的需要，也是積極承擔社會責任，超低排放是建設生態文明與推動行業綠色轉型升級的必走之路。在生態文明建設持續推進的大背景下，環保標準提升是行業發展的必然趨勢，水泥工業的大氣污染物防治也將開啟一個全新的階段。

目前國內氮氧化物超低排放治理技術有“SN-CR+SCR”、全系統綜合脫硝技術，經氮氧化物減排技術綜合應用后，氮氧化物排放濃度可達到50mg/m3。采用布袋除塵器對水泥窯煙氣中顆粒物進行脫除后，窯尾顆粒物排放濃度可滿足本標準中制定的顆粒物排放限值(10mg/m3)。

作者：李小明，林勇

來源：《福建水泥股份有限公司》

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