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干货|水泥工业污染控制技术分析

2018年04月27日作者:来源:智慧水泥

  从水泥工业污染控制历程来看,过去主要是控制颗粒物排放,近年来随着人们对NOx污染的认知,NOx污染控制越来越受到重视。

  1、颗粒物

  水泥工业目前使用的除尘技术主要是布袋除尘以及电袋复合除尘器。水泥窑的窑头、窑尾,采用布袋除尘器或电袋复合除尘器均可,根据烟气性质,一般需要对烟气降温调质,采用增湿等措施将高温气体降到150℃以下和适宜的比电阻(<1011Ω.cm)。其他通风生产设备、扬尘点大多采用布袋除尘器。

  (1)布袋除尘

  布袋除尘技术是利用纤维织物的过滤作用(纤维过滤、膜过滤和颗粒过滤)对含尘气体进行净化。它处理风量范围大、使用灵活,适用于水泥工业各个工序废气的除尘治理。

  选择适当的过滤材料是布袋除尘器的关键,目前可供选择的滤料材质主要有涤纶(聚酯)、丙纶(聚丙烯)、亚克力(聚丙烯腈)、pps(聚苯硫醚)、诺梅克斯(芳香族聚酰胺)、玻璃纤维、P84(聚亚酰胺)和PTFE(聚四氟乙烯)覆膜滤料等。

  目前大部分水泥熟料生产企业窑尾布袋除尘器过滤材料均选用覆膜滤料,布袋除尘技术的除尘效率可达99.80-99.99%,窑尾颗粒物排放浓度可控制在10mg/m3以下,甚至更低,运行费用主要来自于更换滤袋和引风机电耗。

  (2)电袋复合

  电袋复合除尘器,就是在除尘器的前部设置一个除尘电场,发挥电除尘器在第一电场能收集80-90%粉尘的优点,收集烟气中的大部分粉尘,而在除尘器的后部装设滤袋,使含尘浓度低的烟气通过滤袋,这样可以显著降低滤袋的运行阻力,延长清灰周期,缩短脉冲宽度,降低喷吹压力,延长滤袋的使用寿命,相应减少了运行维护成本。

  电袋复合除尘技术特别适用于原有静电除尘器的改造,它充分结合了电、袋除尘的优点,除尘效率可达99.80-99.99%,颗粒物排放浓度小于10mg/m3,甚至更低。

  2、氮氧化物

  水泥窑型对NOx排放有重大影响,新型干法工艺能显著降低NOx排放。NOx的产生于燃烧状况密切相关,因此可采取工艺控制措施,如低NOx燃烧器、分解炉分级燃烧。也可采用末端治理的方法,如SNCR、SCR,是有效去除NOx的环保措施。

  (1)清洁生产工艺

  新型干法水泥生产用燃料分别从窑头和分解炉喷入,窑头煤粉燃烧最高温度可达1600℃以上,且烧成废气在高温区停留时间较长;煤粉在分解炉处于无焰燃烧状态,燃烧温度为900℃左右。由于60%的燃烧料在分解炉内燃烧,燃烧温度低,在此几乎没有热力型NOx生成,只产生燃料型NOx,因此与普通回转窑(2.4kgNOx/t熟料)相比,削减了1/3的NOx排放,可使新型干法工艺NOx排放量控制在1.6kgNOx/t熟料。

  (2)工艺控制措施

  工艺控制措施主要是应用低NOx燃烧器、分解炉分级燃烧,以及保证水泥窑的均衡稳定运行。

  低NOx燃烧器具有多通道设计,一般为三、四通道,分为内风、煤风、外风,各有不同的风速和风向(轴向、径向),在出口汇合形成同轴旋转的复杂射流。操作时通过调整内、外风速和风量比例,可以灵活调节火焰形状和燃烧强度,使煤粉分级燃烧,减少在高温区的停留时间,相应减少了NOx产生量。

  分解炉分级燃烧包括空气分级和燃料分级两种,都是通过对燃烧过程的控制,在分解炉内产生局部还原性气氛,使生成的NOx被部分还原,从而实现水泥窑系统NOx减排。

  工艺波动会造成水泥窑NOx浓度的剧烈变化(NOx浓度可以作为水泥窑工艺控制参数),需要保持水泥窑系统的均衡稳定运行。通过保持适宜的火焰形状和温度,减少过剩空气量,确保喂料量和喂煤量准确均匀稳定,可有效降低NOx排放。

  上述工艺控制措施综合使用,大约可降低30~70%的NOx排放量,相应NOx排放浓度可控制在300-600mg/m3,相当于末端治理前初始浓度在300-600mg/m3。

  (3)末端治理措施

  目前应用较多、相对成熟的末端治理措施是选择性非催化还原技术(SNCR),选择性催化还原技术(SCR)还在进一步示范完善中。

  SNCR是以分解炉膛为反应器,通过向高温烟气(850-1100℃)中喷入还原剂(常用液氮、氨水和尿素),将烟气中的NOx还原成氮气和水。该技术系统简单,NOx去除效率约60-70%,排放浓度可控制在100-240mg/m3。

  工艺过程控制(低氮燃烧+分解炉分级燃烧)+末端治理SNCR,排放浓度可控制在100-240mg/m3。

  SCR是在水泥窑预热器出口处安装催化反应器,在反应器前喷入还原剂(如氨水或尿素),在适当的温度(300-400℃)和催化剂作用下,将烟气中的NOx还原成氮气和水。该技术NOx去除效率可达85-90%,排放浓度可控制在100mg/m3左右。

  从目前SCR技术的发展情况来看,有两种选择:一是将SCR设备安装在除尘器之前,这时烟气温度较高,可满足催化还原反应要求,但由于粉尘浓度过高,会造成催化剂磨损和堵塞。另一种选择是将SCR设备安装在除尘器之后,这时粉尘浓度非常低,没有了催化剂堵塞问题,但由于温度下降较多,催化还原反应温度不够。

  目前大多数专家倾向于将SCR设备安装在除尘器之后,希望通过加温的方式将烟气温度提高,从而满足SCR的催化还原反应温度要求。SCR技术一次投资较大,运行成本主要取决于催化剂的寿命。由于水泥窑尾废气粉尘浓度高,且含有碱金属,易使催化剂磨损、堵塞和中毒,需要采用可靠的清灰技术和合适的催化剂。

  要稳定达到拟定标准提出的排放限值,企业需进一步进行技术改造。

  一是采用SCR脱硝工艺。SCR脱硝效率高,脱除率可达到90%以上,应用后可稳定达到标准限值。目前,清华大学SCR选择性催化还原脱硝技术已有研究成果,金隅冀东水泥、中建材等行业集团也在进行深入技改试验。

  二是在企业目前采取的“低氮燃烧+分解炉分级燃烧+SNCR”联合脱硝工艺基础上深度技改。包括对脱硝设施的各个分块系统深入技改、分级燃烧系统升级改造、在氨逃逸不超标的前提下,增加氨使用量,提高氮氧化物脱除率等措施,也可将氮氧化物的排放限值降低到排放限值,但SNCR脱硝效率最佳70%,一般情况脱硝效率在60%-70%之间,且脱硝效率受窑皮的掉落、来料波动、窑内烧成气氛等工艺状况影响较大,脱硝稳定性较差。

  3、其他污染物

  水泥窑的高温、长停留时间、氧化气氛、碱性条件,有利于酸性气体(HCL、SO2)、有机物的去除,重金属(Hg除外)固结在水泥熟料中,因此其他大气污染物排放量很少,SO2能控制在50mg/m3以内。

  4、无组织排放控制

  水泥工业的粉尘无组织排放是一个突出的环境问题,2016年发布实施的《煤场、料场、渣场扬尘污染控制技术规范》(DB13/2352-2016)针对水泥行业物料运输、装卸、存储提出了具体的污染控制技术要求,可有效降低粉尘无组织排放。

  附录:世界主要国家水泥工业大气污染物排放标准比较

  (1)美国

  美国在联邦法规典40CFR60SubpartF中列出了针对水泥行业常规大气污染物的排放控制限值,排放限值见表3,其限值制定是基于最佳示范技术(BDT)

 

  (2)欧盟

  欧盟在其综合污染预防与控制(IPPC)指令中,对各典型行业(包括水泥行业)提出污染物排放要求。为配合IPPC指令以及许可证制度的实施,根据各成员国和工业部门的信息交流成果,欧盟委员会出版了33份行业BAT参考文件(BREF)。水泥行业BAT文件最初发布于2001年12月,最新的文件是2010年5月,相应BAT排放要求见下表。

 

  (3)德国

  德国在《联邦排放控制法》下辖的《空气质量控制技术指南》中规定了对水泥工业的大气污染排放限值。最新版(2002年)的《空气质量控制技术指南》对水泥行业的污染物排放要求为:颗粒物20mg/m3、SO2350mg/m3、NOx500mg/m3(一般行业为350mg/m3)、氟化物3mg/m3。

  (4)日本

  日本对水泥工业的颗粒物排放限值区分了一般地区和特殊地区,一般地区的限值为100mg/m3,特殊地区的限值为50mg/m3。

  日本对水泥工业的NOx排放限值要求为500mg/m3和700mg/m3。

  本标准限值与国外相关标准对比见下表(只列水泥窑的)。

 


编辑:治废专家03

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