淺談水泥行業(yè)廢氣治理設(shè)備的創(chuàng)新

【摘要】水泥生產(chǎn)過程中不僅產(chǎn)生大量煙塵、粉塵，還生成二氧化硫、氮氧化物、氟化物、二氧化碳、一氧化碳等有害氣體而污染大氣。本文對現(xiàn)有水泥行業(yè)廢氣治理設(shè)備的應(yīng)用與創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】水泥行業(yè)；廢氣治理；設(shè)備；創(chuàng)新；應(yīng)用

一、引言

水泥制造業(yè)是重要的基本行業(yè)，也是帶動國家民生、交通、國防等相關(guān)行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)；但另一方面，水泥制造業(yè)卻是一極為耗能、污染量大的行業(yè)，因此在國民生活水平提高、環(huán)保意識抬頭之后，水泥行業(yè)更成為民眾陳情抗?fàn)幍闹饕獙ο笾弧Ｔ谒嘀圃爝^程中，幾乎每一操作流程均有污染產(chǎn)生，其中以粒狀粉塵污染最為大家所熟知。除了粒狀污染物外，因燃煤產(chǎn)生的硫氧化物，以及旋窯高溫?zé)啥a(chǎn)生的氮氧化物也為重要的污染源，尤其NOX更成為破壞臭氧及帶來酸雨的主要污染物，近年來也更受環(huán)保單位所重視。CO2也是燃燒的主要產(chǎn)物之一，由于其是主要的溫室效應(yīng)氣體，近年來業(yè)已開始為大家所重視。

二、粒狀污染物污染物治理設(shè)備創(chuàng)新應(yīng)用

水泥制造業(yè)的粉塵產(chǎn)生來源，可分為水泥礦開采、堆置與運輸產(chǎn)生的逸散性粉塵，以及原物料準(zhǔn)備等程序產(chǎn)生的粒狀污染物。前者一般采取灑水（可添加介面活性劑、泡沫或化學(xué)藥劑等）、防塵網(wǎng)、密閉設(shè)備、道路鋪面等措施加以抑制，在此不作贅述；后者則需要采用專門的治理設(shè)備，本文重點介紹靜電收塵器與袋式收塵器為主的兩種設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用。

（一）靜電收塵器

靜電收塵器是利用電能去除粒狀物質(zhì)的高效率集塵裝置，可收集的粒狀物粒徑可小至0.1微米，收集效率在80%以上，在某些情況下效率可高達(dá)99.9%，效率的高低受氣體性質(zhì)如粒狀物粒徑大小等因素所影響。氣體進(jìn)入靜電收塵器前，一般都加設(shè)前處理單元，前處理設(shè)備包括以機(jī)械式集塵裝置收集部分大顆粒粉塵，以減輕負(fù)荷；或添加化學(xué)藥品改變氣體的物理性質(zhì)，以加強(qiáng)收集效果。靜電收塵器啟用初期通常是很有效的，但隨著使用年限的增長，其維護(hù)費用增高，收塵效率逐漸降低，甚至于還超標(biāo)排放。從未來發(fā)展的狀況來看，現(xiàn)在大型水泥生產(chǎn)線基本都全線采用袋式收塵器，而原來采用的電收塵器也逐步改造為袋式收塵器。因此，大力創(chuàng)新發(fā)展袋式收塵器已經(jīng)成為未來廢氣治理的主流設(shè)備。

（二）袋式收塵器

袋式收塵器應(yīng)采用濾袋來收集氣體中的顆粒物，從小量到大量氣體都適合處理，對于一般廢氣粒狀物的收集效率可達(dá)到99%，微細(xì)粉塵的效率可達(dá)到98～99%。袋式收塵器的形式以濾袋清洗方式來分類，大致可分成三種：機(jī)械振動清洗式；空氣逆洗式；脈沖清洗式。對于新設(shè)的水泥廠而言，應(yīng)當(dāng)使用的是脈沖式袋式收塵器。濾袋的過濾速度因集塵機(jī)型及處理氣體濃度有差異，較常使用范圍為0.5～3.0m/min，壓力損失約為150mmAq。濾袋種類的選擇應(yīng)配合氣體性質(zhì)而決定，一般處理溫度通常低于250℃，若將氣體溫度冷卻至150℃左右時，應(yīng)選擇采用較經(jīng)濟(jì)的濾袋，降低設(shè)置成本。袋式收塵器因具價格合理、處理效率較好、保養(yǎng)簡單等優(yōu)點，適合在水泥制造業(yè)、垃圾焚化爐以及預(yù)拌混凝土業(yè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。

總體而言，與電收塵器相比，袋式收塵器的主要優(yōu)點在于它具有較高的收塵效率。目前電改袋技術(shù)的研發(fā)也取得了較大的創(chuàng)新。例如，脈沖袋式收塵器的技術(shù)改造不需要拆除舊的電收塵器，也不需上游工藝很長的停機(jī)時間，就能將任何電收塵器改裝成袋式收塵器。這樣改造后，則降低了排放值、改善了流動狀況，減少了維護(hù)費用。另外一種類型的改良是電袋復(fù)合式收塵器，這是從北美開始發(fā)展起來的，目前世界上主要有二種形式，國內(nèi)應(yīng)用的還都是其中的前電后袋式。前電后袋式又分為分體式和一體式二種，分體式就是將二臺單獨獨立電收塵器和袋式收塵器中間通過管道連接成電袋復(fù)合式收塵器；而一體式是將電收塵器與袋收塵器在一個殼體之內(nèi)有機(jī)的組合在一起。

三、氮氧化物治理的設(shè)備創(chuàng)新應(yīng)用

在水泥旋窯制程中，燒成料溫度必須高達(dá)1400℃以上以確保水泥品質(zhì)，該溫度較一般燃燒設(shè)備要高，所產(chǎn)生的氮氧化物濃度也較高。一般而言，DeNOX的作法可分為由制程抑制NOX的產(chǎn)生，以及加裝管末污染防制設(shè)備將已產(chǎn)生的NOX去除等二類；原則上，應(yīng)先由制程改善著手，若仍無法達(dá)到相關(guān)管制標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)一步考慮加裝管末的污染防制設(shè)備。

（一）低氮氧化物燃燒器

影響燃燒過程N(yùn)OX生成的主要因素包括燃燒溫度、煙氣于高溫區(qū)的停留時間、以及煙氣與燃料的混合程度等。因此，在治理燃燒過程中NOX的排放方面，一般從四方向著手：空氣—燃料比；燃燒空氣的預(yù)熱溫度；燃燒區(qū)的冷卻程度；燃燒器的形狀設(shè)計。低氮氧化物燃燒器一般即考量上述的因素進(jìn)行設(shè)計，又可分為多段式燃燒及煙氣再循環(huán)等技術(shù)。

就多段式燃燒器而言，在第一段燃燒時，通常以空氣總需要的85～95%與燃料一起供應(yīng)燃燒器，由于在燃料充足下不完全燃燒，使第一段燃燒的煙氣溫度降低，同時空氣量不足，NOX生成量較??；再通過第二次供入空氣，使不完全燃燒產(chǎn)物燃盡，這時雖然有過量的空氣，但由于溫度較低，動力學(xué)上限制了NOX的形成。兩段式燃燒設(shè)計，現(xiàn)在已經(jīng)在水泥制造廠中廣為采用，未來發(fā)展應(yīng)當(dāng)逐步走向三（多）段式燃燒器。就煙氣再循環(huán)而言，其是減少NOX生成的有效方法之一，通常將部分冷卻的煙氣再送回燃燒區(qū)，如此可降低燃燒溫度，同時供氣中氧也會變低，這兩作用均會減少NOX生成。另外，根據(jù)研究及實際運用案例證實，當(dāng)燃料為天然氣或燃料油時，煙氣再循環(huán)可減少NOX生成；但燃燒煤粉過程，煙氣再循環(huán)對NOX的減少并不顯著。

（二）多段式燃燒系統(tǒng)

多段預(yù)熱系統(tǒng)（MSC）、富燃料缺氧燃燒產(chǎn)生CO來減少NOX產(chǎn)生等技術(shù)，國外水泥行業(yè)已普遍采用，其原理為于旋窯上升管道處設(shè)置一套燃燒器，使于廢氣混合處形成還原區(qū)域，以達(dá)到脫硝的目的；MSC中最具代表性的有KHD公司制造的Pyroclon-R Low NOX Precalciner，以及Krupp Polysius公司所制造的MSC系統(tǒng)。瑞士著名水泥企業(yè)Jura-Cement-Fabriken即采用Krupp系統(tǒng)，NOX實測濃度由460ppm降至295ppm，去除效率可達(dá)36%，且熟料產(chǎn)可提高25%，燃料消耗降低約6%。水泥廠的該項作法與所謂再燃燒技術(shù)為相同的原理，是利用碳?xì)浠衔镌诟邷叵路纸獾奶細(xì)渥杂苫鵆Hi（i=0～3）自由基，經(jīng)連鎖反應(yīng)將NO還原成無害的N2，其機(jī)制為在主燃區(qū)下游再注入二次燃料以形成微缺氧環(huán)境，在該此區(qū)域高溫裂解產(chǎn)生大量CHi自由基，最終將氮氧化物還原成氮氣達(dá)到減量的效果。美國環(huán)保署的資科顯示reburning技術(shù)的DeNOX效率可達(dá)60%以上。

（三）預(yù)煅燒旋窯系統(tǒng)

預(yù)鍛式旋窯是目前最新也是最有效率的一種水泥窯，美國新設(shè)置水泥窯均已采用該類型；一般而言預(yù)鍛爐前均會搭配預(yù)熱塔，以提高生料的溫度，通常預(yù)鍛爐設(shè)于預(yù)熱塔的底部，進(jìn)入旋窯入口之前。預(yù)煅燒旋窯系統(tǒng)的設(shè)計，會有一半或超過一半的燃料用于預(yù)鍛爐，以相對低溫（約1200℃）進(jìn)行燃燒，可產(chǎn)生較少的thermal NOX。同時預(yù)鍛爐也可使用廢棄物衍生燃料，如廢輪胎等。

另外，隨著經(jīng)濟(jì)的成長，建筑材料如水泥和混凝土的需求不斷提高，這一現(xiàn)象在新興經(jīng)濟(jì)體尤其明顯。全球水泥生產(chǎn)過程中CO2排放量約占全體人為CO2排放總量的8%，或占全體人為溫室氣體排放總量的6%，因此水泥業(yè)在CO2減量方面面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。水泥業(yè)為能源使用密集的產(chǎn)業(yè)，企業(yè)必須采取措施，減少碳足跡并同時降低其碳排放強(qiáng)度。具體而言，可采用如下的設(shè)備改進(jìn)措施：一是提升旋窯熱效率，新式旋窯具備預(yù)分解窯及懸浮預(yù)熱器，可明顯提升旋窯熱效率，通過持續(xù)進(jìn)行設(shè)備更新，提高設(shè)備效能，才能進(jìn)一步提升能源效率；二是提升設(shè)備用電效率，結(jié)合廢熱回收技術(shù)及高效率設(shè)備，每噸水泥耗電量可小于40度，相當(dāng)于減少2/3的廠用電。對于新設(shè)水泥行業(yè)，生產(chǎn)每噸水泥的最大耗電量指標(biāo)，水泥行業(yè)與政府部門間應(yīng)取得共識；對于現(xiàn)有水泥企業(yè)也應(yīng)朝這一目標(biāo)逐步推動。

四、小結(jié)

總體而言，據(jù)不完全統(tǒng)計，水泥行業(yè)廢氣排放總量37794億標(biāo)準(zhǔn)立方米，占全國行業(yè)廢氣排放總量的15.94%。在全國行業(yè)行業(yè)廢氣排放總量中，位于火力發(fā)電業(yè)和黑色金屬冶煉及壓延加行業(yè)之后列第三位。經(jīng)過多年的治理，盡管水泥行業(yè)的污染狀況比過往情況年已經(jīng)有了很大改觀，但從前面統(tǒng)計的數(shù)字可以看出，水泥行業(yè)的污染問題仍然嚴(yán)重，尤其是粉塵污染還是全國的第一大戶。因此，加快水泥的結(jié)構(gòu)調(diào)整，以新型設(shè)備及工藝替代傳統(tǒng)設(shè)備及落后的工藝，有效提升廢氣治理的有效性仍然十分迫切，而這也是未來技術(shù)研發(fā)的主流方向之一。

參考文獻(xiàn)

[1]王永紅，薛志鋼，柴發(fā)合，馮貴穎，王艷.我國水泥行業(yè)大氣污染物排放量估算[J].環(huán)境科學(xué)研究，2008（02）.

[2]裴守宇，徐鵬.水泥行業(yè)的環(huán)境污染與防治[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2003（S2）.

[3]馬靜玉，薛志鋼，楊衛(wèi)華，張偉.水泥行業(yè)NO_x的污染與減排[J].環(huán)境工程，2009（S1）.

[4]崔素萍，葉文娟，蘭明章，王亞麗.水泥窯爐NO_X形成機(jī)理及處理技術(shù)[J].中國水泥，2010（05）.