廢氣量減排控制技術(shù)需求方向分析

束韞，張凡 ，黃家玉，王洪昌，朱金偉，王紅梅，田剛，鄧雙，都基峻

中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

PM2.5也稱大氣細粒子，是指空氣中空氣動力學(xué)直徑小于等于2.5 μm 的懸浮顆粒物。PM2.5的粒徑小、比表面積大，易于富集空氣中的有毒有害物質(zhì)，并可以隨著人的呼吸進入體內(nèi)，甚至進入到肺泡和血液中，導(dǎo)致各種疾病。2013年全國性霧霾天氣創(chuàng)52年之最，表明我國的大氣污染狀況已十分嚴(yán)重［1-2］，這意味著中國所面臨的PM2.5污染的壓力非常大，需要盡快研究并實施PM2.5控制對策與控制技術(shù)。霧霾與灰霾的區(qū)別主要在于空氣濕度方面的差異，濕度小于80%時基本為灰霾，大于90%時基本為霧霾［3］。

美國在20 世紀(jì)50年代，經(jīng)濟高速發(fā)展的同時也出現(xiàn)過灰霾污染現(xiàn)象，之后通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整［3］、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整［4］以及制定環(huán)保法［5］等手段，用了60年時間，基本跨過了灰霾的門檻。無論是產(chǎn)業(yè)及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，還是制定相應(yīng)法律，其實質(zhì)都是對生產(chǎn)或生活單元的廢氣量及大氣污染物的排放進行控制。其中，污染物減排是通過各種脫硫脫硝除塵及減少VOC 排放等措施實現(xiàn)，比較直接，而廢氣量減排則隱藏在能源和產(chǎn)業(yè)調(diào)整以及不同能源的利用方式中，不易被人們發(fā)現(xiàn)，但確是控制灰霾污染的重要途徑之一。

近年來，通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及環(huán)保法的制定等治理手段的實施，使我國大氣污染狀況得到了改善［6］。然而，進一步消除我國灰霾污染，仍需要采取針對廢氣量減排的技術(shù)措施。廢氣量減排技術(shù)是指根據(jù)工業(yè)廢氣特性，將工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣以廢氣循環(huán)或廢氣梯度利用的方式加以重新再利用，從而達到廢氣量、大氣污染物減排及節(jié)能的目的。因此，研究并實施廢氣量減排技術(shù)對于消除我國灰霾污染現(xiàn)狀刻不容緩。

1 現(xiàn)有廢氣量減排措施應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)外部分廢氣量減排措施應(yīng)用案例［7-10］顯示，廢氣量減排措施的應(yīng)用在實際工程中表現(xiàn)出了污染物減排、節(jié)能等特點。其應(yīng)用形式主要包括設(shè)備內(nèi)部、設(shè)備間以及企業(yè)間的廢氣循環(huán)和梯度利用技術(shù)。筆者歸納了現(xiàn)有的廢氣循環(huán)和梯度利用技術(shù)，對幾種已得到應(yīng)用的廢氣減排案例進行了分析，以期為消除我國灰霾污染提供借鑒。

1.1 新型干法水泥生產(chǎn)廢氣階梯利用技術(shù)

新型干法水泥生產(chǎn)廢氣階梯利用主要是將干法生產(chǎn)線中窯尾廢氣用于生料烘干，部分窯頭廢氣用于煤粉烘干，回轉(zhuǎn)窯助燃空氣(二次風(fēng))、分解爐助燃及預(yù)熱器預(yù)熱空氣(三次風(fēng))，實現(xiàn)了設(shè)備間廢氣的梯度利用，降低了能耗(圖1)。據(jù)報道［11-12］，該工藝將主抽風(fēng)機排出的約10%的廢氣用于生料烘干時，SO2減排約15%，NOx減排約10%，顆粒物減排約20%，每t 水泥能耗降低約5%;將排出的約15%的廢氣用于煤粉烘干，回轉(zhuǎn)窯助燃空氣(二次風(fēng))、分解爐助燃及預(yù)熱器預(yù)熱空氣(三次風(fēng))時，SO2減排約17%，NOx減排約12%，顆粒物減排約25%，每t 水泥能耗降低約9%。

圖1 新型干法水泥生產(chǎn)廢氣階梯利用示意Fig.1 Schematic diagram of flue gas gradient for modern dry process cement

1.2 鋼鐵行業(yè)燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)

燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)是將燒結(jié)過程排出的一部分載熱氣體返回?zé)Y(jié)點火器以后的臺車上再循環(huán)使用的一種燒結(jié)方法，可回收燒結(jié)廢氣的余熱，提高燒結(jié)的熱利用效率，降低固體燃料消耗。燒結(jié)工序是鋼鐵行業(yè)能耗及污染物排放大戶，國內(nèi)外的研究和工業(yè)實踐表明，燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)不但顯著減少燒結(jié)工藝生產(chǎn)的廢氣排放總量以及污染物排放量，而且還能回收廢氣中的低溫余熱，降低燒結(jié)工序能耗，節(jié)能減排效果顯著。主要技術(shù)有荷蘭的能量優(yōu)化燒結(jié)技術(shù)(EOS)，奧地利的環(huán)境型優(yōu)化燒結(jié)技術(shù)(EPOSINT)，德國的低排放能量優(yōu)化燒結(jié)技術(shù)(LEEP)和日本區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)等。實踐證明，循環(huán)廢氣中含氧量為18%以上就能滿足燒結(jié)生產(chǎn)的需要，燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量都不受影響，其污染物減排節(jié)能效果如表1 所示。

表1 各燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)污染物減排節(jié)能效果［14］Table 1 Energy conservation and emission reduction of various flue gas recycle technologies

1.3 其他廢氣減排技術(shù)

合肥水泥研究設(shè)計院從水泥窯頭抽入高溫(約700 ℃)氣體通過回轉(zhuǎn)式焚燒爐煅燒城市生活垃圾后，出爐廢氣進入分解爐，可減排8% ～10%廢氣量，節(jié)約能量約5%［15］。北京市市政工程設(shè)計研究總院利用水泥廠水泥窯中的高溫(340 ℃)廢氣作為熱源對脫水泥餅進行干化，干化中產(chǎn)生的臭氣進入水泥窯燒掉，利用水泥窯自身的設(shè)備處理尾氣，處理量為500 t/d(含水率為80%)的污泥干化/水泥窯焚燒，可減排5% ～10%廢氣量，降低燃煤消耗量的10% ～15%［16］。

從以上分析可以看出，盡管目前工業(yè)上已應(yīng)用的廢氣減排措施主要是作為節(jié)能或是清潔生產(chǎn)的一種手段來提高整體工藝的生產(chǎn)效率，但其在廢氣量及大氣污染物減排方面已展現(xiàn)出相當(dāng)?shù)臐摿?。如果能將廢氣量減排定位于大氣污染控制方向進行推廣，從廢氣循環(huán)及廢氣階梯利用兩方面進行全面拓展，勢必會對我國PM2.5減排及灰霾污染治理做出積極貢獻。因而，亟需針對我國工業(yè)生產(chǎn)工藝特點，對可減排(可循環(huán)利用及梯度利用)廢氣的特性參數(shù)進行系統(tǒng)分析，研發(fā)適用性強、環(huán)保與經(jīng)濟效益好、環(huán)境安全性高的廢氣量減排控制技術(shù)。

2 我國廢氣量減排技術(shù)需求方向分析

通過廢氣量減排技術(shù)案例分析不難發(fā)現(xiàn)，無論是廢氣循環(huán)或者廢氣階梯利用技術(shù)，要想實現(xiàn)廢氣再利用以達到節(jié)能減排的最終目的，根據(jù)工業(yè)廢氣的特性參數(shù)(廢氣成分、風(fēng)量、溫度、含氧量、熱值等)，可循環(huán)利用及梯度利用的工業(yè)廢氣需具有如下特點:1)廢氣中含氧量與空氣接近，可作為工業(yè)或電站鍋爐的助燃空氣;2)廢氣中含氧量較低，可作為固體廢物、生活垃圾、生物質(zhì)等熱解氣源;3)廢氣成分含有一定熱值，可作為工業(yè)或電站鍋爐的助燃氣體;4)廢氣具有一定余溫，余熱可回收利用，用于發(fā)電或者物料、燃料烘干?？裳h(huán)利用及梯度利用的工業(yè)廢氣除具有以上特點外，還需滿足廢氣利用后對后續(xù)整體生產(chǎn)工藝不會造成明顯不利影響。

水泥、鋼鐵及電力行業(yè)是我國工業(yè)廢氣排放大戶，這3 個行業(yè)中的某些工段產(chǎn)生的大量廢氣具有可再利用的特點，筆者就廢氣循環(huán)及廢氣階梯利用技術(shù)在我國水泥行業(yè)、鋼鐵行業(yè)、電力及其他行業(yè)的需求方向進行分析，并討論該類技術(shù)的實施所帶來的減排效果。

2.1 水泥行業(yè)廢氣量減排的技術(shù)需求

目前，我國水泥行業(yè)采用新干法水泥生產(chǎn)線的比例達90%以上，大量高溫窯頭、窯尾廢氣得到合理循環(huán)利用，但仍有部分窯頭、窯尾廢氣還可以進一步梯度循環(huán)利用。水泥行業(yè)窯頭廢氣是由熟料冷卻機風(fēng)機鼓入篦冷機，與高溫熟料熱交換后的熱風(fēng)，廢氣含氧量與空氣接近，廢氣溫度較高(圖2)。從水泥窯頭抽入高溫氣體，可作為城市生活垃圾和市政污泥焚燒用的助燃空氣，焚燒后的出爐高溫氣體隨水泥窯三次風(fēng)管進入分解爐。

圖2 水泥行業(yè)廢氣梯度及循環(huán)利用框架示意Fig.2 Schematic diagram of flue gas gradient and recycle in the cement industry

以典型水泥生產(chǎn)工藝為例，若將窯頭廢氣用于生活垃圾焚燒，可梯度利用水泥廠高溫窯頭廢氣。擬將40% ～60%的窯頭高溫(130 ～150 ℃)廢氣引入焚燒爐，廢氣溫度按照降至室溫(25 ℃)計算，則可減少水泥廠廢氣排放約10% ～15%，減排煙粉塵約10% ～20%，減排SO2約10% ～12%，減排NOx約4% ～7%，同時可減少水泥廠的煤耗5% ～8%(表2)。另外，水泥行業(yè)窯尾廢氣具有高溫、低含氧量的特點，可以通過生活垃圾熱解氣化方式消耗部分窯尾廢氣。而水泥行業(yè)無組織排放廢氣，也可以通過管道收集梯度利用于篦冷機，形成窯頭廢氣。上述窯頭廢氣、窯尾廢氣及無組織排放廢氣的梯度利用技術(shù)，目前還未能在企業(yè)中大規(guī)模推廣應(yīng)用，有待進一步的研究。

表2 水泥行業(yè)廢氣梯度及循環(huán)利用減排節(jié)能效果Table 2 Energy conservation and emission reduction of flue gas gradient and recycle in the cement industry %

2.2 鋼鐵行業(yè)廢氣量減排的技術(shù)需求

鋼鐵行業(yè)除燒結(jié)機廢氣可采用設(shè)備內(nèi)循環(huán)利用外，石灰窯、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝段產(chǎn)生的廢氣還可以進一步在設(shè)備間循環(huán)利用。不同工藝之間的廢氣也可以進一步梯度利用，如綜合原料場的廢氣可用于石灰窯熟石灰生產(chǎn)工藝，部分燒結(jié)機機尾廢氣還可以用于電站鍋爐，煉鋼轉(zhuǎn)爐廢氣可作為助燃空氣用于高爐煉鐵及電站鍋爐，焦化車間廢氣作為助燃空氣也可以用于電站鍋爐(圖3)。

圖3 鋼鐵行業(yè)廢氣梯度及循環(huán)利用框架示意Fig.3 Schematic diagram of flue gas gradient and recycle in the steel industry

以典型鋼鐵生產(chǎn)工藝為例，分別進行闡述。

(1)綜合原料場廢氣中主要是含塵廢氣，廢氣溫度為常溫(20 ～25 ℃)，一般采用密閉罩收集后經(jīng)除塵后排放，而石灰窯焙燒好的物料在豎式冷卻器中需要冷空氣冷卻，隨后由電磁振動給料機排出。若冷卻物料所用的冷空氣采用綜合原料場廢氣作為氣源，一方面考慮綜合原料場距離石灰窯較近，另一方面綜合原料場廢氣經(jīng)除塵后即可作為石灰窯冷卻氣。擬將30% ～40%的綜合原料場廢氣引入石灰窯冷卻器，以達到節(jié)能減排的目的。綜合原料場中的常溫廢氣引出，經(jīng)煙道管輸送至除塵器中，將廢氣中的顆粒、灰塵去除，再經(jīng)凈煙道管引入廢氣再循環(huán)風(fēng)機，廢氣再循環(huán)風(fēng)機將凈化后的廢氣輸送至豎式冷卻器入口，作為冷卻氣源進行循環(huán)利用。

(2)燒結(jié)系統(tǒng)分為燒結(jié)和冷卻2 個過程，由于冷卻過程產(chǎn)生的廢氣具有收集方便，溫度較高，成分固定等優(yōu)點，其應(yīng)用方式主要為余熱利用。因此部分燒結(jié)機機尾廢氣還可以用于自備電廠進行發(fā)電。將機尾的高溫(100 ℃)廢氣引出，經(jīng)煙道管直接輸送至廠內(nèi)自備熱電廠中，以利用熱廢氣中的顯熱，廢氣中的大部分污染物將在熱電鍋爐中燃燒去除，隨后廢氣進入除塵器中，將廢氣中的顆粒、灰塵去除后排放。擬將35% ～45%的機尾高溫廢氣引入自備電廠，廢氣溫度按照降至室溫(25 ℃)計算，則可減少廢氣量及污染物排放量。

(3)煉鋼轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的二次廢氣溫度較高，成分主要以粉塵為主，成分固定，可以作為助燃空氣用于高爐煉鐵。將煉鋼轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的二次高溫(110 ℃)廢氣引出，經(jīng)煙道管輸送至高爐中煉鐵，以利用熱廢氣中的顯熱。擬將20% ～30%的轉(zhuǎn)爐二次廢氣引入高爐，廢氣溫度按照降至室溫(25 ℃)計算，則可達到節(jié)能減排的目的。

(4)焦化車間采用配煤煉焦，采用的QRD -2000 型熱回收搗固式煉焦?fàn)t，搗固快速側(cè)裝煤，平接焦，濕法熄焦。備煤、篩焦車間主要產(chǎn)生煤粉塵和焦塵;煉焦車間廢氣污染物主要產(chǎn)生在焦?fàn)t加熱、裝煤出焦及熄焦過程，主要污染物為煙粉塵、SO2、NOx、CO 等，這部分廢氣主要是熱廢氣，溫度在1 000 ℃左右。利用焦?fàn)t尾部高溫廢氣作為廠區(qū)內(nèi)自備熱電廠補充氣源，進行發(fā)電，將煉焦?fàn)t中的高溫廢氣引出，經(jīng)煙道管直接輸送至廠內(nèi)自備熱電廠中，以利用熱廢氣中的顯熱，廢氣中的大部分污染物將在熱電鍋爐中燃燒去除，隨后廢氣進入除塵器中，將廢氣中的顆粒、灰塵去除后排放。擬將10% ～20%的煉焦?fàn)t廢氣引入自備熱電廠，廢氣溫度按照降至室溫(25 ℃)計算，則可減少電廠煤耗以及煉鋼工藝的污染物排放量。

綜上所述，以典型鋼鐵生產(chǎn)工藝為例，若將綜合原料場、燒結(jié)、煉鋼轉(zhuǎn)爐以及焦化車間產(chǎn)生的廢氣加以循環(huán)梯度利用，可減排廢氣量20% ～30%，減排煙粉塵約30% ～40%，減排SO2約15% ～20%，減排NOx約10% ～12%，同時減少煤耗約20% ～25%(表3)。

表3 鋼鐵行業(yè)廢氣梯度及循環(huán)利用減排節(jié)能效果Table 3 Energy conservation and emission reduction of flue gas gradient and recycle in the steel industry %

2.3 其他行業(yè)廢氣量減排的技術(shù)需求

電石、焦炭、電解鋁是高污染和高能耗產(chǎn)業(yè)。我國對電力行業(yè)的大氣污染控制標(biāo)準(zhǔn)相對較嚴(yán)，并配備了先進的脫硝、脫硫及除塵系統(tǒng)，充分利用電力行業(yè)的先進設(shè)備，將其與電石、焦炭、電解鋁等行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)聯(lián)營，可極大降低污染、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源(圖4)?？砷_發(fā)一種將電石、焦炭、電解鋁廢氣引入火力發(fā)電廠燃煤鍋爐的新技術(shù)，其工作原理是把電石、焦炭、電解鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱能廢氣(含氧量近似空氣)，作為熱空氣源直接引入電廠燃煤鍋爐爐膛燃燒，使得鍋爐燃燒工藝與電石、焦炭、電解鋁冶煉合為一體，形成發(fā)電與電石、焦炭、電解鋁等生產(chǎn)的聯(lián)產(chǎn)，利用電廠完善的大氣污染凈化系統(tǒng)一次性脫除污染物，并能產(chǎn)生附帶的節(jié)能效果。

圖4 其他行業(yè)廢氣梯度及循環(huán)利用框架示意Fig.4 Schematic diagram of flue gas gradient and recycle in the other industries

電石生產(chǎn)工藝中，氣燒石灰窯與蘭炭干燥后的廢氣主要成分是SO2、NOx和煙粉塵，廢氣含氧量在13% ～19%，廢氣溫度約200 ℃，適合作為熱空氣源直接送入熱電廠鍋爐燃燒。焦炭行業(yè)焦?fàn)t加熱煙囪廢氣中含有煙塵、SO2、NOx和CO，其排煙溫度約為220 ℃，同樣適合作為熱空氣源直接送入熱電廠鍋爐燃燒。電解鋁行業(yè)電解槽廢氣主要成分(N2、O2)與空氣成分基本相似，所不同的是含有SO2、氟化物等污染物［16］。電解鋁槽廢氣成分更接近受污染的空氣(含氧量為20%左右)，而與通常的鍋爐廢氣(含氧量小于8%)并不相同。經(jīng)干法處理后的電解槽廢氣的SO2、氟化物濃度不高，遠低于電廠鍋爐在燃燒中產(chǎn)生的SO2和氟化物濃度，不會發(fā)生爐膛腐蝕等問題。一般地，電解槽排煙溫度為100 ～200℃，適合作為熱空氣源直接送入熱電廠鍋爐燃燒。擬將上述不同工段高溫(100 ～220 ℃)廢氣引入自備熱電廠，廢氣溫度按照降至室溫(25 ℃)計算，則可實現(xiàn)電廠煤耗減低以及各工藝污染物排放量的減少。另外，廢舊家電在拆解過程中需進行破碎分離，該過程中會產(chǎn)生粉塵及有機廢氣等，以拆解冰箱為例，主要污染物為顆粒物及非甲烷總烴，將冰箱拆解廢氣替代空氣為危險廢物焚燒爐供氣，可實現(xiàn)設(shè)備間廢氣的梯度利用，降低運行費用和除塵設(shè)備投資。由于拆解行業(yè)廢氣產(chǎn)生多為無組織排放，此處并未統(tǒng)計采用廢氣循環(huán)階梯利用技術(shù)后的減排節(jié)能效果。

以典型電石、焦炭及電解鋁工藝為例，若采用上述廢氣循環(huán)階梯利用技術(shù)，各生產(chǎn)工藝的減排效果見表4。

表4 電石、焦炭及電解鋁行業(yè)廢氣梯度與火力發(fā)電串燒循環(huán)利用減排節(jié)能效果Table 4 Energy conservation and emission reduction of flue gas gradient and recycle in the calcium carbide，coke and electrolytic aluminum industries %

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，若在我國工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域(如水泥、鋼鐵、煉焦、電石、電解鋁等)全面開展廢氣再循環(huán)階梯利用技術(shù)，不僅能夠降低冷空氣的攝入量，還降低了燃煤的消耗量，同時大大減少了大氣污染物(煙粉塵、SO2、NOx等)及廢氣量的排放。除上述幾個行業(yè)可實現(xiàn)廢氣量減排外，制藥、化工玻璃以及陶瓷等行業(yè)也可進行類似工作，由此，污染物減排及節(jié)能效果將更加顯著。

3 結(jié)論

廢氣量的減排對消除我國灰霾污染至關(guān)重要。通過對我國水泥、鋼鐵及其他行業(yè)的廢氣量減排技術(shù)需求方向分析，發(fā)現(xiàn)通過廢氣循環(huán)及廢氣階梯利用技術(shù)的實施，可顯著減少我國廢氣量、SO2、NOx以及煙粉塵的排放量，這對于我國灰霾污染的治理將起到有力的推動作用。

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