廢氣量減排對大氣污染控制技術(shù)效率的要求

王相鳳，束韞，劉宇，田剛，譚玉玲，龍紅艷，鄧雙*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.北京化工大學(xué)，北京 100029

近年來，京津冀、長三角和珠三角等區(qū)域PM2.5污染加重，每年出現(xiàn)霧霾污染的天數(shù)達100 天以上，個別城市甚至超過200 天［1-2］。國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《大氣污染防治行動計劃》和國務(wù)院常務(wù)會議通過的《中華人民共和國大氣污染防治法(修訂草案)》明確提出將霧霾問題列為需解決的問題［3］。“霧霾”已經(jīng)作為社會熱點名詞出現(xiàn)在大眾面前，也是我國目前面臨的主要大氣環(huán)境污染問題之一。發(fā)達國家在其經(jīng)濟高速發(fā)展時也大都出現(xiàn)過霧霾現(xiàn)象，其控制措施主要是通過控制排放煙氣的污染物濃度和減少廢氣量的排放共同作用［4-5］。我國能源主要以單位熱量產(chǎn)生污染物遠大于石油和天然氣等能源的燃煤為主，因此以廢氣量減排為基礎(chǔ)的研究將為解決霧霾問題提供指導(dǎo)意見。筆者對廢氣量減排與污染物濃度關(guān)系進行分析，探討廢氣量減排對大氣污染控制技術(shù)效率的要求，進一步提出研究大氣污染控制技術(shù)的必要性。

1 廢氣量減排現(xiàn)狀與污染物的對應(yīng)關(guān)系

廢氣量減排包括3 個方面的內(nèi)容:設(shè)備內(nèi)部的廢氣量減排、設(shè)備之間的廢氣量減排和企業(yè)之間的廢氣量減排(圖1)。

圖1 廢氣量減排的幾種方式Fig.1 The patterns of wasting gas reduction

現(xiàn)有廢氣量減排案例中設(shè)備內(nèi)廢氣量減排技術(shù)主要有荷蘭的EOS 技術(shù)、奧地利的內(nèi)循環(huán)工藝EPOSINT 技術(shù)、德國的LEEP 技術(shù)、日本的區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)，而水泥窯協(xié)同處置生活垃圾是典型的設(shè)備之間廢氣量減排技術(shù)和企業(yè)之間廢氣量減排技術(shù)［6］。在典型行業(yè)廢氣量減排現(xiàn)狀下，已有的大氣污染控制技術(shù)效率能滿足排放要求。

1.1 水泥生產(chǎn)廢氣量減排與顆粒物和SO2 濃度的關(guān)系

我國是水泥生產(chǎn)大國，2013年水泥年產(chǎn)量達到24.1 ×108t，占全球的50%以上［7］。國內(nèi)單條新型干法水泥窯生產(chǎn)線熟料產(chǎn)能超過10 000 t/d［8-9］。新型干法水泥窯生產(chǎn)線是水泥行業(yè)廢氣量減排的典型技術(shù)之一，該技術(shù)利用干法生產(chǎn)線的窯尾廢氣烘干生料，部分窯頭廢氣用于煤粉烘干、回轉(zhuǎn)窯助燃空氣(二次風)、分解爐助燃及預(yù)熱器預(yù)熱空氣(三次風)，降低了能耗［10］。日本、德國等發(fā)達國家，采用以懸浮預(yù)熱和預(yù)分解為核心的新型干法水泥窯生產(chǎn)工藝，其使用率占95%［11-12］。

以某4 500 t/d 新型干法水泥窯生產(chǎn)線為例(表1)。水泥行業(yè)一般配備除塵設(shè)備，靜電除塵器的顆粒物排放濃度為40 mg/m3，在新型干法水泥窯生產(chǎn)線條件下，現(xiàn)有除塵技術(shù)能夠達到50 mg/m3排放標準，未滿足加嚴標準(30 mg/m3)［13］。電袋和布袋除塵器的顆粒物排放濃度在10 ～50 mg/m3，可滿足加嚴標準。

表1 某4 500 t/d 新型干法水泥窯污染物原始濃度和標準值對照表Table 1 The original concentration and standard values of pollutants in new dry process cement kiln (4 500 t/d)

國際上水泥窯協(xié)同處置廢物技術(shù)開始于20 世紀70年代，1974年首次試驗于加拿大Lawrence 水泥廠，隨后美國Peerless、德國Ruderdorf 等10 多家水泥廠先后進行了試驗。我國水泥窯協(xié)同處置技術(shù)起步較晚，1995年北京昌平水泥廠開始試燒廢油墨渣、油漆渣和有機廢液，2003年逐步轉(zhuǎn)入?yún)f(xié)同焚燒正常生產(chǎn)的狀態(tài)，隨后四川廣旺集團天臺水泥廠焚燒處理系統(tǒng)開始運行［14］。相較于焚燒爐內(nèi)溫度(800 ℃)，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣體溫度(1 600 ℃)較高，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)為堿性氣氛且停留時間較長，有利于對燃燒產(chǎn)生的酸性氣體等產(chǎn)生作用，也促進了重金屬元素固定在氧化物固體中。在現(xiàn)有水泥窯協(xié)同處置廢物技術(shù)生產(chǎn)條件下，水泥窯SO2濃度較低，SO2原始濃度僅為200 mg/m3，生產(chǎn)后排放濃度直接達標。

1.2 鋼鐵生產(chǎn)廢氣量減排與NOx 和SO2 濃度關(guān)系

2011年我國粗鋼產(chǎn)量約6.955 ×108t，占世界鋼鐵產(chǎn)量的45%以上。據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵行業(yè)現(xiàn)役燒結(jié)機約1 200 臺，燒結(jié)面積13 ×104m2，高爐1 370 多座。《關(guān)于推進大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量的指導(dǎo)意見》中明確指出，鋼鐵行業(yè)為防控重點行業(yè)，NOx為其重點污染物之一［15］。因此，選用鋼鐵行業(yè)探討廢氣量減排與NOx濃度關(guān)系。燒結(jié)煙氣循環(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燒結(jié)點火器以后的臺車上再循環(huán)使用的燒結(jié)方法，可回收燒結(jié)煙氣的余熱，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)煙氣循環(huán)利用技術(shù)既顯著減少燒結(jié)工藝生產(chǎn)的廢氣排放總量以及污染物排放量，又能回收煙氣中的低溫余熱、降低燒結(jié)工序能耗，節(jié)能減排效果顯著。主要技術(shù)有EOS、EPOSINT、LEEP、區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)等。據(jù)報道［16］，其節(jié)能效果達到焦粉耗量減少2 ～12 kg/t(以燒結(jié)礦計)，NOx排放量減少30% ～45%，SO2排放量減少25% ～46%。在鋼鐵行業(yè)廢氣量減排中，NOx和SO2能夠達標排放。

2 我國廢氣量減排技術(shù)需求方向

我國廢氣量減排技術(shù)需求方向:煙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;煙氣中含氧量較低，可作為固體廢物、生活垃圾、生物質(zhì)等熱解氣源;煙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;煙氣具有一定余溫，余熱可回收利用，用于發(fā)電或者物料、燃料烘干;還需滿足煙氣利用后對后續(xù)整體生產(chǎn)工藝不會造成明顯不利影響。

3 情景分析廢氣量減排技術(shù)與污染物濃度關(guān)系

以某工廠為例，假設(shè)為理想狀態(tài)(不考慮漏風率等因素)，生產(chǎn)線1 和生產(chǎn)線2 獨立運行，各生產(chǎn)線進口廢氣量(Q進)和出口廢氣量(Q出)均為α m3，電除塵器除塵效率(η塵)為99.9%，石灰石/石灰-石膏濕法脫硫效率(ηSO2)為95%，SNCR 脫硝效率(ηNO2)為50%。大氣污染物濃度以加嚴達標濃度限值計算，假定出口顆粒物濃度(c塵)為30 mg/m3，出口SO2濃度(cSO2)為200 mg/m3，出口NOx(以NO2計)濃度(cNO2)為400 mg/m3。生產(chǎn)線1 和生產(chǎn)線2 以企業(yè)之間廢氣量減排技術(shù)模式形成廢氣量減排組合后，假定進口廢氣量(Qc進)和出口廢氣量(Qc出)均為2α m3，污染物濃度不變，計算廢氣量利用效率最大值狀態(tài)下，廢氣量減排與污染物濃度關(guān)系。

3.1 廢氣量減排與顆粒物濃度關(guān)系

式中:m進塵和m出塵分別為單生產(chǎn)線除塵器進口、出口顆粒物的質(zhì)量，mg;mc進塵和mc出塵分別為組合后除塵器進口、出口顆粒物的質(zhì)量，mg。

對比式(1)和式(4)，生產(chǎn)線1 和生產(chǎn)線2 以企業(yè)之間廢氣量減排技術(shù)模式形成廢氣量減排組合，應(yīng)用廢氣量減排技術(shù)后，顆粒物排放量增加，因此，對除塵效率提出了更高的要求。

3.2 廢氣量減排與SO2 濃度關(guān)系

式中:m進SO2和m出SO2分別為單生產(chǎn)線脫硫進口、出口SO2的質(zhì)量，mg;mc進SO2和mc出SO2為組合后脫硫進口、出口SO2的質(zhì)量，mg。

對比式(5)和式(8)，生產(chǎn)線1 和生產(chǎn)線2 以企業(yè)之間廢氣量減排技術(shù)模式形成廢氣量減排組合，應(yīng)用廢氣量減排技術(shù)后，SO2排放量增加，因此，對脫硫效率提出了更高的要求。

3.3 廢氣量減排與NOx 濃度關(guān)系

式中:m進NO2和m出NO2分別為單生產(chǎn)線脫硝進口、出口NO2的質(zhì)量，mg;mc進NO2和mc出NO2分別為組合后脫硝進口、出口NO2的質(zhì)量，mg。

對比式(9)和式(12)，生產(chǎn)線1 和生產(chǎn)線2 以企業(yè)之間廢氣量減排技術(shù)模式形成廢氣量減排組合，應(yīng)用廢氣量減排技術(shù)后，NO2排放量增加，因此，對脫硝效率提出了更高的要求。

4 深度控制技術(shù)必要性

《大氣污染防治行動計劃》中提出，強化科技研發(fā)和推廣;加強脫硫、脫硝、高效除塵等方面的技術(shù)研發(fā)，推進技術(shù)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用;全面推行清潔生產(chǎn);大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟;大力培育節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)等［10］。應(yīng)用廢氣量減排技術(shù)后，污染物排放量增加，是否對現(xiàn)有污染物控制技術(shù)提出更高要求展開如下分析。

(1)廢氣量減排對顆粒物控制技術(shù)效率要求

為滿足加嚴標準，生產(chǎn)線1 和生產(chǎn)線2 以企業(yè)之間廢氣量減排技術(shù)模式形成廢氣量減排組合，假設(shè)出口顆粒物的質(zhì)量為m出塵，由3.1 節(jié)可知，其除塵效率(ηc塵)為:

(2)廢氣量減排對SO2控制技術(shù)效率要求

為滿足加嚴標準，生產(chǎn)線1 和生產(chǎn)線2 以企業(yè)之間廢氣量減排技術(shù)模式形成廢氣量減排組合，假設(shè)出口SO2的質(zhì)量為m出SO2，由3.2 節(jié)可知，其脫硫效率(ηcSO2)為:

(3)廢氣量減排對NO2控制技術(shù)效率要求

為滿足加嚴標準，生產(chǎn)線1 和生產(chǎn)線2 以企業(yè)之間廢氣量減排技術(shù)模式形成廢氣量減排組合，假設(shè)出口NO2的質(zhì)量為m出NO2，由3.3 節(jié)可知，其脫硝效率(ηcNO2)為:

結(jié)合式(13)～(15)，廢氣量減排技術(shù)的應(yīng)用對大氣污染控制技術(shù)提出了更高的要求:除塵效率提高到99.95%，脫硫效率提高到97.5%，脫硝效率提高到75%，應(yīng)加快深度減排大氣污染控制技術(shù)的開發(fā)。

5 結(jié)論與建議

(1)廢氣量減排是控制霧霾的有效途徑之一。

(2)廢氣量減排技術(shù)應(yīng)用后大氣污染物排放量有升高的可能，因而對大氣污染控制技術(shù)提出了更高的要求，將除塵效率提高到99.95%，脫硫效率提高到97.5%，脫硝效率提高到75%。

建議對全國相關(guān)行業(yè)進行廢氣量減排技術(shù)可行性分析，鼓勵開展廢氣量減排的研究與示范，研究與廢氣量減排相配套的深度大氣污染控制技術(shù)以及管理政策，實現(xiàn)具有中國特色的污染物減排和政策的創(chuàng)新。

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