玻璃熔窯煙氣深度減排技術(shù)對(duì)策研究

徐 俊， 王東歌

（江蘇中建材環(huán)保研究院有限公司， 江蘇 鹽城 224051）

0 引言

我國灰霾等大氣環(huán)境問題突出，大氣污染控制已成為民眾關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然“十二五”期間我國環(huán)保工作取得較大進(jìn)展，但主要污染物總體上仍處于排放高平臺(tái)期，環(huán)境狀況不容樂觀。根據(jù)耶魯大學(xué)發(fā)布的2016年全球環(huán)境績效指數(shù)（EPI）評(píng)估報(bào)告，此次180個(gè)國家中我國排名降至109名，其中空氣質(zhì)量指標(biāo)排名倒數(shù)第2[1]。為改善當(dāng)前空氣質(zhì)量，我國各主要污染排放行業(yè)相繼出臺(tái)了更加嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，煤電行業(yè)更是提出了“超低排放”要求，以達(dá)到改善環(huán)境的目的。

目前，在大氣污染物深度減排研究領(lǐng)域，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)了多種污染控制技術(shù)，針對(duì)煤電污染物排放控制做了大量研究和實(shí)踐，但對(duì)玻璃熔窯煙氣深度減排工藝研究卻很少。玻璃行業(yè)作為高能耗、高排放行業(yè)，是我國重點(diǎn)工業(yè)污染控制行業(yè)之一[2]。隨著“十二五”期間GB 26453—2011《平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施，玻璃行業(yè)減排控制效果明顯，但距煤電等行業(yè)的減排力度還有很大差距。本文根據(jù)玻璃熔窯煙氣特性，結(jié)合現(xiàn)有的污染排放控制技術(shù)，探討得出適合玻璃行業(yè)特點(diǎn)的煙氣深度減排技術(shù)，為推動(dòng)玻璃行業(yè)煙氣污染治理提供參考。

1 玻璃熔窯煙氣特性及排放標(biāo)準(zhǔn)

1.1 玻璃熔窯煙氣特性

相比燃煤鍋爐煙氣，玻璃熔窯采用燃料不同、工藝不同，其產(chǎn)生的煙氣具有溫度高（420～520℃），煙氣量較?。ㄒ话悴怀^18萬m3/h），NOx濃度高、腐蝕性強(qiáng)且成分復(fù)雜等特點(diǎn)。

目前，國內(nèi)玻璃熔窯采用的燃料多樣，除了采用天然氣、發(fā)生爐煤氣外，還有部分企業(yè)采用重油及石油焦粉等，其燃燒產(chǎn)生煙氣往往具有更強(qiáng)腐蝕性。根據(jù)相關(guān)資料[3]，采用不同燃料的玻璃熔窯煙氣污染物含量也不同，具體見表1。

表1 不同燃料產(chǎn)生煙氣中污染物質(zhì)量濃度mg·m-3

由于在玻璃生產(chǎn)過程中，原料含有純堿、芒硝等堿金屬，投加入玻璃熔窯后會(huì)有小部分高溫分解或揮散，并最終隨煙氣排出，造成其顆粒物含有較多堿金屬，具有較強(qiáng)的粘附性、腐蝕性。資料表明[4]，不同燃料煙氣所含顆粒物的成分也有較大區(qū)別，具體見表2。如果對(duì)此類顆粒物不做前端預(yù)處理，極易導(dǎo)致后續(xù)SCR脫硝催化劑中毒，大大縮短催化劑使用壽命[5]。

表2 不同燃料煙氣中顆粒物成分%

此外，玻璃熔窯由于其特殊的生產(chǎn)工藝需要，均采用動(dòng)態(tài)換向的燃燒方式，換向時(shí)間間隔一般為20 min。在換向燃燒過程中，煙氣中 NOx，SO2，O2等含量會(huì)發(fā)生劇烈變化，大大增加煙氣治理的難度。

針對(duì)玻璃熔窯煙氣特性，在開展玻璃熔窯煙氣深度減排研究時(shí)，還需與煤電超低排放技術(shù)區(qū)分，充分系統(tǒng)地考慮其燃料及煙氣特性等因素，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，消除各種不利因素，改良設(shè)計(jì)適宜的技術(shù)方案。

1.2 玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)保部與質(zhì)監(jiān)總局發(fā)布的GB 26453—2011《平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定煙氣排放 限值為：ρ（NOx）≤ 700 mg/m3，ρ（SO2）≤ 400 mg/m3，ρ（顆粒物）≤50 mg/m3。由于環(huán)境容量有限，環(huán)境壓力越來越嚴(yán)峻，本文提出的深度減排技術(shù)路線排放限值可較現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)下降60%以上，達(dá)到更低的排放，可提前滿足越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求，避免重復(fù)投資。

2 玻璃熔窯煙氣排放控制技術(shù)分析

2.1 NOx排放控制技術(shù)

通常情況，玻璃熔窯煙氣中NOx的來源主要有3個(gè)途徑：①來源于原料分解，即原料型NOx；②來源于燃料燃燒生成，即燃料型NOx；③來源于空氣中N2和O2高溫反應(yīng)生成，即熱力型NOx，其中熱力型NOx的產(chǎn)量與溫度關(guān)系密切，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過1500℃，溫度每增加100℃，反應(yīng)速率增加6～7倍[6]。在玻璃熔窯內(nèi)，其火焰溫度一般高達(dá)1 650～2 000℃，因此玻璃熔窯煙氣中的NOx主要為熱力型，且其中NO約占 95%，NO2約占 5%[7]。

在現(xiàn)階段，針對(duì)NOx形成過程，可在合理使用燃料、改進(jìn)燃燒方式與末端治理等方面來控制氮氧化物的排放。玻璃熔窯富氧燃燒技術(shù)在燃燒過程中所需空氣量減小，而且燃燒充分完全，高溫反應(yīng)生成的NOx相應(yīng)降低。富氧燃燒技術(shù)在歐美國家研究應(yīng)用較多，美國康寧玻璃公司、PPG玻璃集團(tuán)公司等均已擁有核心技術(shù)。秦皇島玻璃設(shè)計(jì)院等國內(nèi)科研院所也對(duì)此技術(shù)做了較多研究，其在600 t/d浮法玻璃生產(chǎn)線上設(shè)計(jì)實(shí)施的分階段梯度增氧富氧燃燒技術(shù)，煙氣監(jiān)測顯示ρ（NOx）由之前的2 250 mg/m3降至1 380 mg/m3[8]，減排效果顯著。

目前，富氧燃燒技術(shù)推廣應(yīng)用較少，玻璃熔窯煙氣脫硝末端治理主要采用SCR脫硝技術(shù)，該技術(shù)操作維護(hù)簡便，也易于現(xiàn)有玻璃熔窯煙氣脫硝的實(shí)施，無需對(duì)熔窯本體進(jìn)行改造。由于玻璃熔窯煙氣具有高溫、高粘性及腐蝕性的特點(diǎn)，其煙氣SCR脫硝技術(shù)往往結(jié)合了煙氣調(diào)質(zhì)和余熱發(fā)電技術(shù)。經(jīng)過調(diào)質(zhì)預(yù)處理和除塵后的煙氣，才可進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)。SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)包括反應(yīng)器、還原劑貯存及噴射系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)，脫硝效率可達(dá)85%以上，同時(shí)可以對(duì)煙氣余熱進(jìn)行充分有效利用，真正做到節(jié)能環(huán)保。

2.2 SO2排放控制技術(shù)

煙氣中SO2主要來源于燃料燃燒生成，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家最早制定了煙氣排放相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并開始對(duì)煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。目前，濕法脫硫工藝應(yīng)用最多，常見的有石灰石-石膏法、氨法、鈉鈣雙堿法、氧化鎂法等[9]。其中，石灰石-石膏法脫硫工藝系統(tǒng)完善，在煤電行業(yè)使用較多，是技術(shù)最成熟、實(shí)用業(yè)績最多的濕法脫硫[10]。濕法脫硫的脫硫效率高，但如處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)腐蝕與結(jié)垢問題，同時(shí)還存在排煙濕度大現(xiàn)象，易形成大量白霧。干法脫硫雖然排煙濕度小，且無白霧現(xiàn)象出現(xiàn)，但脫硫效率低。而半干法脫硫不僅具有脫硫效率高的特點(diǎn)，同時(shí)也兼?zhèn)涓煞摿蚺艧煗穸刃〉膬?yōu)勢，現(xiàn)已成為玻璃熔窯煙氣脫硫技術(shù)的主流發(fā)展方向。

玻璃熔窯煙氣半干法脫硫普遍采用R-SDA技術(shù)，通過高速旋轉(zhuǎn)霧化將漿液制成微小霧滴，以與煙氣中SO2迅速反應(yīng)。此技術(shù)脫硫效果明顯，既保證效率又解決了結(jié)晶堵塞和排煙等問題，而且適用于以石油焦粉為燃料的高硫煙氣。

2.3 顆粒物排放控制技術(shù)

在煙氣治理過程中，除塵也是其中極為重要的一環(huán)。除塵效果的優(yōu)劣，不僅影響煙氣排放是否達(dá)標(biāo)，也影響其他環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行情況和使用壽命。在煙氣除塵技術(shù)領(lǐng)域，自第1臺(tái)除塵器問世至今已有百余年歷史，各國相繼開發(fā)了旋風(fēng)除塵、袋除塵、電袋復(fù)合除塵以及濕式電除塵等多種除塵技術(shù)及裝備。目前，針對(duì)高溫?zé)煔獬龎m技術(shù)研究主要有2方面：①對(duì)高溫濾袋材料的研究開發(fā)，美國西屋公司生產(chǎn)的織狀柔性陶瓷過濾器AB312，以及德國Schumacher公司的陶瓷纖維膜復(fù)合過濾材料，長期耐溫950℃[11]，KRASNYI等[12]深入研究多孔陶瓷過濾元件對(duì)含塵氣體進(jìn)行過濾，耐高溫效果良好，但造價(jià)昂貴，不適用于普通工程，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用；②對(duì)高溫電除塵器的研究開發(fā)，目前主要有德國GEA公司開發(fā)的高溫電除塵技術(shù)，可耐400℃高溫，應(yīng)用范圍較廣。玻璃熔窯出口煙氣溫度在450℃左右，因此對(duì)高溫電除塵技術(shù)進(jìn)行深度研究開發(fā)，是解決玻璃熔窯煙氣除塵問題行之有效的途徑。

3 玻璃行業(yè)熔窯煙氣深度減排技術(shù)路線

依據(jù)玻璃熔窯煙氣特性和燃燒特點(diǎn)，從環(huán)保監(jiān)管要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，在確定玻璃行業(yè)熔窯煙氣深度減排技術(shù)路線時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）熔窯的窯壓是玻璃生產(chǎn)的關(guān)鍵，必須保證煙氣處理設(shè)施運(yùn)行過程中窯壓穩(wěn)定，不影響正常的生產(chǎn)；

（2）熔窯換火期間各煙氣參數(shù)波動(dòng)大，煙氣處理設(shè)施應(yīng)能滿足負(fù)荷要求，確保做到達(dá)標(biāo)排放；

（3）玻璃熔窯煙氣溫度高，應(yīng)對(duì)余熱進(jìn)行最大程度利用，減少熱損失；

（4）在重油、石油焦粉等不同燃料煙氣環(huán)境中，均能穩(wěn)定運(yùn)行，有效脫除各污染物；

（5）玻璃熔窯煙氣成分復(fù)雜，要減少其有害成分對(duì)脫硝催化劑的毒害影響。

綜合以上原則，并依據(jù)玻璃熔窯污染物排放濃度特點(diǎn)，本文提出一條玻璃熔窯煙氣深度減排技術(shù)路線，見圖1。

圖1 玻璃熔窯煙氣深度減排技術(shù)路線

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

河南某玻璃廠有700 t/d玻璃熔窯進(jìn)行環(huán)保改造，設(shè)計(jì)煙氣量為 140 000 m3/h，原煙氣：ρ（NOx）為3 000～3500mg/m3，ρ（SO2） 為 4000mg/m3，ρ（顆粒物）為1 000 mg/m3。

4.2 工藝流程

依據(jù)上述技術(shù)路線，由于是已有熔窯進(jìn)行環(huán)保改造，采用的深度減排工藝流程為：熔窯煙氣→高溫段余熱鍋爐→干法調(diào)質(zhì)脫硫→高溫電除塵器 （三電場）→SCR脫硝→低溫段余熱鍋爐→R-SDA脫硫→布袋除塵器→煙囪，工藝流程見圖2。

圖2 河南某玻璃廠工藝流程

首先對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行改造，將余熱鍋爐高溫段和低溫段之間采用閥門隔離開。來自窯爐的高溫?zé)煔猓?50～500℃）最早進(jìn)入到余熱發(fā)電鍋爐的高溫段，經(jīng)過余熱利用，使煙氣溫度降至脫硝適宜的溫度段(350～400℃)，再從余熱發(fā)電鍋爐高溫段引出。引出的煙氣經(jīng)調(diào)質(zhì)反應(yīng)器改性，降低其粘性與腐蝕性，再進(jìn)入高溫電除塵器收塵，然后煙氣進(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)的煙道與噴入的氨水進(jìn)行充分混合均勻后。均勻混合的氨/煙氣進(jìn)入反應(yīng)器，在催化劑的作用下，反應(yīng)器內(nèi)煙氣中的NOx與氨發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氮?dú)夂退羝?，從而完成整個(gè)除塵、脫硝過程。脫硝后的凈煙氣（320～380℃）從反應(yīng)器底部進(jìn)入余熱發(fā)電鍋爐低溫段，在發(fā)電鍋爐內(nèi)充分利用余熱產(chǎn)高壓蒸汽送汽輪機(jī)發(fā)電。發(fā)電后的煙氣（200℃左右）從發(fā)電鍋爐進(jìn)入R-SDA脫硫塔內(nèi)完成脫硫，布袋除塵器再次除塵后經(jīng)煙囪排放大氣。

4.3 應(yīng)用效果

項(xiàng)目投運(yùn)后進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，運(yùn)行期間性能穩(wěn)定，顆粒物，SO2，NOx測試參照 GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》并相應(yīng)改進(jìn)。測試結(jié)果見表3。

表3 基于實(shí)測的主要污染物排放濃度

由表3可知，采用 “熔窯煙氣→高溫段余熱鍋爐→干法調(diào)質(zhì)脫硫→高溫電除塵器→SCR脫硝→低溫段余熱鍋爐→RSDA脫硫→布袋除塵器→煙囪”的工藝設(shè)計(jì)完全能夠滿足當(dāng)前國家和部分地方對(duì)于玻璃熔窯煙氣的排放要求，煙氣出口ρ（NOx）≤150 mg/m3，ρ（SO2）≤ 100 mg/m3，ρ（顆粒物）≤ 20 mg/m3。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，運(yùn)行一段時(shí)間后，如果維護(hù)不當(dāng)，各排放指標(biāo)均會(huì)有所升高，特別是顆粒物和SO2，因此運(yùn)行中的維護(hù)極其重要，尤其是煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)系到后續(xù)除塵效果以及催化劑的使用壽命。如河北某650 t/d玻璃熔窯煙氣環(huán)保設(shè)備安裝運(yùn)行1 a后，由于調(diào)質(zhì)系統(tǒng)物料輸送裝置堵塞，造成運(yùn)行故障，除塵效率隨之明顯降低，最終造成催化劑部分堵塞，其壓差由初始的750 Pa上升至1 000 Pa左右，需人工檢修清灰后才恢復(fù)正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)玻璃行業(yè)熔窯煙氣深度減排應(yīng)遵循的原則，設(shè)計(jì)的深度減排路線通常采用“熔窯煙氣→高溫段余熱鍋爐→干法調(diào)質(zhì)脫硫→高溫電除塵器→SCR脫硝→低溫段余熱鍋爐→RSDA脫硫→布袋除塵器→煙囪”工藝，此工藝減排效果完全滿足當(dāng)前的國家及地方排放要求。

（2）玻璃行業(yè)當(dāng)前常用的深度減排技術(shù)工藝流程較長，系統(tǒng)復(fù)雜，在運(yùn)行過程中需高度重視維護(hù)。建議在今后的研究中，結(jié)合如煤電行業(yè)的先進(jìn)成熟技術(shù)，不斷進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，減少工藝復(fù)雜程度。

（3）目前，玻璃行業(yè)熔窯煙氣排放指標(biāo)較煤電超低排放還有較大差距，建議根據(jù)玻璃行業(yè)自身特點(diǎn)，逐步研究開發(fā)適合玻璃熔窯煙氣的超低排放技術(shù)。