王作杰
國(guó)家環(huán)境保護(hù)力度不斷加大,電力、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等工業(yè)的廢氣污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格,各行業(yè)實(shí)行廢氣超低排放勢(shì)在必行。
“超低排放”的概念是在火電廠燃煤鍋爐廢氣治理領(lǐng)域提出的,比照天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了排放限值,比目前GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的重點(diǎn)地區(qū)燃煤鍋爐特別排放限值更低。
GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》確定的燃煤鍋爐超低排放值見(jiàn)表1。
表1 GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的燃煤鍋爐超低排放值
目前火電行業(yè)絕大部分企業(yè)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了廢氣超低排放,主要是煤電鍋爐運(yùn)行中,綜合采用了多種污染物高效協(xié)同脫除技術(shù),例如90%以上鍋爐采用SCR+電袋除塵器+石灰石膏濕法脫硫技術(shù),實(shí)現(xiàn)了粉塵排放≤5mg/m3(標(biāo)),NOx≤50mg/m3(標(biāo)),SO2≤35mg/m3(標(biāo))。系統(tǒng)運(yùn)行效果良好,說(shuō)明技術(shù)是成熟可靠的,現(xiàn)行超低排放限值很可能上升為新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。水泥行業(yè)也必將全面實(shí)施。
“超低排放”受到了環(huán)保業(yè)界、地方政府乃至國(guó)家的高度重視,是新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)修訂的基礎(chǔ)。在國(guó)家青山綠水的生態(tài)文明建設(shè)的新政策下,各行業(yè)環(huán)保都在進(jìn)行“超低排放”的嘗試。從政府加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和人民追求美好生活的角度出發(fā),這個(gè)限值肯定是越低越好,但應(yīng)根據(jù)具體工業(yè)工藝過(guò)程的差異,研究最適合的環(huán)保實(shí)用技術(shù)措施,科學(xué)提出最合理的低限值。
水泥生產(chǎn)主要污染物是粉塵、氮氧化物及二氧化硫,部分地區(qū)水泥廢氣中二氧化硫含量還相當(dāng)高?,F(xiàn)有的GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定在重點(diǎn)地區(qū)主要指標(biāo)為:粉塵排放≤20mg/m3(標(biāo)),NOx≤320mg/m3(標(biāo)),SO2≤100mg/m3(標(biāo))。對(duì)比電力行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn),水泥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)寬松。按照國(guó)家環(huán)保排放監(jiān)測(cè)要求,所有水泥生產(chǎn)線主要排塵點(diǎn),特別是窯頭、窯尾及生料磨,全部設(shè)置了廢氣排放在線監(jiān)測(cè),粉塵、氮氧化物、二氧化硫等有害物排放值實(shí)時(shí)傳送到當(dāng)?shù)丶皣?guó)家環(huán)保監(jiān)測(cè)部門,限值一般按功能區(qū)和地方政府的規(guī)定執(zhí)行。雖然地方政府的規(guī)定限值一般都低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值,但實(shí)際上都沒(méi)能達(dá)到燃煤發(fā)電行業(yè)超低排放值,對(duì)氮氧化物和二氧化硫基本按照國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)上限執(zhí)行。目前我國(guó)水泥生產(chǎn)線氮氧化物減排路線實(shí)施的都是低氮燃燒+SNCR脫硝技術(shù),氮氧化物減排實(shí)際運(yùn)行效果不穩(wěn)定,而采用SNCR脫硝絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)超低排放。二氧化硫減排是近幾年才開始實(shí)施的,有干法和濕法多種實(shí)施路線。水泥生產(chǎn)有害物減排技術(shù)一直存在路線之爭(zhēng),也有多種技術(shù)路線實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用,但都沒(méi)有形成共識(shí),不像電力行業(yè)超低排放減排路線已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。
按照國(guó)家青山綠水的生態(tài)文明發(fā)展理念,我們應(yīng)該按照更高的水泥超凈排放限值要求,研究和實(shí)施我們的水泥環(huán)保技術(shù)。對(duì)于含重金屬、氟化物及水泥協(xié)同處置危廢、污泥、垃圾等工藝的有機(jī)物、二惡英等本文不加討論,只對(duì)水泥前三項(xiàng)主要污染物的“超低排放”值提出討論指標(biāo)。
水泥生產(chǎn)工藝復(fù)雜,廢氣氣體成分、性質(zhì)也比燃煤鍋爐復(fù)雜,進(jìn)一步降低水泥窯廢氣主要排放限值比燃煤鍋爐要復(fù)雜。表2提出了水泥窯超低排放的討論值和目標(biāo)值兩組數(shù)字。水泥工藝與電力工藝不同,環(huán)保技術(shù)路線不同,所能達(dá)到的結(jié)果也不同,基于此進(jìn)行分析,較合理的水泥窯超低排放限值應(yīng)定在“討論值”。但我們努力的方向必須是實(shí)現(xiàn)“目標(biāo)值”。
現(xiàn)有干法水泥熟料生產(chǎn)線窯尾系統(tǒng)工藝主要有兩種,即三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和兩風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。圖1為輥磨系統(tǒng)組成的窯尾三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)典型工藝,圖2為兩風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工藝。
三風(fēng)機(jī)系統(tǒng),即窯尾高溫風(fēng)機(jī)+窯尾廢氣風(fēng)機(jī)+生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)。雖然生料磨系統(tǒng)有多種配置方案,如球磨、輥磨、輥壓機(jī)+球磨、輥壓機(jī)+球磨及輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)等,但對(duì)于窯尾風(fēng)機(jī)配置基本一樣。三風(fēng)機(jī)分工明確,系統(tǒng)負(fù)壓平衡較好,各設(shè)備承受負(fù)壓較低,易于操作,因此這種系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用很多。
兩風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化,生料磨采用輥磨時(shí)非常合適,它簡(jiǎn)化了工藝,設(shè)備布局緊湊,投資低。但三風(fēng)機(jī)變?yōu)閮娠L(fēng)機(jī)系統(tǒng)后,系統(tǒng)設(shè)備負(fù)壓明顯提高,系統(tǒng)對(duì)設(shè)備漏風(fēng)更為敏感,需要更嚴(yán)格管理。兩風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用偏少,但在我國(guó)以海螺集團(tuán)為代表的水泥生產(chǎn)線上卻有大量應(yīng)用。實(shí)踐表明,生產(chǎn)管理得好時(shí),兩風(fēng)機(jī)系統(tǒng)會(huì)比三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能。
表2 水泥超低排放的討論值和目標(biāo)值
圖1 三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)
圖2 兩風(fēng)機(jī)系統(tǒng)
需要說(shuō)明的是,我國(guó)上世紀(jì)80年代至2000年初新建的水泥生產(chǎn)線大多沒(méi)有余熱發(fā)電系統(tǒng),后來(lái)改造增加余熱鍋爐的生產(chǎn)線很多,且當(dāng)時(shí)窯尾廢氣除塵幾乎全是電除塵器,這些鍋爐更多的是與增濕塔串聯(lián),也有受工藝布局限制采用了塔爐并聯(lián)。如果當(dāng)初采用了袋除塵器或改為了袋除塵器,完全可以采用塔爐并聯(lián)工藝布局,當(dāng)然就不符合以上所謂典型工藝系統(tǒng)。
我們介紹和分析目前水泥窯尾工藝系統(tǒng),主要目的是為后續(xù)探討不同工藝系統(tǒng)超低排放的最佳技術(shù)路線,因?yàn)榇蠖鄶?shù)水泥超低排放工程是對(duì)現(xiàn)有水泥工藝的改造。
表3 五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)主要設(shè)備串聯(lián)工藝的工況參數(shù)
粉塵治理在水泥工業(yè)領(lǐng)域一直是最受重視的,也是在所有工業(yè)廢氣治理中做得較好的,但目前超低排放實(shí)施效果也不盡如人意。高性能除塵器的研究是實(shí)現(xiàn)粉塵超低排放的關(guān)鍵,而評(píng)價(jià)除塵器性能先進(jìn)性的指標(biāo)主要有四項(xiàng):更高的除塵效率、更低的設(shè)備阻力、更可靠穩(wěn)定的設(shè)備性能和更低廉的運(yùn)行維護(hù)成本。因此,如何降低水泥廢氣粉塵排放,我們主要進(jìn)行了如下工作:
(1)確定高效除塵裝備技術(shù)路線
水泥窯尾廢氣處理系統(tǒng)都是按含生料磨烘干聯(lián)合操作廢氣考慮的,特點(diǎn)是工況參數(shù)常變,以典型的五級(jí)預(yù)熱器系統(tǒng)主設(shè)備串聯(lián)工藝為例,即圖1、2示意的工藝,至少可以產(chǎn)生如表3的工況參數(shù)。
可見(jiàn)諸多工況參數(shù)變化情況下,要實(shí)現(xiàn)超低排放,對(duì)同一臺(tái)除塵器必須考慮最惡劣的工況去計(jì)算定型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
電除塵器和袋除塵器都可達(dá)到粉塵的超低排放的限值。但從除塵機(jī)理去分析,電除塵器是靠靜電吸附的機(jī)理除塵的,必須先給粉塵顆粒荷電,荷電效果不僅與電場(chǎng)電源設(shè)備相關(guān),更與氣體的溫度、露點(diǎn)溫度、粉塵量相關(guān),且是非線性相關(guān),對(duì)溫度和露點(diǎn)溫度特別敏感。試驗(yàn)和工程實(shí)踐都證明,窯尾廢氣的露點(diǎn)溫度在30℃左右時(shí),塵粒幾乎無(wú)法荷電,電除塵效率極低,是增濕塔不能投運(yùn)的事故狀態(tài),達(dá)標(biāo)排放幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn),其他事故狀態(tài),如極線斷、極板變形都會(huì)造成除塵效率下降。若要避免此類事故,我們就要加大成本投入,考慮足夠大的備用系數(shù)來(lái)達(dá)到可靠的性能,這就迫使我們?cè)诜蹓m超低排放技術(shù)路線研究中不得不放棄終端除塵設(shè)備采用電除塵器。
袋式除塵器是治理大氣粉塵污染的高效除塵設(shè)備,最大優(yōu)點(diǎn)是除塵效率高,過(guò)濾效率與氣體溫度、露點(diǎn)溫度在較寬的適應(yīng)范圍內(nèi)幾乎無(wú)關(guān),與入口粉塵含量正相關(guān),即粉塵含量越高除塵效率越高,出口排放基本恒定。不斷出現(xiàn)的高性能過(guò)濾材料,使其粉塵過(guò)濾效率在實(shí)驗(yàn)室高達(dá)99.999 9%,對(duì)氣體成分、溫度、露點(diǎn)溫度的適應(yīng)范圍越來(lái)越廣,在實(shí)際應(yīng)用中也能達(dá)到99.99%?,F(xiàn)在的濾袋及除塵器結(jié)構(gòu)技術(shù)完全可以做到粉塵排放濃度≤10mg/m3,甚至達(dá)到2mg/m3,這是袋式除塵器的過(guò)濾機(jī)理所決定的。
圖3 自引流噴吹裝置
圖4 室內(nèi)換袋單元
因此,我們確定了研發(fā)先進(jìn)袋除塵器實(shí)現(xiàn)粉塵超低排放的技術(shù)方向。近10年來(lái),在除塵清灰高效、過(guò)濾低阻、性能可靠方面我們做了大量的研究工作,也付諸了大量實(shí)踐,很多案例成果達(dá)到了粉塵的超低排放要求。
(2)袋除塵器結(jié)構(gòu)性能研究
多年來(lái),我們一直致力于大型袋除塵器裝備的開發(fā)研制,并取得了顯著的成果。早期,我們基于引進(jìn)的富樂(lè)公司技術(shù),開發(fā)了氣箱脈沖清灰系列袋除塵器和分室風(fēng)機(jī)反吹清灰系列袋除塵器,并在水泥廠各排塵點(diǎn)成功應(yīng)用。1998年,在北京水泥廠應(yīng)用的窯尾大型高溫反吹清灰袋除塵器獲得了國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。但這種除塵器受結(jié)構(gòu)和清灰方式所限,其過(guò)濾風(fēng)速不能太高,造成設(shè)備體積相對(duì)龐大,投資很高,對(duì)于大規(guī)模(>4 000t/d)水泥熟料生產(chǎn)線尤其如此。而氣箱脈沖袋除塵器雖然過(guò)濾風(fēng)速可以提高,但不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)袋清灰,因此不適合大風(fēng)量高溫廢氣的處理。
2001年,我們開始研究行噴脈沖清灰長(zhǎng)袋袋收塵器。除塵器的新結(jié)構(gòu)采用自引流脈沖噴吹裝置(非文氏管)(圖3)和長(zhǎng)袋分排清灰,將袋長(zhǎng)由3m加長(zhǎng)到6m以上,基本解決了袋長(zhǎng)限制。2003年首次成功用于水泥生產(chǎn)線窯尾,此項(xiàng)技術(shù)獲得2005年天津市及國(guó)家建材聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),而后推廣應(yīng)用到了幾乎所有新型干法水泥生產(chǎn)線。
2005年,結(jié)合琉璃河水泥廠窯尾電除塵器改造,我們開始推出凈氣室室內(nèi)換袋結(jié)構(gòu)的袋除塵器(圖4),大大降低了整機(jī)漏風(fēng)率。
天瑞大連水泥廠有規(guī)模相同的兩條5 000t/d水泥生產(chǎn)線,建設(shè)中分別采用兩臺(tái)不同換袋形式的窯尾袋除塵器。投入運(yùn)行約一年后,從除塵效果(主要是破袋率不同引起)、運(yùn)行阻力等方面,都顯示出內(nèi)換袋型除塵器優(yōu)于頂換袋型。我們特別測(cè)試對(duì)比了除塵器本體實(shí)際漏風(fēng)率:普通結(jié)構(gòu)的頂部換袋形式袋除塵器漏風(fēng)率達(dá)12%,而室內(nèi)換袋結(jié)構(gòu)的袋除塵器漏風(fēng)率只有2.3%。當(dāng)然除塵器的漏風(fēng)率高可能是因?yàn)闄z修維護(hù)時(shí)人孔門未完全復(fù)位造成,致使窯尾廢氣風(fēng)機(jī)電能消耗巨大。
還有就是除塵器漏風(fēng)帶來(lái)的廢氣降溫,足以造成大面積本體結(jié)露和早期腐蝕。因此,我們對(duì)大型高溫或高負(fù)壓袋除塵器定型結(jié)構(gòu)全部采用室內(nèi)換袋,該結(jié)構(gòu)每一個(gè)室只有一個(gè)面積比較小的側(cè)面人孔門,而且是雙層門。
2007年,針對(duì)我們的非袋內(nèi)文氏管或保護(hù)管噴吹結(jié)構(gòu),我們又將傳統(tǒng)的圓形噴吹管(圖5)改進(jìn)為方形管(圖6),這就簡(jiǎn)化了噴嘴接口處理,提高了噴嘴定位精度和與噴管中心線垂直度公差的精度。圖6的噴嘴明顯比圖5噴嘴的定位公差和垂直度公差更易控制,因此更適合專業(yè)加工工具的應(yīng)用和提高產(chǎn)品加工效率。更重要的是,自此變更后再?zèng)]有出現(xiàn)噴嘴偏差造成的破袋案例。
圖5 方形噴吹管
圖6 圓形噴吹管
圖7 袋式除塵器數(shù)字化設(shè)計(jì)與綜合研發(fā)平臺(tái)研發(fā)技術(shù)路線
(3)實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀袋除塵器開發(fā)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段
袋除塵器結(jié)構(gòu)尺寸離散性很強(qiáng),同規(guī)模生產(chǎn)線、同一應(yīng)用點(diǎn)的袋除塵器都不盡相同,遠(yuǎn)不及電除塵器規(guī)范化程度高。主要是缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),或說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)缺乏約束力,應(yīng)用中產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)系列產(chǎn)品,同一除塵器設(shè)計(jì)制造企業(yè)也需適應(yīng)不同用戶和不同環(huán)境的要求,隨時(shí)變更結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外,國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)不斷提高,除塵器更新改造工作很多,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更是千差萬(wàn)別,從某種意義上說(shuō)袋除塵器屬于“非標(biāo)”設(shè)計(jì),這就造成了工作量巨大和除塵器實(shí)際應(yīng)用性能的參差不齊。實(shí)現(xiàn)袋除塵器產(chǎn)品質(zhì)量高、性能穩(wěn)定和設(shè)計(jì)效率高,一定需要現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)手段。
2008年初,我們開始了“袋式除塵器數(shù)字化設(shè)計(jì)與綜合研發(fā)平臺(tái)”的研發(fā)工作,歷時(shí)10年,針對(duì)袋除塵器產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)的全過(guò)程,包括結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)、過(guò)濾、清灰過(guò)程,以數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ),創(chuàng)新研發(fā)手段,準(zhǔn)確高效解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題,不斷提升袋除塵器產(chǎn)品綜合性能指標(biāo),構(gòu)建了袋式除塵器產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù),分別開發(fā)了“袋式除塵器流場(chǎng)技術(shù)仿真分析優(yōu)化系統(tǒng)”、“袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)”,建成了“袋式除塵器綜合測(cè)試平臺(tái)”、“袋式除塵器綜合驗(yàn)證平臺(tái)”和袋式除塵器性能綜合實(shí)驗(yàn)基地(圖7、8)。
研發(fā)平臺(tái)解決了袋式除塵器產(chǎn)品創(chuàng)新的行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù),包括:基于國(guó)際先進(jìn)的TRIZ的集成創(chuàng)新技術(shù)、多場(chǎng)仿真技術(shù)、產(chǎn)品快捷和定制優(yōu)化技術(shù)、數(shù)字化樣機(jī)模型及重構(gòu)技術(shù)、數(shù)字化仿真測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)及組態(tài)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等,可實(shí)現(xiàn)開發(fā)袋式除塵器新產(chǎn)品變結(jié)構(gòu)、新工藝、新型濾材等的綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)。利用平臺(tái),我們已經(jīng)完成了不同基型的袋式除塵器分風(fēng)、過(guò)濾及清灰等性能的數(shù)值模擬計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、仿真測(cè)試及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,獲取了復(fù)雜需求前端對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)律。
實(shí)際上,該綜合平臺(tái)是我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中分段研發(fā)的。首先通過(guò)數(shù)字流場(chǎng)計(jì)算的模擬,確定了公司標(biāo)準(zhǔn)袋除塵器系列及多種非標(biāo)改造的低阻結(jié)構(gòu)(圖9、10)。
項(xiàng)目技術(shù)成果應(yīng)用在公司袋除塵器設(shè)計(jì)的四大產(chǎn)品系列和幾百臺(tái)“電改袋”除塵器改造,大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,有效提升了袋除塵器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和工作可靠性,穩(wěn)定達(dá)到低排放效果,設(shè)備平均運(yùn)行阻力降低,節(jié)能環(huán)保效果明顯。圖11為幾個(gè)典型應(yīng)用案例。
圖8 袋式除塵器數(shù)字化設(shè)計(jì)與綜合研發(fā)平臺(tái)集成
圖9 低阻結(jié)構(gòu)流場(chǎng)數(shù)字模擬
圖10 定型的室內(nèi)換袋系列袋除塵器
圖11 典型應(yīng)用案例介紹
從檢測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果可見(jiàn),粉塵排放基本可以實(shí)現(xiàn)“超低排放”。
研發(fā)平臺(tái)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí),還應(yīng)用于生產(chǎn),快速解決了很多除塵器及系統(tǒng)的實(shí)際問(wèn)題。袋除塵器運(yùn)行早期出現(xiàn)破袋問(wèn)題。破袋原因很多很復(fù)雜,有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理問(wèn)題,也有除塵器前后工藝接入的進(jìn)出風(fēng)管路不合理問(wèn)題。利用該平臺(tái),我們解決了許多早期破袋問(wèn)題。例如,2009年金隅集團(tuán)收購(gòu)贊皇水泥一條未建設(shè)完成的2 500t/d水泥生產(chǎn)線后,直接委托我們將窯尾電除塵器改為袋除塵器,我們按常規(guī)在短期內(nèi)進(jìn)行了改造。生產(chǎn)線剛開始投入運(yùn)行時(shí)效果良好,但約3個(gè)月后出現(xiàn)排放超標(biāo)。我們檢查發(fā)現(xiàn),有3條破袋產(chǎn)生,且集中在后部一個(gè)室內(nèi),我們僅進(jìn)行了封堵處理。
又運(yùn)行1個(gè)月左右,出現(xiàn)了更嚴(yán)重的排放超標(biāo),濃煙滾滾。我們?cè)龠M(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn),又有十幾條濾袋破損,而且跟上次是同一個(gè)室,這次引起了我們的重視,尋找各種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題,業(yè)主甚至直接請(qǐng)來(lái)知名專家,但都沒(méi)有找到實(shí)質(zhì)問(wèn)題。我們?cè)俅魏?jiǎn)單處理后繼續(xù)生產(chǎn),隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),問(wèn)題沒(méi)有減輕的征兆,而且越來(lái)越嚴(yán)重,不得不停窯。