超高溫除塵技術(shù)在水泥行業(yè)應(yīng)用的探討

張松，王作杰，葛媛媛

近年來，國家環(huán)保力度不斷加大，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。GB 4915《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，自1985 年版到2013 年版，無論是監(jiān)控項(xiàng)目數(shù)量還是各項(xiàng)目限值的嚴(yán)格程度，逐版都有很大提高，前三版的限值甚至嚴(yán)于電力標(biāo)準(zhǔn)GB 13223《火電大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，但是到2014 版標(biāo)準(zhǔn)，其指標(biāo)已經(jīng)與GB 13223-2011 持平，其中某些指標(biāo)，如NOX，其排放標(biāo)準(zhǔn)限值已經(jīng)落后，與火電行業(yè)提出的“超低排放”相差更遠(yuǎn)?；痣娦袠I(yè)能實(shí)現(xiàn)“超低排放”，說明水泥行業(yè)環(huán)保技術(shù)還有很大進(jìn)步空間。本文討論了在保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，進(jìn)行窯頭電除塵器改造的情況，也討論了針對窯尾SCR 脫硝，在余熱鍋爐之前，增加高溫除塵器和SCR反應(yīng)器的工藝改造方案。通過技術(shù)改造，可解決窯頭面臨的除塵器“燒袋”風(fēng)險(xiǎn)和余熱鍋爐磨損問題，也可解決窯尾SCR技術(shù)受限問題。文中所稱超高溫袋除塵器，是為了與現(xiàn)有的水泥窯窯尾、窯頭、烘干機(jī)高溫袋除塵器區(qū)分。

1 水泥行業(yè)高溫?zé)煔庵卫憩F(xiàn)狀

水泥生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量高溫?zé)煔猓?00～450℃），其中主要污染物為粉塵、NOX、SO2等。對煙氣中的粉塵，一般采用降溫后進(jìn)入袋除塵器的方式進(jìn)行減排。在沒有余熱利用設(shè)備的系統(tǒng)中，不僅浪費(fèi)大量的余熱資源，降溫系統(tǒng)還需額外消耗大量能源。在有余熱利用設(shè)備的系統(tǒng)中，當(dāng)余熱利用系統(tǒng)檢修或出現(xiàn)“跑黃料”、高溫風(fēng)機(jī)調(diào)停等情況時(shí)，為了避免袋除塵器“燒袋”，一般會(huì)增加噴水降溫設(shè)備或空氣冷卻器等應(yīng)急降溫裝置。應(yīng)急降溫系統(tǒng)不僅提高了投資成本，占用了土地，而且增加了整個(gè)工藝系統(tǒng)的復(fù)雜度及運(yùn)維成本。更需要注意的是，降溫設(shè)備絕大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，造成了資源的浪費(fèi)。

煙氣中的氮氧化物（NOX）減排分為以低氮燃燒、分級燃燒技術(shù)為主的燃燒過程減排和以SNCR脫硝技術(shù)為主的燃燒后減排。低氮燃燒脫硝和分級燃燒脫硝效率一般＜30%[1]，因此，在排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的條件下，燃燒后的脫硝必不可少。

目前，國內(nèi)水泥廠燃燒后的脫硝基本采用SNCR技術(shù)。當(dāng)脫硝效率控制在50%～70%時(shí)，氨氮比高達(dá)1.4～1.7[2]，70%的脫硝效率無法滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的排放要求，且過量噴氨會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加和環(huán)境的二次污染。

針對水泥行業(yè)NOX的超低排放指標(biāo)（NOX≤100mg/m3（標(biāo)）），只有使用脫硝效率更高的SCR 技術(shù)可以滿足要求。SCR 已經(jīng)在火電行業(yè)超低排放中取得成功，但同時(shí)也存在一些問題，如粉塵導(dǎo)致催化劑中毒、堵塞、磨損等。在水泥行業(yè)，窯尾粉塵濃度高，且具有一定粘性，SCR 催化劑工作環(huán)境比火電行業(yè)惡劣很多，使得SCR技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用受到限制。從歐洲水泥工業(yè)應(yīng)用SCR 技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)來看，高粉塵濃度會(huì)使催化劑中毒，不僅使脫硝效率降低，也大幅縮短了催化劑使用壽命，NOX排放只能控制在200mg/m3（標(biāo)）以下，催化劑仍需頻繁更換，中毒的催化劑仍需修復(fù)[3]。

因此，在SCR脫硝之前，進(jìn)行高溫除塵，顯得尤為重要。

2 高溫除塵技術(shù)

水泥行業(yè)應(yīng)用的高溫除塵技術(shù)主要有旋風(fēng)除塵器技術(shù)和靜電除塵器技術(shù)。旋風(fēng)除塵器除塵效率低，只能用于預(yù)除塵。靜電除塵器運(yùn)行成本和維護(hù)要求高，且其除塵效率受粉塵比電阻、高壓電源及控制系統(tǒng)等多種因素的影響很大，在高溫、高濃度粉塵的情況下，靜電除塵器常常無法高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

目前，國內(nèi)外的陶瓷纖維和金屬纖維濾料在800℃以下具有良好的強(qiáng)度、耐腐蝕性和高過濾精度，可滿足高溫粉塵的超低排放要求[4]，且已成功應(yīng)用于工程項(xiàng)目中[5]。采用陶瓷纖維和金屬纖維濾料作為過濾介質(zhì)的袋式除塵器是高溫除塵系統(tǒng)的最佳選擇。

3 高溫除塵技術(shù)在窯頭改造的應(yīng)用探討

針對常規(guī)的窯頭工藝系統(tǒng)，我們提出了一種窯頭電除塵器改造技術(shù)和設(shè)備方案。該方案在保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，簡化了工藝流程，減少了設(shè)備及占地面積，降低了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提升了總體經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 直接電改袋工藝

圖2 電改袋后將余熱鍋爐后置的工藝

窯頭高溫電改袋有不改變原工藝系統(tǒng)而直接將原電除塵殼體改為高溫袋除塵器（即直接電改袋工藝）和電改袋后將余熱鍋爐后置兩種改造方式。

直接電改袋工藝如圖1 所示。直接電改袋方案與普通電改袋方案在本體改造方面類似，但不需增加其他工藝設(shè)備，施工、安裝更為簡單，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性更高，投資和綜合運(yùn)行成本更低。

電改袋后將余熱鍋爐后置的工藝如圖2所示。高溫改造后將余熱鍋爐后置，窯頭高溫含塵煙氣直接進(jìn)入改造后的高溫除塵器除塵，潔凈高溫氣體再進(jìn)入余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行余熱利用，最后通過煙囪排出。當(dāng)余熱發(fā)電系統(tǒng)離線時(shí)，高溫除塵器出口的潔凈高溫氣體可直接由高溫風(fēng)機(jī)引入煙囪排出。

鍋爐后置改造方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（4）將試板用乙醇擦拭干凈。干燥后，以試板長向的中心線為準(zhǔn)，從試板的一端與膠帶的一端對齊，順中心線向試板另一端粘過去125 mm，剩下的125 mm粘膠面與紙相貼，并將試板上的膠面壓緊。將與紙相貼部分180°反折超出試板上端25 mm。此端夾于試驗(yàn)機(jī)上端夾頭，試板之下端夾于下面夾頭。以300 mm/min的速度勻速的連續(xù)拉開，記錄其最大負(fù)荷，單位為N/25 mm。取三條試件的平均值。

（1）高溫?zé)煔庀冗M(jìn)入高溫除塵器除塵，再進(jìn)余熱發(fā)電系統(tǒng)，可消除粉塵對余熱發(fā)電系統(tǒng)的磨損、堵塞，降低余熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本；同時(shí)可消除鍋爐內(nèi)部積灰，提高鍋爐熱效率和廢氣余熱的利用，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。

（2）窯頭高溫氣體直接入除塵器，再進(jìn)入余熱發(fā)電系統(tǒng)，省去了旋風(fēng)除塵器或干擾式分離器，減小了系統(tǒng)阻力。

（3）除塵后的高溫氣體用于煤磨，可省去煤磨熱風(fēng)用除塵器，可提高煤粉燃燒效率，減少能源消耗。

（4）簡化工藝系統(tǒng)后，設(shè)備節(jié)點(diǎn)減少，減少了系統(tǒng)漏風(fēng)點(diǎn)，簡化了工藝操作，提高了可靠性，此外，還節(jié)約了廠區(qū)空間。

經(jīng)濟(jì)效益對比：

普通電改袋方案：按3年更換一批濾袋、6年換袋籠計(jì)，折合每年維護(hù)材料成本如下：

濾袋年成本：2 802×460/3=429 640元

袋籠年成本：2 802×120/6=56 040元

合計(jì)年費(fèi)用為865 680 元（未計(jì)算人工、機(jī)具、時(shí)間成本）。

高溫改造方案：過濾裝置預(yù)期壽命8～10年，按9年壽命折合每年維護(hù)材料成本計(jì)算如下：

過濾元件年成本：3 000×1 323/9=441 000元

以上未計(jì)算空冷器維護(hù)、余熱鍋爐更換管束維護(hù)成本。

高溫過濾方案雖然計(jì)算年維護(hù)材料成本偏高，但毋容置疑，整體經(jīng)濟(jì)效益可大幅提高。

4 高溫除塵技術(shù)在窯尾改造的應(yīng)用探討

針對窯尾SCR脫硝，我們提出了一種在余熱鍋爐之前，增加高溫除塵器和SCR 反應(yīng)器，先高溫除塵，再SCR 脫硝的改造方案。工藝流程如圖3 所示。

本方案優(yōu)點(diǎn)：使水泥行業(yè)可以采用SCR脫硝技術(shù)或SNCR+SCR 脫硝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)脫硝效率90%以上，滿足NOx的超低排放要求。經(jīng)除塵后的高溫?zé)煔馔ㄟ^SCR 催化劑，催化劑基本上不受粉塵影響，可提高脫硝效率，減少催化劑用量，大幅提高催化劑使用壽命。高溫?zé)煔饨?jīng)除塵脫硝后，進(jìn)入后級余熱鍋爐，可大幅減少余熱鍋爐磨損、管壁積灰，減少設(shè)備維護(hù)工作和維護(hù)資金；可提高換熱效率，保證設(shè)備長期高效運(yùn)轉(zhuǎn)。本方案利用原有增濕塔的空間位置，無需額外用地，為改造提供了有利條件。系統(tǒng)設(shè)有旁路，可保證不會(huì)因高溫除塵脫硝系統(tǒng)故障和檢修影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

考慮到水泥窯生產(chǎn)線布置緊湊，新增高溫除塵器所需占用的空間不好解決等問題，可以考慮用高溫除塵器代替預(yù)熱器一級筒，SCR 反應(yīng)器置于預(yù)熱器頂層平臺(tái)之上，工藝流程如圖4所示。

原有預(yù)熱器一級筒出口粉塵濃度達(dá)60g/m3（標(biāo)），粉塵帶走熱量約7.33×4.18kJ/kg 熟料。改為高溫除塵器后，除塵效率在99.99%以上，出口粉塵濃度在10mg/m3以下，粉塵所帶走的熱量基本能回收進(jìn)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)。5 000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線按年運(yùn)轉(zhuǎn)300d計(jì)算，可以節(jié)省標(biāo)煤1 500t/年。

圖3 高溫除塵后SCR脫硝工藝流程

5 結(jié)語

圖4 高溫除塵器替代一級筒工藝流程

文中探討的除塵技術(shù)實(shí)際正常運(yùn)行溫度并不是很高，之所以稱之為超高溫濾袋，主要是因?yàn)檫@種濾袋本身可承受的極限溫度很高（一般可達(dá)500～800℃），不用因擔(dān)心“燒袋”而采用應(yīng)急降溫措施。水泥生產(chǎn)過程中受高溫、高濃度粉塵影響，窯頭面臨袋除塵器“燒袋”風(fēng)險(xiǎn)和余熱鍋爐磨損的問題，窯尾面臨SCR技術(shù)應(yīng)用受限的問題，采用陶瓷和金屬纖維濾料的高溫袋除塵技術(shù)，可高效、穩(wěn)定地解決以上問題，帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。