玻璃熔窯煙氣除塵、脫硫、脫硝協(xié)同治理技術的篩選與評估*

周 榮 胡榮祥 吳 建 朱 俊 袁海英

(1.浙江省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院,浙江 杭州 310007；2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020；3.衢州市清泰環(huán)境工程有限公司，浙江 衢州 324000)

我國有很多玻璃工業(yè)生產(chǎn)線，而玻璃熔窯煙氣的單位質(zhì)量污染物排放量比燃煤電廠高出數(shù)倍，因此玻璃工業(yè)已是目前工業(yè)爐窯大氣污染防控的重點[1]。我國已分別于2011、2013年發(fā)布施行平板玻璃[2]、電子玻璃[3]工業(yè)大氣污染物排放標準，都要求新建企業(yè)玻璃熔窯顆粒物(PM)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)排放質(zhì)量濃度分別小于50、400、700 mg/m3。2015年發(fā)布了日用玻璃、玻璃纖維及制品大氣污染物排放標準征求意見稿[4]，2017年又對平板玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準修改征求意見[5]，針對重點地區(qū)導向性地增加PM、SO2、NOx特別排放限值。2020年發(fā)布《玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準(征求意見稿)》[6]，將平板玻璃、電子玻璃、日用玻璃、玻璃纖維及制品4項標準合而為一，將PM、SO2、NOx特別排放限值收嚴到20、100、300(玻璃制品400) mg/m3。在國家標準不斷收嚴的同時，地方標準收嚴進度更快、幅度更大，河南省[7]、天津市[8]、重慶市[9]、山東省[10]、廣東省[11]、河北省[12]等先后發(fā)布地方標準，目前最嚴格的是河北省的《平板玻璃工業(yè)大氣污染物超低排放標準》(DB 13/2168—2020)，PM、SO2、NOx排放限值分別為10、50、200 mg/m3。

由于玻璃工業(yè)涉及的產(chǎn)品類型、燃料類型、熔窯類型較多，加上地方標準不一，導致現(xiàn)行玻璃熔窯煙氣治理技術和排放水平參差不齊。針對不同的標準體系，對適合各地標準發(fā)展的玻璃熔窯治理技術開展評估勢在必行。

目前，燃煤電廠煙氣治理技術的評估較多[13]，并已逐步拓展到垃圾焚燒煙氣中二噁英控制等領域[14]，但玻璃熔窯煙氣治理技術的評估尚未系統(tǒng)開展。梁博隆[15]建立了一套玻璃工業(yè)煙氣脫硝技術的評估方法，存在的問題是：(1)僅選取了選擇性非催化還原脫硝(SNCR)、選擇性催化還原脫硝(SCR)和SNCR/SCR聯(lián)用3種末端控制的脫硝技術進行評估，未考慮玻璃生產(chǎn)工藝的特殊性；(2)未將除塵、脫硫同時考慮進去。

因此，本研究基于現(xiàn)行標準發(fā)展趨勢，通過綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟和技術因素對玻璃熔窯煙氣除塵、脫硫、脫硝協(xié)同治理技術進行篩選，以期為玻璃生產(chǎn)企業(yè)推進大氣污染物的深度控制提供參考。

1 評價方法

參照我國燃煤電廠大氣汞控制技術綜合評估的步驟[16]對玻璃熔窯煙氣協(xié)同治理技術進行評價。

1.1 待評價技術篩選

玻璃熔窯煙氣具有溫度高、成分復雜且污染物濃度高等特點。受原料、燃料和熔窯工況3重因素的綜合影響，玻璃熔窯又會造成煙氣中PM、SO2、NOx濃度劇烈變化。

參考《玻璃工業(yè)大氣污染物排放標準(征求意見稿)》的編制說明中建立的預防技術+治理技術模式，考慮到預防技術的原料控制脫硫技術實際上也是治理技術，而能源類型又是預防技術的重點，因此本研究將治理技術的模式調(diào)整為能源+治理技術。能源按潔凈程度可分為清潔能源、中等污染能源和傳統(tǒng)重污染能源，其中清潔能源又分為電能和天然氣，中等污染能源主要是煤制氣(包括發(fā)生爐煤氣和焦爐煤氣)。電能熔窯的各類污染物排放濃度都較低，原料控制脫硫技術的基礎上無需另加其他治理技術；天然氣熔窯的PM和SO2排放濃度較低，但NOx排放濃度較高[17-18]，重點需要配套脫硝技術；煤制氣熔窯或傳統(tǒng)重污染能源熔窯的各類污染物排放濃度都較高[19]，需全面配套PM、SO2、NOx治理技術。本研究篩選了8種不同能源類型的典型協(xié)同治理技術(見表1)，各協(xié)同治理技術是從全流程上對PM、SO2、NOx進行協(xié)同治理。

表1 篩選的典型協(xié)同治理技術

1.2 評價指標體系

借鑒火電行業(yè)除塵、脫硫、脫硝技術評估的指標體系，結合玻璃工業(yè)的燃料特征、原料特征、煙氣特征和治理技術的特點，構建了由環(huán)境指標、經(jīng)濟指標和技術指標3個一級指標組成的評價指標體系(見表2)。

表2 評價指標及其權重

評價指標權重首先通過專家打分取平均得到各三級指標的權重，專家共有15位，包括煙氣治理技術研發(fā)與評估專家5位、玻璃工藝及熔窯設計專家5位、玻璃生產(chǎn)企業(yè)技術專家5位。然后構建判斷矩陣[20-21]。再利用基于層次分析(AHP)的模糊綜合評價法[22-23]對指標權重多層次分析，以消除主觀影響。最終的三級指標權重列于表2，上一級的指標權重由下一級的各指標權重加和得到。

1.3 評價指標打分

參考文獻[12]的方法，由評價指標權重打分的專家對所選的典型協(xié)同治理技術進行每項三級指標的打分，15個專家的打分取平均值，分值范圍為[0,1]，分值越大越好，最終打分結果見表3。

表3 典型協(xié)同治理技術的打分結果

2 評價結果與討論

2.1 綜合評估結果

參考文獻[21]，根據(jù)三級指標最終打分結果和權重進行加權求和分別得到一級指標得分和綜合得分(見表4)。

表4 典型協(xié)同治理技術的綜合評估結果

由表4可見，各治理技術的綜合得分表現(xiàn)為T1>T4>T3>T2>T7>T6>T5>T8，其中T1的綜合得分達到0.667 8，是玻璃熔窯煙氣治理技術中PM、SO2、NOx協(xié)同控制最佳的技術。T8綜合得分最低，主要是因為使用了SNCR，該技術在玻璃行業(yè)應用較少，實現(xiàn)NOx超低排放的穩(wěn)定性和可靠性不足，只能適合用于能源結構和原料結構較優(yōu)、初始NOx濃度較低的玻璃纖維熔窯，下面不再對其進行權重敏感性分析。

總體而言，使用電能、天然氣等清潔能源，能從源頭上減少NOx的生成，且電能窯爐和純氧燃燒還可以解決換火的問題，綜合性能較好。

2.2 權重敏感性分析

由于決策對宏觀的環(huán)境指標、經(jīng)濟指標和技術指標會有調(diào)整，因此有必要對調(diào)整指標權重進行敏感性分析。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，重點考慮環(huán)境指標時將環(huán)境指標、經(jīng)濟指標和技術指標權重分別調(diào)整為0.6、0.2、0.2，重點考慮經(jīng)濟指標時將環(huán)境指標、經(jīng)濟指標和技術指標權重分別調(diào)整為0.2、0.6、0.2，重點考慮技術指標時將環(huán)境指標、經(jīng)濟指標和技術指標權重分別調(diào)整為0.2、0.2、0.6。各二級和三級指標權重按表2中的權重比例進行調(diào)整，結果見圖1。

圖1 權重敏感性分析結果Fig.1 Weight sensibility analysis result

由圖1(a)可見，重點考慮環(huán)境指標時，T1綜合得分最高，對環(huán)境最友好，與2.1節(jié)當前的實際綜合評估結果一致，說明當前的實際綜合評估非常重視環(huán)境指標，玻璃熔窯采用清潔能源的電能替代是倡導方向，使用電能作為能源，無明火，PM、SO2只有原料本身產(chǎn)生，NOx的排放濃度也極低。由圖1(b)可見，重點考慮經(jīng)濟指標時，T4綜合得分最高，為最經(jīng)濟治理技術，該技術使用的能源為天然氣，也屬于清潔能源，純氧燃燒又可以大幅削減煙氣排放量，且無需配套SCR，因此成本大幅削減，其環(huán)境指標得分也不低。由圖1(c)可見，重點考慮技術指標時，T1綜合得分最高，T4與T1相差不大。

綜合分析圖1，T1和T4的綜合得分都明顯高于其他治理技術，這兩種治理技術都使用了清潔能源，重點考慮經(jīng)濟指標時T4綜合得分略高于T1，而重點考慮環(huán)境指標和技術指標時T1綜合得分略高于T4。對于新建玻璃熔窯，通常環(huán)境指標和技術指標需重點考慮。同樣使用清潔能源天然氣的T2和T3綜合得分比T1和T4低，是因為T2配套了SCR，并輔以靜電除塵，T3的復合陶瓷濾筒除塵脫硝一體化技術，實際也包含了SCR和除塵技術，T2、T3所包含的SCR存在著成本高、催化劑堵塞、廢棄催化劑造成二次污染等問題，但對脫硝有特殊要求時就得從T2和T3中進行選擇。重點考慮環(huán)境指標和技術指標時T3優(yōu)于T2，但是重點考慮經(jīng)濟指標時，T2優(yōu)于T3，T3的經(jīng)濟成本較高主要是因為陶瓷濾筒作為新產(chǎn)品價格較貴，而且陶瓷濾筒比較復雜，建設運行費用也高。

目前國內(nèi)的現(xiàn)狀是玻璃熔窯仍以非清潔能源為主導。T5、T6、T7使用的均是非清潔能源，而且均配套了SCR進行脫硝。由2.1節(jié)可知，T5、T6、T7與使用清潔能源且配套SCR的T2綜合得分差不多。在重點考慮環(huán)境指標時，T5的綜合得分略高于T6和T7，且其環(huán)境指標得分明顯高于T6和T7；在重點考慮經(jīng)濟指標時，T5的綜合得分明顯低于T6和T7，說明T5的經(jīng)濟性較差，而T6和T7的差別不大；在重點考慮技術指標時，T5綜合得分低于T6和T7，但其技術指標得分只是略低于T6和T7，呈基本持平的水平，說明T5技術上并沒有太多瑕疵。

3 結論和建議

(1) 玻璃熔窯煙氣除塵、脫硫、脫硝協(xié)同治理技術的綜合得分表現(xiàn)為T1>T4>T3>T2>T7>T6>T5>T8，使用電能、天然氣等清潔能源，能從源頭上減少NOx的生成，綜合性能較好。

(2) 使用清潔能源的玻璃熔窯，特別是新建玻璃熔窯，重點考慮經(jīng)濟指標時推薦選擇T4，重點考慮環(huán)境指標和技術指標時推薦選擇T1；若脫硝有特殊要求，重點考慮環(huán)境指標和技術指標時推薦選擇T3，重點考慮經(jīng)濟指標時推薦選擇T2。

(3) 對于現(xiàn)階段以非清潔能源為主導的玻璃熔窯，重點考慮環(huán)境指標時推薦選擇T5；重點考慮經(jīng)濟指標時推薦選擇T6或T7；重點考慮技術指標時優(yōu)先考慮T6或T7，也可考慮T5。