浮法玻璃熔窯煙氣超低排放工藝設(shè)計(jì)探討

駱泳君

（深圳市新旗濱科技有限公司 深圳 518000）

0 引言

上世紀(jì)60年代，歐美等發(fā)達(dá)國家逐步開始將電力行業(yè)的煙氣處理技術(shù)應(yīng)用于玻璃制造行業(yè)，并逐步進(jìn)行完善。按照GB 26453—2022《玻璃工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，排放指標(biāo)進(jìn)一步收嚴(yán)，參照電力、鋼鐵等行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的修訂歷程，可以預(yù)見玻璃行業(yè)污染物超低排放將是大勢(shì)所趨。玻璃行業(yè)目前所應(yīng)用傳統(tǒng)煙氣處理工藝很難實(shí)現(xiàn)玻璃熔窯煙氣超低排放（NOX＜100 mg/m3、SO2＜50 mg/m3、煙 塵＜10 mg/m3）的 要求。隨著新材料、新裝備的逐步發(fā)展，玻璃行業(yè)有必要利用逐步成熟的新材料、新裝備，研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)一種新型的玻璃熔窯煙氣處理工藝，使玻璃熔窯煙氣排放穩(wěn)定達(dá)到超低排放要求，從而有效推進(jìn)玻璃行業(yè)的節(jié)能減排。

1 玻璃熔窯煙氣特性

玻璃熔窯燃料種類多樣，重油、煤制氣、天然氣、石油焦等，具體燃料結(jié)構(gòu)又分單一使用某種燃料或者幾種燃料搭配使用，不同工況呈現(xiàn)出不同的煙氣特性。玻璃熔窯煙氣主要特性歸納為：

（1）高SO2濃度

煙氣SO2來源：①玻璃行業(yè)普遍采用芒硝作為澄清劑，芒硝高溫分解產(chǎn)生SO2；②重油、石油焦亦含有較高比例的硫分，燃燒過程中與氧結(jié)合生成SO2。二者疊加，導(dǎo)致玻璃熔窯煙氣SO2含量普遍較高。使用天然氣或者低硫油工況的煙氣SO2濃度～500 mg/Nm3，使用石油焦工況的煙氣SO2濃度普遍在2500 mg/Nm3以上，高硫焦工況的煙氣SO2濃度甚至能達(dá)到6000 mg/Nm3。

（2）高NOX濃度

煙氣NOX來源：①玻璃行業(yè)普遍采用空氣助燃，空氣中的氮?dú)庠诟邷厝紵^程中產(chǎn)生NOX；②部分玻璃原料為硝酸根化合物，硝酸根分解產(chǎn)生NOX； ③燃料分解產(chǎn)生NOX。三者疊加，導(dǎo)致玻璃熔窯煙氣NOX含 量普遍較高。NOX濃度普遍在2000 mg/Nm3以上，部分工況的煙氣NOX濃度甚至能達(dá)到3500 mg/Nm3。

（3）高粘黏性

由于玻璃原料需大量使用含Na、K、Ca基等堿金屬氧化物的化工原料或礦物原料，這些化工原料或礦物原料進(jìn)入熔窯后，會(huì)產(chǎn)生堿金屬氧化物揚(yáng)塵或飛灰并被高溫?zé)煔鈳ё?，堿金屬氧化物在高溫狀態(tài)下具有較強(qiáng)的粘黏性，易對(duì)后端煙氣處理設(shè)施造成堵塞等問題。

（4）高腐蝕性

玻璃熔窯燃料的種類及組分較為復(fù)雜，其燃燒產(chǎn)生的煙氣含有大量的酸性氧化物，具有較強(qiáng)腐蝕性。此外，玻璃熔窯煙氣還具有高溫度、高濕度、換火間隙等特點(diǎn)，這進(jìn)一步增加了玻璃熔窯煙氣處理的難度。

2 玻璃熔窯煙氣處理現(xiàn)狀

2.1 脫硝

目前，玻璃熔窯煙氣處理普遍采用SCR（選擇性催化氧化還原技術(shù)）脫硝，由于玻璃行業(yè)原始NOX濃度（～2500 mg/m3）過高，脫硝反應(yīng)器的線速度、空間速度、噴氨格柵設(shè)計(jì)不夠完善，導(dǎo)致脫硝效率較低且氨逃逸較大，現(xiàn)有SCR設(shè)計(jì)大多不能滿足超低排放要求。

2.2 脫硫

目前，玻璃熔窯煙氣處理普遍采用的脫硫方式有三種，分別為干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫。這三種脫硫方式在實(shí)際應(yīng)用中都存在不同程度的技術(shù)瓶頸。

（1）干法脫硫

脫硫效率較低（～60%），適應(yīng)范圍窄（僅適應(yīng)原煙氣含硫量SO2＜1000 mg/m3），且脫硫成本較高，去除同樣當(dāng)量的硫，干法工藝成本約為半干法工藝的2倍、濕法工藝的3倍。

（2）半干法脫硫

脫硫適應(yīng)范圍不夠大，在原煙氣含硫量SO2＜3000 mg/m3時(shí)進(jìn)行脫硫較為經(jīng)濟(jì)合理；脫硫副產(chǎn)物成分不穩(wěn)定、利用率較低且利用難度大。

（3）濕法脫硫

玻璃行業(yè)濕法脫硫由于煙氣特性及工藝配置，濕法脫硫過程中易產(chǎn)生氣溶膠，甚至?xí)鹗嘤戡F(xiàn)象，對(duì)環(huán)境造成二次污染，目前濕法脫硫在玻璃行業(yè)應(yīng)用較少。

2.3 除塵

目前，玻璃熔窯煙氣處理普遍采用電除塵器與布袋除塵器，電除塵器受限于其除塵原理，加之振打清灰過程中易產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，很難達(dá)到超低排放要求（煙塵＜10 mg/m3）；布袋除塵器對(duì)運(yùn)行溫度要求較為嚴(yán)格，入口溫度最高不能超過250 ℃，極大地限制了布袋除塵器在玻璃熔窯煙氣處理領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 玻璃熔窯煙氣處理技術(shù)優(yōu)化方案

3.1 工藝流程

結(jié)合玻璃熔窯高溫、高硫、高氮氧化物煙氣特性，擬定煙氣處理工藝流程為：

圖1 煙氣處理工藝流程

3.2 調(diào)質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)

大型玻璃熔窯一般均設(shè)置了蓄熱室，高溫?zé)煔饨?jīng)蓄熱室換熱后，主煙道出口的溫度約為500℃。玻璃生產(chǎn)工藝過程加入了含堿金屬氧化物R2O（Na2O、K2O）的原料，經(jīng)玻璃熔窯高溫熔化后，大部分堿金屬氧化物作為玻璃組分進(jìn)入產(chǎn)品中，小部分堿金屬氧化物（約為3%）作為揮發(fā)分進(jìn)入煙氣中。在500 ℃煙氣中，R2O以熔融狀存在，如果不經(jīng)過處理，熔融狀R2O會(huì)導(dǎo)致后端的陶瓷濾管除塵系統(tǒng)形成粉塵粘結(jié)、堵塞，無法長期穩(wěn)定使用。為了解決熔融狀R2O，特設(shè)立了煙氣調(diào)質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)。煙氣經(jīng)過此系統(tǒng)時(shí)，在煙氣中噴入熟石灰（氫氧化鈣），使熔融狀R2O吸附在熟石灰上，從而形成固態(tài)粉塵，消除R2O的黏性，熟石灰的使用量為R2O的3～5倍（質(zhì)量倍數(shù)）。

煙氣調(diào)質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)輔助作用主要有兩方面：①去除大部分強(qiáng)酸性氣體，如SO3、HCL、HF等，降低系統(tǒng)酸腐蝕；②煙氣調(diào)質(zhì)塔配備高壓霧化水槍降溫系統(tǒng)，確保在余熱鍋爐故障時(shí)，可通過噴水降溫，確保環(huán)保系統(tǒng)正常運(yùn)行，煙氣可100%連續(xù)實(shí)現(xiàn)超低排放要求。

3.3 陶瓷纖維濾管除塵系統(tǒng)

陶瓷纖維濾管除塵器位于煙氣處理系統(tǒng)最前端，原煙氣經(jīng)陶瓷纖維濾管高效除塵后再進(jìn)入后續(xù)處理環(huán)節(jié)，后端設(shè)施基本在無塵或低塵的工況下運(yùn)行，大大提升了后端設(shè)施的運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性，延長了后端設(shè)施的使用周期。

經(jīng)調(diào)質(zhì)后的煙氣進(jìn)入陶瓷纖維濾管除塵器進(jìn)行除塵，陶瓷纖維管為新型的耐高溫、高效率的過濾材料，除塵效率優(yōu)于電除塵器、布袋除塵器。經(jīng)過陶瓷纖維濾管除塵系統(tǒng)后的煙氣中粉塵含量＜10 mg/m3，可完全達(dá)超低排放要求。

陶瓷纖維濾管除塵系統(tǒng)采用分倉設(shè)計(jì)：過濾風(fēng)速0.7 m/min，多個(gè)獨(dú)立除塵器倉室，分倉數(shù)量見表1。每個(gè)獨(dú)立倉室設(shè)計(jì)完全一致，煙氣處理量設(shè)計(jì)完全一致。煙氣總量為實(shí)際生產(chǎn)最大煙氣量的1.2倍，可實(shí)現(xiàn)在線檢修與更換陶瓷濾管。

表1 除塵器分倉設(shè)計(jì)

每個(gè)倉均為完全獨(dú)立設(shè)計(jì)，各個(gè)倉室的進(jìn)出口煙道均設(shè)置電動(dòng)閘板，實(shí)現(xiàn)各除塵器倉室的聯(lián)通運(yùn)行與在線檢修功能。

3.4 余熱鍋爐

采用余熱鍋爐對(duì)玻璃熔窯煙氣余熱進(jìn)行利用，余熱利用率約為70%。利用余熱鍋爐產(chǎn)生中溫中壓蒸汽用于汽輪機(jī)發(fā)電，供給廠區(qū)生產(chǎn)、生活用。

余熱鍋爐分兩段（余熱一段、余熱二段）設(shè)計(jì)。

余熱一段作用：對(duì)煙氣進(jìn)行降溫，使煙氣溫度滿足后端中溫SCR脫硝溫度（320～410 ℃）的工藝要求，設(shè)計(jì)余熱鍋爐一段出口溫度為（350±10）℃。余熱鍋爐一段可通過改變蒸發(fā)量來調(diào)節(jié)脫硝運(yùn)行溫度。

余熱二段作用：煙氣經(jīng)中溫SCR脫硝后進(jìn)入余熱二段進(jìn)行換熱，使煙氣溫度從350 ℃左右降低至160 ℃左右，達(dá)到余熱利用的目的。

常規(guī)的玻璃熔窯余熱鍋一、二段通過內(nèi)部閘板連接，此內(nèi)部閘板在日常運(yùn)行中存在高溫變型、粉塵堆積等問題，導(dǎo)致閘板積灰清理難度大，而且經(jīng)常存在卡死、變形關(guān)不嚴(yán)等現(xiàn)象，導(dǎo)致部分煙氣從一段不經(jīng)過脫硝直接進(jìn)入二段，造成煙氣脫硝不徹底，無法實(shí)現(xiàn)脫硝的超低排放。

余熱鍋爐為兩段相互獨(dú)立結(jié)構(gòu)（見圖2），通過外部煙道與閘板對(duì)一二段進(jìn)行連接，開啟外部閘板時(shí)煙氣可直接通過一段進(jìn)入二段。這種新設(shè)計(jì)完全解決了因鍋爐內(nèi)部旁通閘板引起的煙氣脫硝不徹底問題，大大提高了整體脫硝效率。

圖2 余熱鍋爐示意圖

由于余熱鍋爐位于陶瓷纖維濾管除塵之后，基本上避免了粉塵在鍋爐中的粘附、堆積，并且降低了酸性氣體對(duì)鍋爐的腐蝕，提高了鍋爐換熱效率7%左右，延長了鍋爐使用壽命，基本可實(shí)現(xiàn)鍋爐與玻璃熔窯100%同步運(yùn)行（連續(xù)運(yùn)行8年左右）。

3.5 SCR中溫脫硝

SCR脫硝的原理為：煙氣中噴入NH3，使NH3與煙氣中的NOX發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終生成無害的N2與 H2O，反應(yīng)方程式：

設(shè)計(jì)脫硝運(yùn)行溫度為320～410 ℃，由于脫硝之前設(shè)置了煙氣調(diào)質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)與高溫陶瓷纖維濾管除塵系統(tǒng)，在調(diào)質(zhì)系統(tǒng)中強(qiáng)酸性氣體（SO3、HCL、HF等）被消石灰中和處理，因此在脫硝中基本上避免了氨與三氧化硫反應(yīng)生成銨鹽，造成脫硝催化劑堵塞的問題，大大提高了脫硝運(yùn)行穩(wěn)定性。前端的陶瓷纖維濾管除塵系統(tǒng)脫除了煙氣中的粉塵，在脫硝階段，避免了粉塵對(duì)SCR脫硝催化劑的沖刷，提高了催化劑使用壽命，并大幅度降低了脫硝反應(yīng)器吹掃介質(zhì)（蒸汽、壓縮空氣）使用量，降幅約為95%。

SCR中溫脫硝設(shè)計(jì)中，優(yōu)化了脫硝反應(yīng)器的線速度與空間速度、優(yōu)化了噴氨與混合設(shè)計(jì)，使其更適應(yīng)于玻璃熔窯燃燒的煙氣特性。玻璃熔窯由于高溫燃燒，生成了大量的熱力型NOX，NOX濃度基本＞1300 mg/m3，部分玻璃熔窯NOX濃度甚至高達(dá)4000 mg/m3左右，玻璃熔窯的脫硝設(shè)計(jì)需根據(jù)煙氣特點(diǎn)及工況進(jìn)行選擇。

設(shè)計(jì)脫硝反應(yīng)器線速度為～2.2 m/s，確保了煙氣在催化劑反應(yīng)空間中分布更為均勻，分布均勻性可控制在±2%以內(nèi)。脫硝反應(yīng)器空間速度設(shè)計(jì)為～2100 m3/h，確保了煙氣與催化劑的接觸時(shí)間，有利于提高脫硝反應(yīng)效率，使其能長期穩(wěn)定＞95%。

煙氣中噴氨點(diǎn)分布為30點(diǎn)/萬m3左右，且各點(diǎn)噴氨壓力基本一致，這種設(shè)計(jì)使得氨氣在煙氣空間中形成錯(cuò)落、均勻分布的點(diǎn)，確保了氨與煙氣的混合均勻度可控制在1%以內(nèi)?？紤]到催化劑使用壽命一般在24個(gè)月左右，如果繼續(xù)沿用現(xiàn)有常規(guī)設(shè)計(jì)，將脫硝塔設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)，勢(shì)必造成在更換催化劑時(shí)導(dǎo)致脫硝停運(yùn)，從而造成NOX排放不達(dá)標(biāo)。故脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)為分倉式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在線循環(huán)更換催化劑功能。

如圖3所示，SCR設(shè)計(jì)為3＋1模式（實(shí)際運(yùn)行3層，備用1層），第2層設(shè)計(jì)為備用層，實(shí)現(xiàn)更換催化劑時(shí)SCR脫硝系統(tǒng)依然可正常運(yùn)行功能，2#備用層投入使用。

圖3 SCR正常運(yùn)行時(shí)示意圖

設(shè)計(jì)各層催化劑使用時(shí)間不同，第一層為24個(gè)月、第三層為30個(gè)月、第四層為36個(gè)月。在第一層催化劑使用24個(gè)月時(shí)對(duì)催化劑進(jìn)行更換，運(yùn)行模式見圖4；在第三層催化劑使用30個(gè)月時(shí)對(duì)催化劑進(jìn)行更換，運(yùn)行模式見圖5；在第四層催化劑使用36個(gè)月時(shí)對(duì)催化劑進(jìn)行更換，運(yùn)行模式見圖6；以此類推，可完全實(shí)現(xiàn)SCR脫硝與主體玻璃熔窯100%同步運(yùn)行的要求，使污染物100%達(dá)標(biāo)排放。

圖4 更換第一層催化劑時(shí)SCR運(yùn)行狀態(tài)

圖5 更換第三層催化劑時(shí)SCR運(yùn)行狀態(tài)

圖6 更換第四層催化劑時(shí)SCR運(yùn)行狀態(tài)

3.6 濕法脫硫

采用濕法脫硫，并對(duì)濕法脫硫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

①脫硫前端設(shè)置了煙氣調(diào)質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)，去除了大部分的強(qiáng)酸性氣體（SO3、HCL等），煙氣進(jìn)入脫硫塔后腐蝕性大大降低；

②脫硫前端設(shè)置了高溫陶瓷纖維濾管除塵，使進(jìn)入脫硫塔的煙氣粉塵＜10 mg/m3，基本上避免了玻璃熔窯燃燒帶來的R2O、原煙氣粉塵等造成的漿液中毒現(xiàn)象，避免了氣溶膠的產(chǎn)生，大大提高了脫硫效率；

③降低脫硫塔內(nèi)煙氣流速，煙氣在脫硫塔中流速設(shè)計(jì)為2.3 m/s左右，并對(duì)脫硫塔進(jìn)行等直徑設(shè)計(jì)，避免因變徑造成的煙氣偏流、結(jié)壁等問題；

④采用高壓自清潔噴淋設(shè)備，使?jié)穹▏娏苊娣e可100%覆蓋整個(gè)脫硫塔，且噴淋均勻度偏差＜1%，基本可實(shí)現(xiàn)95%以上的脫硫效率；

⑤采用4級(jí)屋脊式除霧器對(duì)脫硫后的煙氣進(jìn)行逐級(jí)除霧，使溶液與氣體完全分離，除霧效率高達(dá)99.99%以上，確保煙氣粉塵低于10 mg/m3排放；

⑥濕法脫硫位于SCR脫硝后端，脫硝中的少量氨逃逸，在濕法脫硫中可與SO2反應(yīng)，形成硫酸鹽，因此也大大降低了氨逃逸量（氨逃逸量＜0.5×10-6）。

4 應(yīng)用效果

通過在漳州旗濱玻璃有限公司、河源旗濱硅業(yè)有限公司的煙氣處理備用系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)行工程化應(yīng)用，實(shí)際使用效果完全符合關(guān)于煙氣排放數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、物料消耗等設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，取得了很好的應(yīng)用效果：

（1）大幅度降低了玻璃熔窯污染物排放量

①脫硫效率＞95%，SO2排放＜50 mg/m3；

②脫硝效率＞95%，NOX排放＜100 mg/m3；

③除塵效率＞99.99%，粉塵排放＜10 mg/m3；

④氨逃逸＜0.5×10-6。

排放指標(biāo)對(duì)比見表2。

表2 排放指標(biāo)對(duì)比 mg/m3

（2）提高了煙氣工況適應(yīng)性

優(yōu)化設(shè)計(jì)后可廣泛適應(yīng)不同污染物濃度范圍的玻璃熔窯煙氣處理，尤其對(duì)于高硫、高NOX、高粉塵系統(tǒng)，適應(yīng)性強(qiáng)且操作簡便，后續(xù)日常運(yùn)行維護(hù)工作量亦較少。

（3）實(shí)現(xiàn)污染物100%達(dá)超低排放要求

通過優(yōu)化各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完全實(shí)現(xiàn)了在線維護(hù)、檢修與更換，實(shí)現(xiàn)了玻璃熔窯煙氣處理設(shè)施不間斷運(yùn)行，確保了污染物100%達(dá)標(biāo)排放。

（4）經(jīng)濟(jì)效益

①提高了鍋爐換熱效率，煙氣可多利用熱量約80 kJ/m3，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約0.011 kg；

②在同樣處理量基礎(chǔ)上，因氨氮摩爾比更低（氨氮摩爾比＜1.01），可節(jié)省用氨量5%左右；

③因脫硝基本不需要運(yùn)行清掃吹灰系統(tǒng)，可節(jié)約吹掃介質(zhì)95%以上；

④在處理同樣當(dāng)量污染物的基礎(chǔ)上，因鈣硫比更低（鈣硫比＜1.01），可節(jié)省消石灰使用量10%左右；

⑤系統(tǒng)簡潔，自動(dòng)化程度高，可大大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員編制，人工成本可降低約50%。

5 結(jié)語

玻璃制造企業(yè)作為典型的高能耗、高污染行業(yè)，在雙減政策穩(wěn)步推進(jìn)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排將成為各個(gè)企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。玻璃熔窯煙氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀況不僅直接影響玻璃性能與經(jīng)濟(jì)效益，更是決定玻璃企業(yè)能否繼續(xù)運(yùn)營的生命線。因此如何確保玻璃熔窯煙氣處理系統(tǒng)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)超低排放是企業(yè)必須著手解決的當(dāng)務(wù)之急。