技术 | 水泥行业超低排放及烟气治理技术

前言

据统计，截至2018年底，全国共有新型干法水泥生产线1681条，熟料设计生产能力约为18.2亿吨，累计熟料产量14.2亿t，全国累计水泥产量22.1亿t。为进一步加强对水泥工业的污染物排放控制，强化大气污染防治，促进环境空气质量改善，2018年以来，各省市不断加大环保力度，部分地区陆续出台较之更加严格的水泥行业大气排放标准。

水泥生产排放的污染物包括颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、氟化物、氨等，当排放超标时，将对环境及人体健康带来不利影响。各类主要污染物对环境及人体健康造成不利影响如下。

(1)颗粒物。颗粒物又称尘，是大气中的固体或液体颗粒状物质。粒径在0.1~1μm的颗粒物，与可见光的波长相近，对可见光有很强的散射作用，是造成大气能见度降低的主要原因。由二氧化硫和氮氧化物化学转化生成的硫酸和硝酸微粒是造成酸雨的主要原因，酸雨影响植物生长，对建筑物等有腐蚀作用。粒径在3.5μm以下的颗粒物，能被吸入人的支气管和肺泡中并沉积下来，引起或加重呼吸系统的疾病。大气中大量的颗粒物，干扰太阳和地面的辐射，从而对地区性甚至全球性的气候发生影响。长期接触空气中的污染颗粒会增加患肺癌、患心脏病的风险。

(2)二氧化硫。二氧化硫对大气可造成严重污染。对人体健康的危害，易被湿润的粘膜表面吸收生成亚硫酸、硫酸，对眼及呼吸道粘膜有强烈的刺激作用，并表现出不同程度的中毒现象。

(3)氮氧化物。氮氧化物俗称硝烟，是氮和氧化合物的总称，为最常见的刺激性气体之一。NO为无色无臭的气体，它与血红蛋白的结合力更强，对人体更容易造成缺氧。NO₂为棕色气体，可在人呼吸时到达肺的深部，引起呼吸系统疾病。

(4)氟化物。氟化物指含负价氟的有机或无机化合物，氟化物容易与某些高氧化态的阳离子形成稳定的配离子，含有金属的氟化物易溶于水。然而，含氟化合物在结构上可以有很大差异，因此很难概括出氟化物的一般毒性。氟化物的毒性与其反应活性和结构有关。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，氟化物位于(饮用水中添加的无机物)3类致癌物清单中。

(5)氨。氨通常情况下是有刺激性气味的无色气体，极易溶于水，易液化。氨是一种碱性物质，它对所接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用；氨通常以气体形式吸入人体进入肺泡内，通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗力。

(1)标准中的特别排放限值。国标《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)中规定特殊地区水泥窑及窑尾特排排放标准为：颗粒物20mg/m3、二氧化硫100mg/m3、氮氧化物320mg/m3。一些省份及地区为加强本地水泥工业环保排放控制，改善大气环境质量，也发布了相关地方排放标准，具体见表1。

(2)地方超低排放限值。2018～2019年间，国家及地方陆续颁发了“蓝天保卫战”、大气污染防治“三年作战计划”等相关文件，地方陆续对水泥窑废气中的主要污染物提出了超低排放限值要求，见表2。

水泥行业中水泥窑烟气是最主要、最关键的废气排放源，烟气治理由脱硝、除尘两个重要环节构成。由于水泥生产工艺的特殊性，水泥窑烟气温度高，产生的热力型氮氧化物浓度高，脱硝难度大；水泥窑窑内为碱性环境，预热器及分解炉的碱性物料在高温区域对窑尾燃煤排放出来的二氧化硫具有很高的捕捉力，通常情况下水泥原料中低价硫含量不高，在正常的水泥窑运行条件下，窑尾二氧化硫排放浓度很低，因此水泥窑烟气通常无需末端脱硫措施。

水泥窑烟气净化工艺较多，当前，烟气常用脱硝技术包括低氮燃烧技术、选择性非催化还原技术(SNCR)、选择性催化还原技术(SCR)、生产控制等；除尘技术为袋式除尘器、电除尘器以及电袋复合除尘器。

3.1 氮氧化物治理技术

(1)低氮燃烧技术。低氮氧化物燃烧技术主要包括低氮燃烧器和分解炉分级燃烧技术。低氮燃烧器通过增加燃烧器风道，降低一次空气比例，使煤粉分级燃烧。燃料在高温区停留时间短，可减少氮氧化物产生量5％～15％。分解炉分级燃烧技术利用助燃风分级或燃料分级加入，减少分解炉内氮氧化物的生成，并通过控制燃烧过程，还原炉内的氮氧化物，可减少氮氧化物产生量10％～20％。低氮燃烧器和分解炉分级燃烧技术联合使用，可减少氮氧化物产生量20％～30％。

(2)选择性非催化还原技术(SNCR)。选择性非催化还原法(SNCR)是将氨或尿素等还原剂喷入炉内之高温区，将氮氧化物分解成N₂与O₂的方法。若为提高氮氧化物的去除效率，而增加药剂喷入量时，未反应的氨会残留在烟气中，与烟气中的HCI反应，而产生气态氯化铵，导致铵盐沉积在锅炉省煤器

上，氮氧化物去除率为40％～60％。

(3)选择性催化还原法(SCR)。SCR是在水泥窑预热器出口处安装催化反应器，在反应器前喷入还原剂(如氨水或尿素)，在适当的温度(300～400℃)和催化剂作用下，将烟气中的氮氧化物还原成氮气和水。该技术氮氧化物去除效率可达85％～90％。

从目前SCR技术的发展情况来看，有两种选择：一是将SCR设备安装在除尘器之前，这时烟气温度较高，可满足催化还原反应要求，但由于粉尘浓度过高，会造成催化剂磨损和堵塞。另一种选择是将SCR设备安装在除尘器之后，这时粉尘浓度非常低，没有了催化剂堵塞问题，但由于温度下降较多，催化还原反应温度不够。

3.2 颗粒物治理技术

除尘系统的核心是各种除尘器，主要有袋式除尘器、电除尘器、电袋复合除尘器等。目前水泥工业应用较多的是袋式除尘器。袋式除尘器是一种利用有机或无机纤维过滤布将含尘气体中的粉尘过滤出来的净化设备，因滤布多做成袋式，所以称袋式除尘器。袋式除尘器采用深层过滤或表面过滤的过滤机理将粉尘阻挡在滤布外部而通过洁净气体，为维持持续稳定的处理能力和较高的净化效率，需要采取清灰机构将附着的粉尘抖落。袋式除尘器具有除尘效率高、适应性强、维护简单等优点。

表3 水泥窑氮氧化物控制措施及效果

水泥行业长期以来被认为是高污染、高能耗工业，打造绿色工厂不但是改善水泥行业形象的需要，也是积极承担社会责任，超低排放是建设生态文明与推动行业绿色转型升级的必走之路。在生态文明建设持续推进的大背景下，环保标准提升是行业发展的必然趋势，水泥工业的大气污染物防治也将开启一个全新的阶段。

目前国内氮氧化物超低排放治理技术有“SN-CR+SCR”、全系统综合脱硝技术，经氮氧化物减排技术综合应用后，氮氧化物排放浓度可达到50mg/m3。采用布袋除尘器对水泥窑烟气中颗粒物进行脱除后，窑尾颗粒物排放浓度可满足本标准中制定的颗粒物排放限值(10mg/m3)。

作者：李小明，林勇

来源：《福建水泥股份有限公司》

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