多污染物协同治理，未来水泥工业大气污染治理新方向
2024-01-29 13:55:48   来源：第一新闻网   评论：0 点击：

　　近年来，各种废气污染导致近年频繁出现的严重雾霾天气，让人们深受其害。PM2.5是雾霾产生主要原因之一，火力发电、钢铁、水泥等产生大量的废气以及汽车尾气排放是主要元凶已是不争事实。减少污染源，削减大气污染物排放是解决雾霾的根本之道。

　　全国生产水泥规模以上生产企业约3465家，新型干法水泥熟料生产线约有1700多条，产量高达25亿吨。即使所有水泥企业完全执行现行国家环保排放标准，行业过剩问题也得到了解决，局部环境容量压力依然巨大。

　　随着全社会环保意识越来越强，环保治理社会要求越来越高，大气环保排放标准必将越来越严，生产企业环保责任也将越来越重。

　　现有技术对于水泥烟气治理一般是采用分别单独处理的方式，各自为政。随着环保标准的提高，按现有技术方案和治理模式，必然会导致环保治理成本的进一步提高。必须打破传统思维，创新治理思路，走多污染物协同治理模式。今天，CNKI（中国知网）专家库专家、湖北省科技厅专家库专家、中钢集团天澄环保科技股份有限公司装备事业部部长徐尧先生将以专业的视角向大家分享自己的看法。

　　专家简介：徐尧，男，1983年6月出生，硕士、正高级工程师，长期致力于工业领域大气污染控制研发、设计和工程实施，曾主持“山钢集团日照精品基地炼钢环境除尘工程”“广西柳钢转炉三次除尘系统工程”等国家级重点环保项目4项，获国家专利9项，出版专著4部，发表论文9篇，完成国家科技成果转化应用产值超过20亿，曾带领团队获得全国“工人先锋号”荣誉称号。

　　徐尧先生首先对水泥行业现有减排技术进行了分析并介绍：

　　近年来，细颗粒物（PM）、二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）的排放控制技术（简称脱硫技术、脱硝技术）的研发工作，随着国家实施越来越严的环境保护政策，尤其是两次修订《水泥工业大气污染物排放标准》以及国家和地方政府出台了各种法规和管理办法，得到了极大的推动和促进。但相对于除尘技术，脱硫、脱硝技术还处于发展过程，总体还不成熟，或还不能完全满足技术和市场需要。

　　在水泥行业，相对于各种污染物控制和减排技术，除尘技术研究最早，最为深入，应用也最多，发展最为成熟，技术路线明确。主要有两大类：袋式除尘技术和静电除尘技术。电袋复合除尘技术是在上述两类技术的基础上集成创新的一种新技术。技术目标很明确，就是：提高除尘效率，降低排放；减小过滤阻力；延长使用寿命。

　　低氮燃烧技术作为过程控制技术主要包括低氮燃烧器和分解炉分级燃烧技术。低氮燃烧器通过减少燃料在高温区停留时间或调整燃料和助燃空气比例，产生部分还原性气氛，氮氧化物减少5%～20%。

　　分解炉分级燃烧技术利用助燃风的分级或燃料分级加入，降低分解炉内氮氧化物的形成，并通过燃烧过程的控制，在分解炉内产生局部还原性气氛，还原炉内的氮氧化物，氮氧化物减少10%～30%。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%。

　　水泥行业目前在脱硝方面应用比较广泛的SNCR技术就是借鉴了燃煤发电等其他行业的技术和经验进行研发的。SNCR技术工艺相对比较简单，装备也不复杂，容易实施，特别是分解炉及下游风管的温度范围符合SNCR的最佳温度窗口，NOx去除效率约40%～60%。目前绝大多数水泥厂都已安装了以SNCR为主的脱硝装置，氮氧化物的排放得到了基本控制。

　　在电力行业应用比较成熟的SCR技术，在水泥行业应用遇到了阻力，水土不服，主要是水泥窑尾烟气中粉尘浓度较高，同时含有重金属离子，容易使催化剂堵塞、磨损、中毒失效。低尘、低温的SCR技术由于低温催化剂还不成熟，尚不具备工业应用条件。

　　目前，水泥行业采用的脱硫技术主要有以下几种：

　　干粉脱硫工艺：指将熟石灰喷入预热器系统适当位置。国外一些公司（RMC Pacific、Polysius等）在20世纪90年代进行过开发和应用。国内应用得很少，有个别水泥厂尝试利用生料入窑提升机加入消石灰Ca(OH)2 干粉。脱硫效率40%～50%，工艺简单，占地少，但运行成本高（材料成本高）。

　　热生料喷注工艺：将已分解生料取出后喂入预热器系统适当位置。Fuller公司开发的De-SOx系统，在上面两级旋风筒之间的连接管道附近设置一旋风除尘器，从分解炉出口引出一部分废气进入旋风除尘器，然后将收集下的粉尘喂入上面两级旋风筒之间的废气管道。热生料中包含大量的活性CaO，在钙硫比为5～6的情况下，脱硫效率可以达到25%～30%。对原料中硫铁矿含量高的水泥厂而言，大约5%～10%分解炉废气即可满足要求。RMC公司则将窑尾下料处已分解生料喂入上面两级旋风筒之间的连接管道或者喂入出顶级预热器后的废气管道，钙硫比在30左右，脱硫效率分别可以达到30%和40%。国内有个别水泥厂也进行过类似尝试。脱硫剂取自于自身工艺过程产生的，系统工艺和运行维护简单，投资和运行成本低。但脱硫效率低，适合于低浓度生产线。

　　喷雾干燥工艺（半干法）：石灰消化后形成的浆液由喷雾装置喷入吸收塔，利用原系统增湿塔作为吸收反应塔，对原喷雾系统改造。有报道国外公司（RMC、Envirocare）开展过类似工作，脱硫效率可以达到90%。据报道国内已有水泥厂进行了尝试，取得了一定效果。该工艺效率高，收集下来的含硫化合物的窑灰进入生料磨，不存在废物处理的问题，但系统复杂，包含制浆系统，石灰浆液喷注过程中管路、阀门、喷头、预热器风机的堵塞问题比较严重，检修维护工作量较大，投资和运行成本高，适宜排放本底值较高的生产线。

　　氨法脱硫工艺：国内已有尝试，采用浓度为20%～25%的氨水作为脱硫剂，在预热器合适位置直接喷入，氨硫比控制在1.5～2.0，脱硫效率能达到80%以上。

　　上述各种技术，都面临一个难题，就是脱硫产物二次分解造成窑内SO2循环富集，SO2能否持续稳定达标等，特别是当原料硫含量较高时，有待于进一步实践和总结。

　　分析完现有水泥行业减排技术后，徐尧先生认为针对单一污染物的治理已经不能适应复杂多变的烟气工况，为了更好地实现超低排放，就有必要进行多污染协同治理，徐尧先生针对多污染协同治理技术进行了如下介绍：

　　除尘、脱硝协同技术：试验和应用实践表明，袋式除尘具有多污染物协同去除的功能，在有效收集细颗粒物的同时，还可以兼顾处理SO2、HCl、汞和二噁英等污染物。有资料表明，在干法、半干法脱硫时，采用袋除尘器可提高脱硫效率8%。这对我们有个启发，如能研制带有催化功能的过滤材料，或带有催化功能的滤袋骨架，除尘的同时进行脱硝，甚至脱硫，将会大大简化工艺系统并降低运行成本，是一个值得探讨和研究的技术方向。

　　脱硫、脱硝一体化技术：在水泥行业硫的治理一直是采用吸收、循环的路径，首先水泥煅烧过程产生酸碱反应，天然脱硫，其次水泥熟料中允许存在一定量的硫。在标准允许SO2排放浓度比较高的情况下，即使原燃料硫含量高，只要生产工艺和操作控制好，不至于出现大问题。当允许SO2排放浓度控制愈加严格之后，高硫原料生产的烟气治理如果还是按照原有思路，由于过高的硫循环富集将对熟料质量控制以及生产操作带来困难，治理成本愈来愈高。一体化脱硫、脱硝，同时实现污染物资源化利用，是一条针对高硫原料低成本治理的技术路线。

　　低温烟气循环流化床同时脱硫脱硝除尘技术：锅炉烟气中的NOx绝大部分以NO形式存在，在水中的溶解度远低于NO2、HNO2及HNO3等，这是导致传统脱硫工艺不能同时脱除NOx的主要原因。因此，将烟气中的NO快速氧化成高价态的NO2是同时脱除的技术关键。可利用烟气中原有的O2，通过使用低温氧化催化剂，加速烟气中的NO同O2反应生成NO2，后通过吸收剂Ca(OH)2将烟气中的SO2和NO2同时吸收形成硫酸盐和硝酸盐，且后续脱硫脱硝反应相互促进，同常规半干法脱硫技术相比脱除效率有明显提升，脱硫效率可以达到95%以上，脱硝效率超过85%，对汞等重金属污染物也有较好的脱除效果。

　　由于烟气进吸收塔之前需要进行预处理，所以水泥厂应用此项技术会导致系统更加复杂，但对于SO2排放浓度达1000mg/Nm3以上的工厂，此项技术是有应用价值的。

　　脉冲电晕等离子体烟气脱硫脱硝除尘一体化技术：脉冲电晕法是20世纪80年代日本科学家在电子束烟气脱硫脱硝技术基础上提出来的，利用高压脉冲电源产生的高能电子激活烟气中的SO2和NOx，加入氨作为反应剂，生成硫酸铵（(NH4)2SO4）和硝酸铵（NH4NO3）肥料。该技术成本较低，无二次污染，可同时脱硫脱硝，形成的副产物可回收利用。20世纪90年代至今，日本、美国、意大利、韩国、加拿大、俄罗斯等国都进行了大量的相关研究工作。国内从20世纪90年代初也开始进行了研究，取得了不少的研究成果。低温等离子体烟气处理技术具有工艺简单、可同时去除多种污染物、占地面积小等优点，是目前烟气处理技术的研究热点之一。

　　此项技术在水泥厂实施比较简单，可利用现有的静电除尘设备改造，也可利用现有袋除尘器进口前端进行改造，如是电袋复合除尘器则利用除尘器前电场部分进行改造，节省投资，不增加占地面积，不改变原有系统流程，具有其他方法无法比拟的优势。对于高硫原料的工厂，采用该技术，副产物可以作为肥料，不再循环回窑，因此可以彻底解决硫循环富集带来的一系列问题。

　　该技术的核心是大功率等离子体脉冲电源，高效率、长寿命、低能耗的大功率脉冲电源是研究重点。与传统的脱硫、脱硝独立处理工艺相比，同时脱硫脱硝技术在设备投资、运行成本、技术选择性上都具有较大优势。

　　通过上述分析徐尧先生进一步补充道，水泥厂烟气多污染物协同治理相对于独立治理具有技术和成本的综合优势，从提高治理效果以及降低治理成本来说，大力发展协同治理技术和工艺，无疑是一条有效的路径，研究高效低耗的烟气多污染物协同控制技术将成为环保领域的重点。

　　最后徐尧先生总结道，应根据我国水泥行业污染物排放和治理现状，结合国家和地区大气污染物排放标准和产业发展方向，从工艺技术路线、关键技术装备、智能监控等方面进行研究，因地制宜进行污染物的协同治理和高效脱除并实现超低排放。（作者：陈星宇）