摘要：全面介紹了水泥工業(yè)廢氣中粉塵、氮氧化物、二氧化硫三項主要指標及其超低排放的限值、技術(shù)路線可行性探討和指標實踐效果。主要參考燃煤鍋爐相關(guān)超低排放的路線和措施，利用新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展進步，結(jié)合水泥生產(chǎn)工藝及廢氣特性提出了兼顧水泥生產(chǎn)、節(jié)能降耗和超低排放的綜合實施新思路。

關(guān)鍵詞：水泥工業(yè)廢氣；除塵；脫硫；脫硝；超低排放

國家環(huán)境保護力度不斷加大，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準日益嚴格，各行業(yè)實行廢氣超低排放勢在必行。

“超低排放”的概念是在火電廠燃煤鍋爐廢氣治理領(lǐng)域提出的，比照天然氣燃氣輪機組標準設(shè)計了排放限值，比目前GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定的重點地區(qū)燃煤鍋爐特別排放限值更低。

GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》確定的燃煤鍋爐超低排放值見表1。

 

目前火電行業(yè)絕大部分企業(yè)已經(jīng)成功實現(xiàn)了廢氣超低排放，主要是煤電鍋爐運行中，綜合采用了多種污染物高效協(xié)同脫除技術(shù)，例如90%以上鍋爐采用SCR+電袋除塵器+石灰石膏濕法脫硫技術(shù)，實現(xiàn)了粉塵排放≤5mg/m3(標)，NOx≤50mg/m3(標），SO2≤35mg/m3（標)。系統(tǒng)運行效果良好，說明技術(shù)是成熟可靠的，現(xiàn)行超低排放限值很可能上升為新的國家標準。水泥行業(yè)也必將全面實施。

1水泥窯廢氣排放現(xiàn)狀及超低排放指標設(shè)定

探討“超低排放”受到了環(huán)保業(yè)界、地方政府乃至國家的高度重視，是新環(huán)保標準修訂的基礎(chǔ)。在國家青山綠水的生態(tài)文明建設(shè)的新政策下，各行業(yè)環(huán)保都在進行“超低排放”的嘗試。從政府加強環(huán)境保護和人民追求美好生活的角度出發(fā)，這個限值肯定是越低越好，但應(yīng)根據(jù)具體工業(yè)工藝過程的差異，研究最適合的環(huán)保實用技術(shù)措施，科學提出最合理的低限值。水泥生產(chǎn)主要污染物是粉塵、氮氧化物及二氧化硫，部分地區(qū)水泥廢氣中二氧化硫含量還相當高?，F(xiàn)有的GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》規(guī)定在重點地區(qū)主要指標為：粉塵排放≤20mg/m3(標)，NOx≤320mg/m3(標)，SO2≤100mg/m3(標)。對比電力行業(yè)排放標準，水泥行業(yè)標準相對寬松。

按照國家環(huán)保排放監(jiān)測要求，所有水泥生產(chǎn)線主要排塵點，特別是窯頭、窯尾及生料磨，全部設(shè)置了廢氣排放在線監(jiān)測，粉塵、氮氧化物、二氧化硫等有害物排放值實時傳送到當?shù)丶皣噎h(huán)保監(jiān)測部門，限值一般按功能區(qū)和地方政府的規(guī)定執(zhí)行。雖然地方政府的規(guī)定限值一般都低于國家標準限值，但實際上都沒能達到燃煤發(fā)電行業(yè)超低排放值，對氮氧化物和二氧化硫基本按照國家排放標準上限執(zhí)行。

目前我國水泥生產(chǎn)線氮氧化物減排路線實施的都是低氮燃燒+SNCR脫硝技術(shù)，氮氧化物減排實際運行效果不穩(wěn)定，而采用SNCR脫硝絕對不可能實現(xiàn)超低排放。二氧化硫減排是近幾年才開始實施的，有干法和濕法多種實施路線。水泥生產(chǎn)有害物減排技術(shù)一直存在路線之爭，也有多種技術(shù)路線實驗和應(yīng)用，但都沒有形成共識，不像電力行業(yè)超低排放減排路線已經(jīng)標準化。按照國家青山綠水的生態(tài)文明發(fā)展理念，我們應(yīng)該按照更高的水泥超凈排放限值要求，研究和實施我們的水泥環(huán)保技術(shù)。對于含重金屬、氟化物及水泥協(xié)同處置危廢、污泥、垃圾等工藝的有機物、二惡英等本文不加討論，只對水泥前三項主要污染物的“超低排放”值提出討論指標。

水泥生產(chǎn)工藝復(fù)雜，廢氣氣體成分、性質(zhì)也比燃煤鍋爐復(fù)雜，進一步降低水泥窯廢氣主要排放限值比燃煤鍋爐要復(fù)雜。表2提出了水泥窯超低排放的討論值和目標值兩組數(shù)字。水泥工藝與電力工藝不同，環(huán)保技術(shù)路線不同，所能達到的結(jié)果也不同，基于此進行分析，較合理的水泥超低排放限值應(yīng)定在“討論值”。但我們努力的方向必須是實現(xiàn)“目標值”。

2現(xiàn)有干法水泥熟料生產(chǎn)線窯尾系統(tǒng)典型工藝簡介

現(xiàn)有干法水泥熟料生產(chǎn)線窯尾系統(tǒng)工藝主要有兩種，即三風機系統(tǒng)和兩風機系統(tǒng)。圖1為輥磨系統(tǒng)組成的窯尾三風機系統(tǒng)典型工藝，圖2為兩風機系統(tǒng)工藝。

三風機系統(tǒng)，即窯尾高溫風機+窯尾廢氣風機+生料磨系統(tǒng)循環(huán)風機。雖然生料磨系統(tǒng)有多種配置方案，如球磨、輥磨、輥壓機+球磨、輥壓機+球磨及輥壓機終粉磨系統(tǒng)等，但對于窯尾風機配置基本一樣。三風機分工明確，系統(tǒng)負壓平衡較好，各設(shè)備承受負壓較低，易于操作，因此這種系統(tǒng)實際應(yīng)用很多。

兩風機系統(tǒng)是三風機系統(tǒng)的簡化，生料磨采用輥磨時非常合適，它簡化了工藝，設(shè)備布局緊湊，投資低。但三風機變?yōu)閮娠L機系統(tǒng)后，系統(tǒng)設(shè)備負壓明顯提高，系統(tǒng)對設(shè)備漏風更為敏感，需要更嚴格管理。兩風機系統(tǒng)實際應(yīng)用偏少，但在我國以海螺集團為代表的水泥生產(chǎn)線上卻有大量應(yīng)用。實踐表明，生產(chǎn)管理得好時，兩風機系統(tǒng)會比三風機系統(tǒng)節(jié)能。

 

 

需要說明的是，我國上世紀80年代至2000年初新建的水泥生產(chǎn)線大多沒有余熱發(fā)電系統(tǒng)，后來改造增加余熱鍋爐的生產(chǎn)線很多，且當時窯尾廢氣除塵幾乎全是電除塵器，這些鍋爐更多的是與增濕塔串聯(lián)，也有受工藝布局限制采用了塔爐并聯(lián)。如果當初采用了袋除塵器或改為了袋除塵器，完全可以采用塔爐并聯(lián)工藝布局，當然就不符合以上所謂典型工藝系統(tǒng)。

我們介紹和分析目前水泥窯尾工藝系統(tǒng)，主要目的是為后續(xù)探討不同工藝系統(tǒng)超低排放的最佳技術(shù)路線，因為大多數(shù)水泥超低排放工程是對現(xiàn)有水泥工藝的改造。

3實現(xiàn)水泥生產(chǎn)廢氣超低排放三項指標的技術(shù)探討及實踐

3.1粉塵超低排放技術(shù)與實踐

粉塵治理在水泥工業(yè)領(lǐng)域一直是最受重視的，也是在所有工業(yè)廢氣治理中做得較好的，但目前超低排放實施效果也不盡如人意。高性能除塵器的研究是實現(xiàn)粉塵超低排放的關(guān)鍵，而評價除塵器性能先進性的指標主要有四項：更高的除塵效率、更低的設(shè)備阻力、更可靠穩(wěn)定的設(shè)備性能和更低廉的運行維護成本。因此，如何降低水泥廢氣粉塵排放，我們主要進行了如下工作：

（1）確定高效除塵裝備技術(shù)路線

水泥窯尾廢氣處理系統(tǒng)都是按含生料磨烘干聯(lián)合操作廢氣考慮的，特點是工況參數(shù)常變，以典型的五級預(yù)熱器系統(tǒng)主設(shè)備串聯(lián)工藝為例，即圖1、2示意的工藝，至少可以產(chǎn)生如表3的工況參數(shù)。

 

可見諸多工況參數(shù)變化情況下，要實現(xiàn)超低排放，對同一臺除塵器必須考慮最惡劣的工況去計算定型和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

電除塵器和袋除塵器都可達到粉塵的超低排放的限值。但從除塵機理去分析，電除塵器是靠靜電吸附的機理除塵的，必須先給粉塵顆粒荷電，荷電效果不僅與電場電源設(shè)備相關(guān)，更與氣體的溫度、露點溫度、粉塵量相關(guān)，且是非線性相關(guān)，對溫度和露點溫度特別敏感。試驗和工程實踐都證明，窯尾廢氣的露點溫度在30℃左右時，塵粒幾乎無法荷電，電除塵效率極低，是增濕塔不能投運的事故狀態(tài)，達標排放幾乎無法實現(xiàn)，其他事故狀態(tài)，如極線斷、極板變形都會造成除塵效率下降。若要避免此類事故，我們就要加大成本投入，考慮足夠大的備用系數(shù)來達到可靠的性能，這就迫使我們在粉塵超低排放技術(shù)路線研究中不得不放棄終端除塵設(shè)備采用電除塵器。

袋式除塵器是治理大氣粉塵污染的高效除塵設(shè)備，最大優(yōu)點是除塵效率高，過濾效率與氣體溫度、露點溫度在較寬的適應(yīng)范圍內(nèi)幾乎無關(guān)，與入口粉塵含量正相關(guān)，即粉塵含量越高除塵效率越高，出口排放基本恒定。不斷出現(xiàn)的高性能過濾材料，使其粉塵過濾效率在實驗室高達99.9999%，對氣體成分、溫度、露點溫度的適應(yīng)范圍越來越廣，在實際應(yīng)用中也能達到99.99%?，F(xiàn)在的濾袋及除塵器結(jié)構(gòu)技術(shù)完全可以做到粉塵排放濃度≤10mg/m3，甚至達到2mg/m3，這是袋式除塵器的過濾機理所決定的。

因此，我們確定了研發(fā)先進袋除塵器實現(xiàn)粉塵超低排放的技術(shù)方向。近10年來，在除塵清灰高效、過濾低阻、性能可靠方面我們做了大量的研究工作，也付諸了大量實踐，很多案例成果達到了粉塵的超低排放要求。

（2）袋除塵器結(jié)構(gòu)性能研究

多年來，我們一直致力于大型袋除塵器裝備的開發(fā)研制，并取得了顯著的成果。早期，我們基于引進的富樂公司技術(shù)，開發(fā)了氣箱脈沖清灰系列袋除塵器和分室風機反吹清灰系列袋除塵器，并在水泥廠各排塵點成功應(yīng)用。1998年，在北京水泥廠應(yīng)用的窯尾大型高溫反吹清灰袋除塵器獲得了國家科技進步獎。但這種除塵器受結(jié)構(gòu)和清灰方式所限，其過濾風速不能太高，造成設(shè)備體積相對龐大，投資很高，對于大規(guī)模（＞4000t/d）水泥熟料生產(chǎn)線尤其如此。而氣箱脈沖袋除塵器雖然過濾風速可以提高，但不能實現(xiàn)長袋清灰，因此不適合大風量高溫廢氣的處理。

2001年，我們開始研究行噴脈沖清灰長袋袋收塵器。除塵器的新結(jié)構(gòu)采用自引流脈沖噴吹裝置（非文氏管）（圖3）和長袋分排清灰，將袋長由3m加長到6m以上，基本解決了袋長限制。

2003年首次成功用于水泥生產(chǎn)線窯尾，此項技術(shù)獲得2005年天津市及國家建材聯(lián)合會科技進步二等獎，而后推廣應(yīng)用到了幾乎所有新型干法水泥生產(chǎn)線。

2005年，結(jié)合琉璃河水泥廠窯尾電除塵器改造，我們開始推出凈氣室室內(nèi)換袋結(jié)構(gòu)的袋除塵器（圖4），大大降低了整機漏風率。

天瑞大連水泥廠有規(guī)模相同的兩條5000t/d水泥生產(chǎn)線，建設(shè)中分別采用兩臺不同換袋形式的窯尾袋除塵器。投入運行約一年后，從除塵效果（主要是破袋率不同引起）、運行阻力等方面，都顯示出內(nèi)換袋型除塵器優(yōu)于頂換袋型。我們特別測試對比了除塵器本體實際漏風率：普通結(jié)構(gòu)的頂部換袋形式袋除塵器漏風率達12%，而室內(nèi)換袋結(jié)構(gòu)的袋除塵器漏風率只有2.3%。當然除塵器的漏風率高可能是因為檢修維護時人孔門未完全復(fù)位造成，致使窯尾廢氣風機電能消耗巨大。

還有就是除塵器漏風帶來的廢氣降溫，足以造成大面積本體結(jié)露和早期腐蝕。因此，我們對大型高溫或高負壓袋除塵器定型結(jié)構(gòu)全部采用室內(nèi)換袋，該結(jié)構(gòu)每一個室只有一個面積比較小的側(cè)面人孔門，而且是雙層門。

 

 

2007年，針對我們的非袋內(nèi)文氏管或保護管噴吹結(jié)構(gòu)，我們又將傳統(tǒng)的圓形噴吹管（圖5）改進為方形管（圖6），這就簡化了噴嘴接口處理，提高了噴嘴定位精度和與噴管中心線垂直度公差的精度。圖6的噴嘴明顯比圖5噴嘴的定位公差和垂直度公差更易控制，因此更適合專業(yè)加工工具的應(yīng)用和提高產(chǎn)品加工效率。更重要的是，自此變更后再沒有出現(xiàn)噴嘴偏差造成的破袋案例。

 

（3）實現(xiàn)優(yōu)秀袋除塵器開發(fā)設(shè)計的現(xiàn)代化設(shè)計手段

袋除塵器結(jié)構(gòu)尺寸離散性很強，同規(guī)模生產(chǎn)線、同一應(yīng)用點的袋除塵器都不盡相同，遠不及電除塵器規(guī)范化程度高。主要是缺乏統(tǒng)一技術(shù)標準，或說標準缺乏約束力，應(yīng)用中產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)系列產(chǎn)品，同一除塵器設(shè)計制造企業(yè)也需適應(yīng)不同用戶和不同環(huán)境的要求，隨時變更結(jié)構(gòu)設(shè)計。另外，國家環(huán)保標準不斷提高，除塵器更新改造工作很多，結(jié)構(gòu)設(shè)計更是千差萬別，從某種意義上說袋除塵器屬于“非標”設(shè)計，這就造成了工作量巨大和除塵器實際應(yīng)用性能的參差不齊。實現(xiàn)袋除塵器產(chǎn)品質(zhì)量高、性能穩(wěn)定和設(shè)計效率高，一定需要現(xiàn)代化的設(shè)計手段。

2008年初，我們開始了“袋式除塵器數(shù)字化設(shè)計與綜合研發(fā)平臺”的研發(fā)工作，歷時10年，針對袋除塵器產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)的全過程，包括結(jié)構(gòu)、流場、過濾、清灰過程，以數(shù)字化設(shè)計技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)新研發(fā)手段，準確高效解決實際應(yīng)用問題，不斷提升袋除塵器產(chǎn)品綜合性能指標，構(gòu)建了袋式除塵器產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)庫，分別開發(fā)了“袋式除塵器流場技術(shù)仿真分析優(yōu)化系統(tǒng)”、“袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)”，建成了“袋式除塵器綜合測試平臺”、“袋式除塵器綜合驗證平臺”和袋式除塵器性能綜合實驗基地（圖7、8）。

 

 

研發(fā)平臺解決了袋式除塵器產(chǎn)品創(chuàng)新的行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)，包括：基于國際先進的TRIZ的集成創(chuàng)新技術(shù)、多場仿真技術(shù)、產(chǎn)品快捷和定制優(yōu)化技術(shù)、數(shù)字化樣機模型及重構(gòu)技術(shù)、數(shù)字化仿真測試評價技術(shù)及組態(tài)化實驗驗證技術(shù)等，可實現(xiàn)開發(fā)袋式除塵器新產(chǎn)品變結(jié)構(gòu)、新工藝、新型濾材等的綜合測試實驗。利用平臺，我們已經(jīng)完成了不同基型的袋式除塵器分風、過濾及清灰等性能的數(shù)值模擬計算、數(shù)據(jù)分析、仿真測試及實驗驗證，獲取了復(fù)雜需求前端對應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)律。

 

實際上，該綜合平臺是我們在生產(chǎn)過程中分段研發(fā)的。首先通過數(shù)字流場計算的模擬，確定了公司標準袋除塵器系列及多種非標改造的低阻結(jié)構(gòu)（圖9、10）。

項目技術(shù)成果應(yīng)用在公司袋除塵器設(shè)計的四大產(chǎn)品系列和幾百臺“電改袋”除塵器改造，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，有效提升了袋除塵器的各項技術(shù)指標和工作可靠性，穩(wěn)定達到低排放效果，設(shè)備平均運行阻力降低，節(jié)能環(huán)保效果明顯。圖11為幾個典型應(yīng)用案例。

 

從檢測和監(jiān)測結(jié)果可見，粉塵排放基本可以實現(xiàn)“超低排放”。

研發(fā)平臺應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的同時，還應(yīng)用于生產(chǎn)，快速解決了很多除塵器及系統(tǒng)的實際問題。袋除塵器運行早期出現(xiàn)破袋問題。破袋原因很多很復(fù)雜，有結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理問題，也有除塵器前后工藝接入的進出風管路不合理問題。利用該平臺，我們解決了許多早期破袋問題。例如，2009年金隅集團收購贊皇水泥一條未建設(shè)完成的2500t/d水泥生產(chǎn)線后，直接委托我們將窯尾電除塵器改為袋除塵器，我們按常規(guī)在短期內(nèi)進行了改造。生產(chǎn)線剛開始投入運行時效果良好，但約3個月后出現(xiàn)排放超標。我們檢查發(fā)現(xiàn)，有3條破袋產(chǎn)生，且集中在后部一個室內(nèi)，我們僅進行了封堵處理。

又運行1個月左右，出現(xiàn)了更嚴重的排放超標，濃煙滾滾。我們再進行檢查發(fā)現(xiàn)，又有十幾條濾袋破損，而且跟上次是同一個室，這次引起了我們的重視，尋找各種設(shè)計結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)量問題，業(yè)主甚至直接請來知名專家，但都沒有找到實質(zhì)問題。我們再次簡單處理后繼續(xù)生產(chǎn)，隨著運行時間的延長，問題沒有減輕的征兆，而且越來越嚴重，不得不停窯。

停窯后我們再檢查發(fā)現(xiàn)，破袋有50條以上，已經(jīng)不止一個室，同側(cè)臨近的室也有破袋，破損嚴重的已經(jīng)在離袋口100mm左右，出現(xiàn)環(huán)向1/2左右的橫斷口（圖12）。操作員打開廢氣風機后，我們在凈氣室內(nèi)觀察，竟發(fā)現(xiàn)有些袋籠晃動很大，甚至懸浮起來有10°左右的來回轉(zhuǎn)動，據(jù)此判定是分風不均，此袋室斷面風速極高。分風不均應(yīng)該與入風口偏于除塵器縱軸線約45°角（圖13）有關(guān)。為證實此判斷，我們啟用了正在研發(fā)的數(shù)字流場模擬系統(tǒng)，對包括入口風管在內(nèi)的除塵系統(tǒng)進行實測設(shè)計3D建模，將風量等參數(shù)導(dǎo)入計算模型后發(fā)現(xiàn)，由于該系統(tǒng)是由非正規(guī)設(shè)計院設(shè)計，入口風管直徑只有?22000mm，風以36m/s的高速斜向沖入除塵器，造成了除塵器后段單側(cè)袋室風速過高（見圖14），與實際出現(xiàn)破袋的位置吻合。

 

我們通過數(shù)字流場模擬系統(tǒng)模擬產(chǎn)生了最優(yōu)的解決辦法，即加粗進風管直徑到?28000mm，增加入口導(dǎo)流板。方案實施后，系統(tǒng)工作正常，再沒有出現(xiàn)破袋現(xiàn)象。

我們利用該數(shù)字技術(shù)平臺處理了很多類似案例，均取得了滿意的效果。2017年該綜合數(shù)字技術(shù)平臺通過建材聯(lián)合會組織的科技成果鑒定，結(jié)論為：項目成果整體達到國際先進水平。

 

3.2氮氧化物超低排放技術(shù)探討

GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》要求現(xiàn)有和新建水泥企業(yè)的NOx排放限值由原來的800mg/m3（標）（NO2@10%O2，以下同）降到400mg/m3（標）（重點地區(qū)NOx排放限值為320mg/m3（標））。因此我國幾乎100%的水泥生產(chǎn)線都實施了低氮氧化物排放技術(shù)，包括低氮氧化物燃燒技術(shù)和廢氣SNCR脫硝技術(shù)，或單一SNCR脫硝技術(shù)，基本可以實現(xiàn)目前國家的排放標準。但SNCR脫硝需要滿足反應(yīng)溫度的要求，溫度太高或太低都會影響氨和NOx的反應(yīng)，對噴氨控制的要求很高，實際運行中都會有噴氨過量問題存在，致使能耗高、運行成本高，氨逃逸過量造成二次污染，最重要的問題是，它的脫硝效率一般為30%~60%，且不易穩(wěn)定。

要想進一步提高脫硝效率，降低排放限值，靠目前實施的技術(shù)難以實現(xiàn)，而SCR脫硝效率可達到90%以上，實現(xiàn)水泥窯廢氣氮氧化物超低排放最可行的措施是采用SCR技術(shù)，因此國內(nèi)外都在探討和實驗應(yīng)用水泥SCR脫硝技術(shù)。國外有一些水泥生產(chǎn)線SCR運行案例，但未見其長期穩(wěn)定運行且各項指標滿意、完全可推廣的技術(shù)案例報導(dǎo)，其主要原因是，水泥生產(chǎn)工藝的高效脫硝技術(shù)路線尚達不到煤電鍋爐脫硝技術(shù)的成熟度和可靠度。

目前水泥生產(chǎn)工藝與催化劑使用溫度不適應(yīng)問題突出，需要針對水泥生產(chǎn)工藝的特點，探索解決問題的新技術(shù)。下面提出我們的意見：目前SCR脫硝工藝方案一般分為高塵（HighDust）布置方案、半塵（Semi-Dust）布置方案和低塵（LowDust）布置方案。在煤電鍋爐系統(tǒng)成功實施的SCR脫硝工藝方案多為高塵布置方案，一般是在空氣預(yù)熱器前適合的溫度段將廢氣引出進行催化脫硝。這里的廢氣含塵量一般＜20g/m3，且燃煤氣體成分較簡單穩(wěn)定，只要在催化反應(yīng)器中適當布置吹灰裝置，就可完全實現(xiàn)較長期的穩(wěn)定催化脫硝作用。目前燃煤鍋爐在350℃左右應(yīng)用釩鈦體系催化劑的SCR脫硝工程技術(shù)是成熟可靠的。

然而，水泥熟料生產(chǎn)系統(tǒng)窯尾廢氣成分復(fù)雜，在廢氣余熱利用前，適合催化劑活性的溫度段氣體含塵濃度一般是60~80g/m3，不能直接沿用煤電鍋爐廢氣的SCR脫硝工藝。為探討適合水泥窯尾廢氣的SCR脫硝技術(shù),國內(nèi)外都在兩個方向上開展了研究工作：其一是研發(fā)適合水泥熟料生產(chǎn)廢氣成分及現(xiàn)有水泥熟料生產(chǎn)工藝的低溫催化劑；其二就是調(diào)整水泥熟料現(xiàn)有生產(chǎn)工藝以適應(yīng)現(xiàn)有成熟的廢氣SCR脫硝技術(shù)。本文主要針對常溫催化劑探討后者。

如果水泥熟料生產(chǎn)尾氣的SCR脫硝也按高塵、半塵和低塵方案來區(qū)分，一般是采用如下方案：

（1）水泥窯尾高塵SCR布置工藝

圖15為高塵SCR布置工藝，國外早期有此方案實施的報導(dǎo)。它是將催化反應(yīng)器布置在預(yù)熱器C1旋風筒廢氣出口處，此處的溫度較高（約350℃），可以滿足常規(guī)SCR催化劑反應(yīng)需要的溫度。但是該處的粉塵濃度可達60~80g/m3（標），對催化劑的沖刷磨損大，催化劑堵塞的風險也比較大，所以對清灰（吹灰）系統(tǒng)要求很高。另外，各種有害成分引起的催化劑中毒也會嚴重，甚至短期運行即失效，因此一直不被業(yè)界所接受。

 

（2）水泥窯尾半塵SCR布置工藝

圖16為水泥廠SCR脫硝的半塵布置或中塵（MiddleDust）布置工藝，它需要在SCR反應(yīng)器之前安裝高溫電除塵器。因為高溫電除塵器的除塵效率不能達到很高，所以出口含塵量仍然較高，特別是除塵器電場事故致使廢氣含塵量高不可避免，半塵布置方案也與高塵方案存在同樣問題。另外，通過高溫電除塵器的氣體溫度還會有所降低，也不利于常規(guī)催化劑高效運行。國內(nèi)外實際應(yīng)用的報導(dǎo)都同樣是不能穩(wěn)定運行。

 

（3）水泥窯尾低塵SCR布置工藝

圖17為傳統(tǒng)的低塵布置工藝，采用傳統(tǒng)的高溫袋除塵器可以保證進入SCR反應(yīng)器的廢氣含塵量極低，這樣粉塵對SCR催化劑的影響小。但由于傳統(tǒng)濾袋的耐溫限制，通常需要采用六級預(yù)熱器，或優(yōu)先通過SP余熱鍋爐降溫，或采用增濕塔將預(yù)熱器出口廢氣溫度降低到≤280℃，并且不允許出現(xiàn)超溫事故。降溫除塵后，為了滿足氮氧化物最佳催化還原反應(yīng)溫度，需要對煙氣進行再加熱，這無疑會使工藝復(fù)雜且有能源消耗。如果研發(fā)出有效可靠的低溫催化劑，無需對氣體再加熱，則是一個理想的選擇。

 

國外有關(guān)研究實驗結(jié)果給出了催化劑活性使用壽命與氣體含塵量的關(guān)系（見圖18）。由此可見，氣體含塵量高會大大縮短水泥SCR脫硝催化劑的使用壽命，水泥窯尾的高塵布置方案會更糟。

 

（4）水泥窯尾新型低塵SCR布置工藝

近年我國超高溫過濾材料的研發(fā)取得了長足的進步，金屬膜過濾材料、金屬纖維氈過濾材料以及陶瓷纖維過濾材料都已開始走向應(yīng)用市場，依據(jù)材料配方的不同，它們承受的溫度可以達到300~1000℃。天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司和中材裝備集團有限公司環(huán)保分公司與相關(guān)廠家合作分別對以上超高溫過濾材料進行了實驗室測試，過濾精度完全可以媲美現(xiàn)有常規(guī)纖維氈類以及PTFE覆膜類各種濾料，過濾阻力不高于常規(guī)濾料，在較高的過濾風速下易于清灰。我們提出的水泥窯尾SCR新型低塵布置工藝見圖19。

 

由我們實驗室采用超高溫濾袋測試所得到的粉塵排放數(shù)據(jù)可見，無論測試的除塵器樣機入口粉塵量怎樣變化，其出口粉塵排放量完全可以達到＜5mg/m3（標）。我們可以相信，以上工藝布置是解決水泥生產(chǎn)氮氧化物超低排放的最佳方案之一，它既可以保持常規(guī)催化劑最適宜的脫硝催化溫度，又可以保持持久的催化活性。

值得注意的是，水泥廢氣中有害元素含量遠遠高于燃煤鍋爐廢氣，例如窯灰中鉈（Ti）含量一般可達到5~8mg/kg。國外有研究表明，廢氣中的鉈會致使催化劑中毒，而且鉈主要富集在微細粉塵中。而我們提出的新型低塵布置方案，在催化反應(yīng)器前完全實現(xiàn)了超低粉塵含量，相信能很好地解決鉈中毒問題。

目前已經(jīng)有研究成果將超高溫過濾與催化劑結(jié)合，這將簡化SCR脫硝工藝，提高催化效率，其中以陶瓷纖維過濾材料與催化劑復(fù)合產(chǎn)品技術(shù)較為超前，我們應(yīng)給予重視和研究。

部分地區(qū)水泥原、燃料含硫量較高，在預(yù)熱器前級SO2已經(jīng)釋放到廢氣中，我們也不得不考慮高SO2廢氣含量對SCR脫硝及整個工藝系統(tǒng)的影響。SCR脫硝應(yīng)用在很大程度上受到煙氣中SO2含量的制約，SO2含量越高，操作時的煙氣溫度要求也就越高，否則就會因為硫酸氫銨+粉塵的沉積過多而堵塞蜂窩催化劑的開口部或后續(xù)設(shè)備（余熱鍋爐或除塵器）。

由于煙氣中存在SO2等氣體，催化劑中的活性成分釩盡管是選擇催化降解NOx的，但也會對SO2的氧化起到一定的催化作用，SO2的氧化率隨活性組分V2O5含量的增加而上升，其反應(yīng)式如下：

 

硫酸氫銨的露點為147℃，在通常運行溫度下，以液體形式在物體表面聚集或以液滴形式分散于煙氣中。液態(tài)的硫酸氫銨是一種粘性很強的物質(zhì)，在煙氣中會粘附飛灰。當溫度繼續(xù)升高至250℃以上，硫酸氫銨會由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。

而氨逃逸會隨運行時間發(fā)生變化，氨逃逸率主要取決于注入氨流量分布均勻情況和設(shè)定的NH3/NOx摩爾比。

含硫廢氣實施SCR脫硝，為避免硫酸氫銨結(jié)露，我們必須要：

（1）提高SCR反應(yīng)溫度，盡量保證后續(xù)余熱鍋爐出口溫度在250℃左右，廢氣余熱隨后再用于烘干原料。如果需要降低余熱鍋爐出口溫度，要對鍋爐后段爐膛表面進行處理，以便于清理結(jié)皮，同時要設(shè)置高壓水沖洗裝置，定期清理硫酸氫銨結(jié)皮。

硫酸氫銨結(jié)露對于后續(xù)除塵器的影響很復(fù)雜。如果出余熱鍋爐廢氣用于原料烘干，硫酸氫銨會被原料稀釋，一般不會糊袋。但窯系統(tǒng)與原料烘干磨的運轉(zhuǎn)是不同步的，當停磨時，結(jié)露的硫酸氫銨就會使除塵器糊袋，阻力持續(xù)升高，致使系統(tǒng)不能通風。這就要求出袋除塵器氣體溫度＞250℃，否則，一旦糊袋很難處理。

（2）盡量減少氨的逃逸。脫硝設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計前應(yīng)進行流場數(shù)字模擬分析，以使氣體流場分布均勻，操作要控制好NH3/NOx摩爾比；不建議在SCR催化前采用SNCR或氨法脫硫（包括復(fù)合脫硫的水劑注入），以免氨逃逸過量。

（3）盡量在無塵工況下實施SCR脫硝。這就是我們提出的在高溫段實現(xiàn)超低粉塵工況非常必要。

針對以上技術(shù)及產(chǎn)品，天津院環(huán)保公司已經(jīng)開始小規(guī)模工業(yè)應(yīng)用實驗，待實驗結(jié)果達到預(yù)期后，將在水泥生產(chǎn)線中推廣應(yīng)用，實現(xiàn)水泥窯廢氣氮氧化物的超低排放。

3.3二氧化硫超低排放技術(shù)與實踐

石灰石是生產(chǎn)水泥的主要原材料，大多數(shù)水泥廠使用的石灰石含硫量很低，一般不會造成SO2超標排放，但確有部分地區(qū)石灰石含硫量很高。隨著品位的降低以及石灰石地域的限制，低鈣高硫石灰石大量應(yīng)用，原料預(yù)熱初期SO2就已產(chǎn)生，加上采用高硫煤或高硫石油焦等燃料，超出了燒成過程中的固硫量，造成水泥窯煙氣中SO2排放濃度嚴重超標。解決水泥生產(chǎn)中硫的超低排放問題是許多SO2排放超標工廠的重要課題。

煙氣脫硫的基本原理是酸堿中和反應(yīng)。煙氣中的二氧化硫是酸性物質(zhì)，通過與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成亞硫酸鹽或硫酸鹽，從而將煙氣中的二氧化硫脫除。最常用的堿性物質(zhì)是石灰石、生石灰和熟石灰，也可用氨等其他堿性物質(zhì)。一般分為濕法煙氣脫硫技術(shù)和干法煙氣脫硫技術(shù)（含半干法煙氣脫硫技術(shù)）兩類。

濕法煙氣脫硫技術(shù)是指吸收劑為液體或漿液，反應(yīng)生成物呈漿液態(tài)。由于是氣液反應(yīng)，所以反應(yīng)快，效率高，脫硫劑利用率高。石灰石—石膏法煙氣脫硫技術(shù)最為常用，該技術(shù)以石灰石漿液為脫硫劑，在吸收塔內(nèi)對煙氣進行噴淋洗滌，與煙氣中的二氧化硫反應(yīng)生成亞硫酸鈣，同時向吸收塔的漿液中鼓入空氣，強制使亞硫酸鈣轉(zhuǎn)化為硫酸鈣，脫硫劑的副產(chǎn)品為石膏。該系統(tǒng)包括脫硫劑漿液制備系統(tǒng)、吸收塔脫硫系統(tǒng)、煙氣換熱系統(tǒng)、石膏脫水和廢水處理系統(tǒng)。石灰石價格便宜，易于運輸和保存，已成為濕法煙氣脫硫工藝中的主要脫硫劑。石灰石—石膏法煙氣脫硫效率高（≥95%，不計成本可達100%），工作可靠性高，是濕法煙氣脫硫工藝的優(yōu)先選擇。但該法易造成設(shè)備堵塞和后續(xù)煙道腐蝕，脫硫廢水還需處理。

干法（半干法）脫硫是將脫硫粉劑投入爐中或摻入燒成原料中進行固硫或脫硫反應(yīng)的工藝，干法脫硫后的產(chǎn)品呈干燥狀態(tài)。由于這種化學反應(yīng)在干態(tài)（無水）很難發(fā)生，需要反應(yīng)系統(tǒng)有水或人為干預(yù)這一反應(yīng)過程才能實現(xiàn)。前者如需加水工藝自然屬于半干法，后者是國際上還在研究試驗中的電子束照射法（EBA）及等離子體化學法（PPCP）脫硝脫硫技術(shù)等，但實驗中吸收劑都用氨，屬于大幅度提高脫硝脫硫反應(yīng)效率技術(shù)，目前還不夠成熟，存在運行費用高和運行不穩(wěn)定等諸多問題，尚不能大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

關(guān)于（半）干法脫硫有許多技術(shù)種類：例如爐內(nèi)噴鈣尾部增濕法（LIFAC）；脫硫劑料漿噴霧干燥法和基于循環(huán)技術(shù)的CFB工藝、ALSTOM公司的NID技術(shù)等。他們的基本原理都是利用CaO粉或熟石灰粉Ca(OH)2吸收煙氣中的SO2，反應(yīng)式為：

 

對于水泥窯尾廢氣干法脫硫目前還有一種方案—復(fù)合脫硫技術(shù)：該復(fù)合脫硫技術(shù)中脫硫粉劑采用鈣基加催化劑配方，在預(yù)熱器的尾端風管還要配合噴水劑，增加了鈣基反應(yīng)活性，產(chǎn)生的硫酸鹽隨生料入窯鍛燒成水泥熟料，所謂以“固硫”為主，控制好則可以達到較高的脫硫效率。

與濕法脫硫工藝相比較，干法（半干法）脫硫工藝產(chǎn)生的脫硫灰成分比較復(fù)雜，高硫高鈣且CaSO3·1/2H2O比例較高，因而表現(xiàn)出不同的物化特性，在燒成的過程會造成水泥熟料物化性能的波動。同時因水泥干法脫硫劑成本較高，人們對干法脫硫工藝多持審慎態(tài)度。

如上所述，濕法脫硫雖然是第一代（70年代）脫硫技術(shù)，但更適用于水泥工業(yè)脫硫。理由如下：

（1）石灰—石膏濕法脫硫技術(shù)最成熟可靠，脫硫效率高，是實現(xiàn)水泥窯廢氣SO2超低排放的最好選擇，特別適合硫含量高的水泥窯廢氣。

（2）由于石灰粉是水泥生產(chǎn)的原料，取生料或窯尾回灰作為脫硫劑，經(jīng)濟又方便。

（3）脫硫副產(chǎn)品二水石膏完全可以用作水泥添加劑，沒有廢料產(chǎn)生。

我們近期完成投運了多項水泥窯石灰—石膏濕法脫硫技改工程，如大冶尖峰水泥（見圖20）、馬來西亞馬口水泥、中材云浮、亨達水泥廠等，完全實現(xiàn)了SO2超低排放，其中尖峰水泥在初始SO2含量2500mg/m3（標）情況下，出口SO2含量＜35mg/m3（標）（塵含量＜10mg/m3（標）），充分說明了水泥窯石灰—石膏濕法脫硫是實現(xiàn)超低排放的理想措施。

4 綜合實施水泥窯廢氣超低排放的新探討

面論述了工業(yè)廢氣超低排放技術(shù)及其在水泥工業(yè)廢氣中粉塵、氮氧化物、二氧化硫等單項減排技術(shù)的研究與部分實踐，使我們相信，在水泥生產(chǎn)工藝中植入高溫除塵+SCR催化器，原窯尾及生料磨除塵器不變，能解決生料磨后廢氣除塵排放。如果水泥窯廢氣二氧化硫超標，生料磨袋除塵器后增設(shè)石灰—石膏濕法脫硫，理論上是完全可以實現(xiàn)超低排放的。

 

近年來我國新材料技術(shù)發(fā)展很快，比如超高溫過濾材料，陶瓷纖維過濾材料，金屬纖維氈、金屬間化合物多孔材料及膜材料（可適應(yīng)氣體溫度300~800℃），甚至實現(xiàn)完美附著脫硝催化劑的超高溫過濾材料（可適應(yīng)氣體溫度300~500℃）等紛紛涌現(xiàn)，這就為我們實施新的工藝新的技術(shù)去實現(xiàn)廢氣超低排放提供了可能。

新型干法水泥窯尾五級預(yù)熱器出一級旋風筒C1的廢氣溫度一般是320~350℃，而SCR技術(shù)的常規(guī)催化劑催化窗口90%以上為中高溫（280~400℃），這個溫度區(qū)間適合采用SCR脫硝技術(shù)。如果解決了催化劑的磨損和中毒問題，按照前面脫硝部分的技術(shù)分析，在C1旋風筒后增設(shè)高溫除塵器+中高溫催化劑的低塵（＜10mg/m3（標））布置方案，是實現(xiàn)氮氧化物超低排放的一個不錯選擇。

問題是怎樣才能實施呢？特別是現(xiàn)有窯尾系統(tǒng)的改造布置困難更大。通過研究探討我們認為，實際生產(chǎn)線中有兩個地方是可以布置的：一是增濕塔改造為高溫除塵+催化反應(yīng)器（圖21）。這種改造更適合兩風機系統(tǒng)，因為一般兩風機系統(tǒng)增濕塔距離預(yù)熱器很近，改造管路較少較短，熱損失小，只需將SP爐串聯(lián)到塔（高溫除塵+催化反應(yīng)器）后即可。

二是將C1旋風筒改為高溫除塵器+催化反應(yīng)器（圖22）。這種改造直接改變了生產(chǎn)工藝，但C1旋風筒的主要功能是高效除塵，而用高溫過濾材料開發(fā)出的高溫高效低阻的除塵器可以完美替代C1旋風筒功能，C2-C1風管的換熱功能也不受影響。設(shè)計高溫除塵器及SCR催化反應(yīng)器的阻力不高于C1旋風筒的阻力，廢氣接觸催化劑的溫度還能有所提高，理論上這絕對是一個完美的水泥超低排放解決方案。方案適合三風機系統(tǒng)，也適合兩風機系統(tǒng)，更適合高硫煙氣的脫硝。

 

 

這種方案還會帶給我們額外的收益：

（1）后續(xù)SP爐無粉塵磨損；

（2）換熱效率高；

（3）由于是雙除塵系統(tǒng)，最終粉塵的超低排放更可靠。

此方案我們正在進行工業(yè)中試，待有滿意的結(jié)果后，正式推向工業(yè)應(yīng)用，以真正實現(xiàn)水泥工業(yè)廢氣超低排放。

5結(jié)語

泥工業(yè)廢氣超低排放解決方案還有多種，例如低溫催化劑脫硝方案、干法脫硫劑固硫方案等。但相信本文探討的方案，在水泥生產(chǎn)工藝中植入高溫除塵+SCR催化器，保留原窯尾及生料磨除塵器，如果水泥廢氣二氧化硫超標，生料磨袋除塵器后增設(shè)石灰—石膏濕法脫硫，是現(xiàn)在實現(xiàn)水泥窯廢氣超低排放的最好的技術(shù)路線。

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