魏發(fā)燦，鄭珦芊，王 娟，魏俊瑤

（鄭州博發(fā)環(huán)?？萍加邢薰?，新密 452370）

陶瓷、建材行業(yè)污染物治理仍然是工業(yè)領域繞不開的話題。隨著我國供給側(cè)改革的不斷深入，針對陶瓷、建材行業(yè)污染治理、淘汰落后產(chǎn)能、錯峰生產(chǎn)的開展，中小企業(yè)在環(huán)保節(jié)能措施上也在不斷創(chuàng)新發(fā)展。傳統(tǒng)三大污染（氮氧化物、硫化物、粉塵）如何進一步節(jié)能減排，成為當前中小企業(yè)亟待解決的問題。本文從現(xiàn)存的環(huán)保治理與節(jié)能降耗之間的聯(lián)系角度進行淺析闡述。

1 窯爐煙氣的組成及危害

窯爐排放的廢氣中含有大量的飄塵、二氧化硫、氮氧化物等有害物質(zhì)。飄塵通常稱為可吸入“微?！?，是物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生的顆粒狀漂浮物，因其粒小體輕，故而能在大氣中長期漂浮，并在大氣中不斷蓄積，與空氣中的二氧化硫和氧氣接觸時能把二氧化硫帶到人體肺葉深部,使毒性增加到3－4倍［2］。

二氧化硫是一種無色具有強烈刺激性氣味的氣體，易溶解于人體的血液，大氣中二氧化硫會導致呼吸道炎癥、支氣管炎、肺氣腫等。在氧化劑和光的作用下能生成硫酸鹽氣溶膠，使人致病，增加病人死亡率，而且二氧化硫?qū)饘偬貏e是對鋼材的腐蝕，每年都給經(jīng)濟帶來很大的損失。

空氣組成中，氮氣約占總量的72%。在高溫環(huán)境中，氮氣和氧氣結(jié)合就生成熱力型氮氧化物。氮氧化物主要包括：一氧化氮、二氧化氮和一氧化二氮等。氮氧化物是構(gòu)成大氣污染和產(chǎn)生光化學煙霧的根本物質(zhì)之一，污染危害廣泛，往往是全球性的，對人體健康、環(huán)境、生態(tài)的危害，以及對社會經(jīng)濟的破壞都很大。一氧化氮能使人中樞神經(jīng)麻痹和窒息死亡。

2 現(xiàn)存窯爐煙氣在除塵、脫硫、脫硝工藝中存在的問題及措施

2.1 除塵系統(tǒng)的現(xiàn)狀

除塵系統(tǒng)主要由集氣罩、風管、收塵器 、風機等組成。它的設計主要依據(jù)生產(chǎn)設備的排風量、溫度、濕度、含塵濃度、密度及凈化氣體的排放標準和當?shù)卮髿鈮旱葏?shù)。而生產(chǎn)設備排風量因工藝、規(guī)格、用途不同差異很大，它對集氣罩的設計和運行有較大的影響。據(jù)了解一些中小企業(yè)現(xiàn)用的集氣罩存在設計不合理、制作不規(guī)范、有局部漏風、漏灰現(xiàn)象，橫向風干擾控制不利、開口面積設計不規(guī)范、風量計算不準確等問題，造成集氣罩不能形成良好的負壓，除塵效果不理想。如若把設計計算和經(jīng)驗結(jié)合起來確定排風量則更具有實際意義。為此，首先選擇最佳的排氣罩形式，力求以最小的處理風量控制有害物；其次是除塵風管設計，部分中小企業(yè)在除塵管網(wǎng)設計上，主要存在以下問題：管道連接不規(guī)范、管徑設計不合理、主風管與支風管夾角偏大、管道風速設計有誤差，有的風速較小，易使管道積塵堵塞；有的風速較大，易使管道磨損，管網(wǎng)阻力不平衡，不僅增大了管網(wǎng)阻力，使設備投資過大，而且增加了系統(tǒng)能耗。

2.2 改進措施

根據(jù)設計規(guī)范，除塵系統(tǒng)的各支風管與主風管之間的不平衡壓力差應小于10%［3］，且支風管應盡量從側(cè)面或上部與主風管連接，管道變徑處要制作成漸擴（縮）管。三通夾角一般取15～30度，在除塵系統(tǒng)中管道內(nèi)各截面氣速是不等的，如除塵系統(tǒng)前，風管風速一般取18～22m/s，而除塵器后的排風管道內(nèi)氣體流速一般取8～10m/s［4］，如果風速選擇合理、管網(wǎng)阻力計算平衡、風量設計準確，則會降低系統(tǒng)的壓損，達到節(jié)能降耗的效果。同時針對超低排放問題，可對原有除塵器的過濾風速和過濾面積做技術評估和改造。例如增加除塵室、增加除塵器高度等。在過濾面積和濾料選擇方面做出適當調(diào)整，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對粉塵排放的超低控制，同時注重無組織排放，如裝車和包裝環(huán)節(jié)粉塵治理。

2.3 煙氣脫硫現(xiàn)狀及節(jié)能降耗措施

2.3.1 SO2的來源

中材國際研究總院教授級高工劉瑞芝總結(jié)說，水泥窯爐SO2的來源主要是高硫原料（石灰石、黏土）和燃料等，因石灰石地域限制和品位降低，不得不適用高硫石灰石，其含硫量為0.2%～2.0%不等，而煤的含硫量在0.6%～1.5%，且石灰石用量約為煤的10倍，是二氧化硫高排放的主要原因［5］。

原料中硫化物為黃鐵礦和白鐵礦（兩者均為FeS2），還有一些單硫化合物（如FeS），當原料中的部分低價硫化物進入回轉(zhuǎn)窯時，在400℃左右，就開始氧化并釋放出SO2，部分硫化物，如硫鐵礦，會在500～600℃發(fā)生氧化生成SO2氣體。原料中的硫酸鹽礦物主要包括石膏（CaSO4·2H2O）和硬石膏（CaSO4），這兩種礦物在常溫下很穩(wěn)定，在高溫帶分解出大量的SO2。

燃料中硫的存在形式和原料中的一樣，有硫化物、硫酸鹽及有機硫。燃料在回轉(zhuǎn)窯中燃燒，低價態(tài)的硫化物，一部分直接氧化成SO3，并形成穩(wěn)定的硫酸鹽；另一部分則氧化成SO2，進入煙囪排放。

2.3.2 煙氣脫硫現(xiàn)狀

煙氣脫硫（FGD）作為“末端控制”措施，是當今應用最廣的有效技術，在二氧化硫（SO2）的減排技術中占有重要地位。FGD的目的是用化學方法除去煙氣中的SO2而使煙氣得以凈化。迄今，經(jīng)過實踐檢驗的煙氣脫硫工藝不下20種，真正適合用于中小工業(yè)窯爐煙氣脫硫的卻不多，因此必須根據(jù)其特點和具體實施的條件加以綜合、分析和比較才能確定。在比較中，要強調(diào)因地、因廠、因窯制宜，不可隨意、隨機、隨大流，必須嚴格執(zhí)行有關排放標準和總量控制，應當立足于“短、易、實”，即短流程，易操作，實在有效。

2.3.3 煙氣脫硫節(jié)能降耗措施

2.3.3.1 脫硫劑的更換

實際應用中，建材窯爐在脫硫工藝上盲目的照搬、模仿。如河南某水泥廠窯尾煙氣流量41000Nm3/h，SO2排放濃度平均4500mg/m3，安裝了一套鈉堿法脫硫裝置，脫硫劑為火堿（NaOH），運行期間火堿用量240kg/h左右，火堿價格約為4400元/噸，大大超出企業(yè)日常運行負擔。

根據(jù)經(jīng)驗鈉堿法脫硫工藝比較適用于煙氣流量在5000Nm3/h以下的窯爐，為了使該企業(yè)節(jié)能降耗，結(jié)合現(xiàn)用脫硫工藝情況，在不增加額外投資的基礎上，建議將脫硫劑更換為純堿（Na2CO3），因純堿價格是火堿的一半。

脫硫反應式：

2.3.3.2 廢水治理利用

為提高脫硫效率降低成本，實現(xiàn)節(jié)能減排，將上式（3）產(chǎn)生的廢水進行治理利用。

化學反應式：

NaHSO3＋NaOH→Na2SO3＋H2O

2NaHSO3＋Na2CO3→2Na2SO3＋H2O＋CO2↑

生成的Na2SO3，可用于造紙、印染工業(yè)、食品工業(yè)、水處理工業(yè)。

2.3.3.3 抑制氧化，減少硫酸鈉

因硫酸鈉（Na2SO4）幾乎完全喪失吸收SO2能力，為了不增加洗滌過程中的副反應（氧化反應）產(chǎn)生Na2SO4（硫酸鈉），化學反應式：

Na2SO3＋ 1/2O2→Na2SO4

NaHSO3＋ 1/2O2→NaHSO4，

為減少Na2SO3的氧化，可在操作中添加阻氧化劑。

2.3.3.4 挖掘企業(yè)自身脫硫潛力

根據(jù)歐洲水泥協(xié)會頒布的BAT最佳范例技術推薦及鄭州永高環(huán)?？萍脊径嗄甑乃嗝摿蚪?jīng)驗，針對水泥廠不同的工藝設計及運行工況，從挖掘水泥工藝自身的脫硫潛力及優(yōu)化調(diào)整原料配料入手，如有窯尾增濕塔的，可在增濕塔上布置一定數(shù)量的噴槍，將濃度25%的Ca（OH）2水溶液，噴射到塔里，既能降低煙氣溫度和粉塵濃度，又能達到吸收SO2的目的；還可將窯尾一部分煙氣（經(jīng)熱平衡計算后）通入生料磨，與大量的堿性生料混合，也能抑制最高50%－70%的SO2排放［6］。

總之選擇脫硫方案需考慮以下幾個要素：原料、燃料的性質(zhì)和含硫量；當?shù)丨h(huán)保部門對脫硫率的要求及建成后征收的SO2排放費用；煙氣脫硫方案技術的成熟性、投資費及將來的運行維護費用；脫硫劑來源、價格及副產(chǎn)品的處理銷售；脫硫裝置占地和對原設備運行的影響。如果是在原有設施基礎上增設脫硫裝置，則在選擇脫硫方案時尚需考慮由此引起的拆遷、改建、停產(chǎn)時間，以及整個脫硫工程的經(jīng)濟性、施工工期等方面因素，只有這樣才能從根本上達到節(jié)能減排的目的。

3 煙氣脫硝現(xiàn)狀分析及問題處理

3.1 煙氣中氮氧化物來源

煙氣脫硝就是脫除廢氣中的氮氧化物（NOx），常用的方法有：選擇性非催化還原技術（SNCR）、選擇性催化還原技術（SCR）及分級燃燒技術。

根據(jù)測算，水泥行業(yè)氮氧化物的排放量占全國總量的10－12%［7］，已是居火力發(fā)電，汽車尾氣之后的第三大氮氧化物排放大戶。水泥窯爐中氮氧化物的形成主要有三種：（1）熱力型氮氧化物，它主要受溫度、持續(xù)時間和氧氣濃度的影響。溫度越高、煙氣在高溫區(qū)反應的時間越長、氧氣含量在一定范圍內(nèi)越高，則熱力型氮氧化物生成的越多。（2）燃料型氮氧化物，主要是煤中的含氮化合物經(jīng)熱解后氧化生成燃料型氮氧化物，它的影響因素主要有：溫度、煤中的含氮量、過?？諝庀禂?shù)、反應時間，在1200°以上溫度越高、燃料煤中氮含量越高生成氮氧化物越多。（3）瞬時型氮氧化物，在還原氣氛下并且相對過剩的時候，空氣中的N2與煤燃燒過程中所產(chǎn)生的碳氫自由根（C－H）反應，中間經(jīng)由氰化物快速生成瞬時型氮氧化物。

3.2 煙氣脫硝技術比較

3.2.1 SCR脫硝工藝

SCR 還原劑為（氨水、液氨、尿素），反應溫度（320～400℃），催化劑（TiO2、V2O5等重金屬氧化物），對系統(tǒng)通風的影響大（即增加系統(tǒng)阻力），占地空間大，投資和運行成本高，且由于水泥工業(yè)煙氣中煙塵量大，催化劑使用壽命會受到不利影響。造成催化劑中毒、堵塞失效。催化劑每立方價格在2萬元左右，中小企業(yè)采用SCR脫硝還要面臨催化劑成本問題［8］。

3.2.2 SNCR脫硝工藝

SNCR還原劑為（氨水、液氨、尿素），在爐膛850～1100℃這一狹窄的溫度范圍內(nèi)，在無催化劑作用下，氨或尿素等氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx，基本上不與煙氣中的O2（氧氣）反應，化學反應式。

氨為還原劑：NH3＋NOx→N2＋H20

尿素為還原劑：

CO（NH2）2→ 2NH2＋ CO

NH2＋NOx→ N2＋ H20

CO＋NOx→N2＋CO2

當溫度過高時，超過反應溫度窗口時，氨就會被氧化成NOx：

NH3＋O2→NOx＋H20

SNCR工藝的NOx脫除效率主要取決于反應溫度、NH3和NOx的化學計量比、混合程度、霧化粒度、反應時間等。研究表明SNCR工藝的溫度控制至關重要。若溫度過低，NH3的反應不完全，容易造成NH3逃逸，一般 SNCR工藝的逃逸氨一般控制在 5－10pmm。通常設計合理的SNCR工藝能達到70%的脫除效率，80%的效率也有文獻報道［9］。

3.3 SNCR脫硝工藝還原劑選擇及問題的處理

用于SNCR脫硝工藝中常使用的還原劑有尿素、液氨和氨水。

尿素（安全原料、便于運輸、脫硝溫度窗口較寬、尿素溶解要消耗一定熱量）；液氨（高危險性原料、運輸儲存成本高、有毒、易燃、易爆、儲存的安全防護要求高）；氨水（運輸成本高、需要較大的儲存罐、脫硝溫度窗口較窄有惡臭，揮發(fā)性和腐蝕性強）。對中小建材行業(yè)建議使用尿素作為還原劑，尿素不易燃燒和爆炸，無色無味，運輸、儲存、使用比較簡單安全；揮發(fā)性比氨水小，節(jié)省投資，對系統(tǒng)通風不影響，占地空間小。

尿素與NOx必須在很短的時間內(nèi)完成反應，否則尿素就會流動到較低的溫度區(qū)域，明顯降低尿素還原NOx的反應程度。為了使尿素與NOx的反應在很短的時間內(nèi)完成，必須對尿素溶液進行良好的霧化，霧化粒徑為50μm，選定合適揚程和流量的動力泵，噴射泵最好選擇變頻泵，便于調(diào)節(jié)流量。同時在泵的出口選擇比例閥，調(diào)節(jié)主管路上的流量和壓力。噴嘴處的氣體壓力要和泵的壓力匹配，其次應考慮噴嘴本身處于高溫部位,應具有良好的耐熱性能，不易被燒損。

在合適的溫度范圍內(nèi)，NH3、尿素等還原劑與煙氣的混合、水的蒸發(fā)、還原劑的分解和NOx的還原等步驟必須完成；停留時間的大小取決于爐體的氣路尺寸和煙氣氣速；SNCR系統(tǒng)中，停留時間一般為0.001s～10s。還原劑必須與煙氣分散和混合均勻；混合程度取決于爐的形狀與氣流的流場及噴槍布置形式。

4 結(jié)論

4.1 本文闡述的是煙氣末端控制技術，根據(jù)燃燒過程NOx的生成和破壞的機理和特點，證明NOx的生成與燃燒方式和工況有關，其生成量取決于溫度水平，此外還與空燃比、傳熱、煤種以及燃料、空氣和燃燒中間產(chǎn)物的混合程度有關。

4.2 可以通過改善燃燒方式、改變陶瓷、磚瓦、玻璃、水泥等熱工窯爐運行條件等措施，降低NOx的生產(chǎn)量，即低NOx燃燒技術，主要包括低氧燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器和低NOx爐膛設計等，這些是比較經(jīng)濟實用的減排途徑。

4.3 在對NOx排放要求非常嚴格的國家（如德國和日本），均是先采用NOx燃燒技術，減少一半以上的NOx后再考慮進行末端控制技術即煙氣脫硫脫硝，降低裝置入口的SO2、NOx濃度，減少投資和運行費用，從而達到一定的減排目標。