朱 艷 張雪華
1.河南省鄭州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心;2.鄭州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所
鄭州市地處華北平原南部、黃河中下游,居河南省中部偏北,西靠嵩山北臨黃河,地形以平原為主,西部山區(qū)擁有較豐富的石灰石礦山資源,水泥企業(yè)數(shù)量較多,廢氣污染物排放量大,水泥行業(yè)廢氣成為制約區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量改善的原因之一。
水泥行業(yè)生產(chǎn)通常分為生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨3個階段,生料制備階段主要是使用礦山開采出的石灰石原料、黏土質(zhì)原料與少量校正原料經(jīng)破碎后,按一定比例配合、磨細(xì)并調(diào)配為成分合適、質(zhì)量均勻的水泥生料;生料經(jīng)預(yù)熱器和預(yù)分解系統(tǒng)預(yù)熱∕分解后,在水泥窯內(nèi)煅燒至部分熔融得到以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料,稱為熟料煅燒階段。水泥粉磨是在熟料中加入適量石膏、混合材料或外加劑共同磨細(xì)成為水泥成品,經(jīng)檢驗合格,包裝或散裝出廠。
熟料煅燒階段排放廢氣污染物量最大,二氧化硫、氮氧化物等氣態(tài)污染物和大部分有組織顆粒物在此階段排放。熟料煅燒有兩種窯型設(shè)備:一種是以回轉(zhuǎn)窯為主要生產(chǎn)設(shè)備,包括新型干法窯、預(yù)熱器窯、濕法回轉(zhuǎn)窯等;另一種是以立式窯為主要生產(chǎn)設(shè)備,包括普通立窯和機(jī)械化立窯。
新型干法回轉(zhuǎn)窯窯型是目前水泥生產(chǎn)的先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備,其核心是水泥熟料煅燒的窯外預(yù)分解技術(shù),與在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成預(yù)熱、分解、燒結(jié)多個過程的傳統(tǒng)工藝相比,它將熟料煅燒過程變成兩段操作:即在預(yù)熱器和分解爐內(nèi)完成生料預(yù)熱和石灰石分解(CaCO3→CaO+CO2,900℃);在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫條件下(1400℃~1500℃)完成熟料燒成。該窯型設(shè)備能夠提高回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)效率和生產(chǎn)能力,降低能源消耗和污染物排放。
根據(jù)河南省水泥行業(yè)統(tǒng)計信息,2017 年度鄭州市水泥熟料企業(yè)20家,主要分布在登封市、滎陽市、新密市和鞏義市等市域西部及西南部,全市水泥熟料設(shè)計產(chǎn)量為4.7萬噸∕日,占全省總產(chǎn)量的13%[1]。近年來,鄭州市水泥行業(yè)技術(shù)和裝備水平不斷提高,普及新型干法回轉(zhuǎn)窯窯型及余熱發(fā)電設(shè)施,具有一定的區(qū)位、規(guī)模、成本優(yōu)勢,行業(yè)整體盈利能力有所改善,但由于水泥行業(yè)存在產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、高耗能、高排放、大運輸量和依賴礦山資源等特點,使水泥行業(yè)面臨結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩和環(huán)境約束加緊等問題。
根據(jù)鄭州市環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù),2018 年鄭州市水泥行業(yè)煤炭消耗量約102 萬噸,燃料煤平均含硫量為0.41%,水泥熟料年產(chǎn)量約為963 萬噸,水泥行業(yè)全工段廢氣排放總量為243 億立方米,其中二氧化硫廢氣污染物排放量為0.033萬噸、氮氧化物廢氣污染物排放量為0.225萬噸、顆粒物污染物排放量為0.388萬噸,廢氣污染物排放合計總量(指二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放量之和)為0.646萬噸,約占全市廢氣污染物排放總量的16%,為廢氣污染物排放量排名第二位的行業(yè)[2]。
鄭州市水泥行業(yè)4000噸-熟料∕日及以上規(guī)模新型干法熟料水泥生產(chǎn)線窯尾廢氣主要治理工藝為:爐內(nèi)脫硫法、低氮燃燒+SNCR 聯(lián)合脫硝法和袋式除塵器,處理后廢氣中顆粒物、二氧化硫和氮氧化物平均排放濃度分別為 8mg∕m3~13mg∕m3、14mg∕m3~24mg∕m3和 105mg∕m3~148mg∕m3;其他規(guī)模較小的特種水泥生產(chǎn)線窯尾廢氣脫硫治理工藝主要為:雙堿法或石灰石石膏脫硫,脫硝治理工藝主要為:低氮燃燒+SNCR聯(lián)合脫硝法、SCR+SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)和選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)等,除塵治理工藝主要為:電袋除塵法和袋式除塵器,處理后廢氣中顆粒物、二氧化硫和氮氧化物平均排放濃度分別為10mg∕m3~12mg∕m3、14mg∕m3~28mg∕m3和103mg∕m3~170mg∕m3,各污染物排放濃度均滿足《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4915—2013)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。
國家現(xiàn)行水泥行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)為《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4915—2013),主要污染工序水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)大氣污染物排放限值為顆粒物和二氧化硫、氮氧化物的排放濃度30mg∕m3、200mg∕m3和400mg∕m3,其中鄭州市屬于重點地區(qū),執(zhí)行大氣污染物特別排放限值,排放濃度加嚴(yán)至20mg∕m3、100mg∕m3和320mg∕m3[3]。河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB41∕1953—2020)要求主要污染工序水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)的顆粒物和二氧化硫、氮氧化物大氣污染物排放限值加嚴(yán)至 10mg∕m3、35mg∕m3和100mg∕m3[4],水泥行業(yè)廢氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值及執(zhí)行時間詳見表1。
表1 水泥行業(yè)廢氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值及執(zhí)行時間(mg∕m3)
對照2018年水泥行業(yè)現(xiàn)有廢氣污染物排放統(tǒng)計信息,鄭州市水泥行業(yè)需要采取煙氣“超低排放”等更加先進(jìn)的廢氣污染治理工藝及設(shè)施。煙氣“超低排放”原指火電廠燃煤鍋爐采用的多污染物高效協(xié)同處理集成技術(shù),使燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10mg∕m3、35mg∕m3、50mg∕m3)[5]。目前,“超低排放”廢氣治理技術(shù)已在鋼鐵、水泥、碳素等行業(yè)廢氣治理提標(biāo)中試用。
鄭州市水泥企業(yè)顆粒物廢氣治理現(xiàn)狀廣泛使用布袋、電袋復(fù)合等高效除塵器,可以通過更換耐高溫覆膜濾袋措施對廢氣袋式收塵器進(jìn)行升級改造,能夠使水泥行業(yè)顆粒物排放濃度實現(xiàn)超低排放。水泥窯是堿性環(huán)境,二氧化硫排放濃度一般較低,若二氧化硫排放濃度較高時可以通過增建脫硫設(shè)施,優(yōu)化脫硫劑噴射控制系統(tǒng),能夠使水泥行業(yè)二氧化硫廢氣排放濃度達(dá)到超低排放限值要求。
水泥行業(yè)氮氧化物達(dá)標(biāo)是治理技術(shù)提升的關(guān)鍵難點,氮氧化物(NOx)是指氮的氧化物總稱,主要包括NO、NO2、N2O、N2O3等,氮氧化物是形成酸雨的原因之一,它還能與揮發(fā)性有機(jī)物形成光化學(xué)煙霧,屬于PM2.5的前提物。水泥行業(yè)煙氣中的氮氧化物主要為NO和少量的NO2,在回轉(zhuǎn)窯和預(yù)熱分解爐等生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)產(chǎn)生,其中回轉(zhuǎn)窯溫度在1400℃~1500℃,主要產(chǎn)生熱力型氮氧化物(為空氣中的N2在高溫下氧化而產(chǎn)生的NOx,其生成量與燃燒溫度、氧氣濃度、高溫區(qū)停留時間等有關(guān))和燃料型氮氧化物(為燃料中的氮化合物在燃燒過程中熱分解、氧化而生成),預(yù)熱分解爐溫度在900℃左右,主要產(chǎn)生燃料型氮氧化物。氮氧化物廢氣治理提升可以采用優(yōu)化控制選擇性非催化還原系統(tǒng)(SNCR)噴氨量,改造預(yù)熱分解爐分級燃燒、燃燒器的燃燒溫度和反應(yīng)區(qū)間等低氮燃燒措施。低氮燃燒屬于源頭控制技術(shù),包括低氮燃燒器和預(yù)熱分解爐分級燃燒。低氮燃燒器是通過增加燃燒器風(fēng)道,降低一次空氣比例,使燃料煤粉分級燃燒;預(yù)熱分解爐分級燃燒是利用助燃風(fēng)分級或燃料分級加入,形成的貧氧氣氛或富燃料區(qū)域,產(chǎn)生CO、CH4等還原性氣體,這些還原性氣體會與爐窯內(nèi)的氮氧化物發(fā)生反應(yīng),將氮氧化物還原成N2,從而實現(xiàn)水泥行業(yè)生產(chǎn)過程中的氮氧化物的減排。優(yōu)化低氮燃燒控制措施時,應(yīng)根據(jù)所使用的燃料類型,結(jié)合生料中的硫、堿含量等,在窯尾、預(yù)熱分解爐錐體等部位加裝便于調(diào)整的燃燒器,避免產(chǎn)生局部高溫區(qū),使煤粉在貧氧區(qū)生成CO等還原性氣體;同時,還可對回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的煅燒過程進(jìn)行精細(xì)化控制,調(diào)整利于降低NOx的火焰性狀和適宜的煅燒溫度,在不影響熟料質(zhì)量的前提下,盡量降低過??諝庀禂?shù),確保原燃料喂料量準(zhǔn)確均勻穩(wěn)定,精細(xì)操作、適當(dāng)調(diào)整窯系統(tǒng)的各項操作參數(shù);從而最大限度地降低氮氧化物的產(chǎn)生,達(dá)到低氮燃燒效果。鄭州市某水泥企業(yè)煙氣超低排放改造內(nèi)容及效果見表2。
表2 鄭州市某水泥企業(yè)煙氣超低排放改造內(nèi)容及效果情況(mg∕m3)
水泥行業(yè)還應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)、運輸、貯存環(huán)節(jié)無組織排放顆粒物的管控,各種水泥原料、燃料要入庫入棚,可以采用全封閉機(jī)械化料場、筒倉、圓庫等物料儲存方式,各產(chǎn)塵點應(yīng)按照“應(yīng)收盡收”原則配置廢氣收集設(shè)施,使收集治理設(shè)施與生產(chǎn)工藝設(shè)備同步運轉(zhuǎn)。通過以上污染治理技術(shù)提升改造措施,鄭州市現(xiàn)有水泥企業(yè)廢氣污染物能夠?qū)崿F(xiàn)“超低排放”,可以滿足水泥行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)排放限值要求。
(1)2018年度鄭州市水泥行業(yè)廢氣治理技術(shù)及水平較高,各項廢氣污染物排放濃度滿足該年度國家和地方標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2)隨著環(huán)境管理要求的不斷深入,建議水泥行業(yè)進(jìn)一步從源頭控制污染物產(chǎn)生量,優(yōu)化低氮燃燒等“超低排放”技術(shù),提升改造廢氣治理水平。