廢氣量減排對大氣污染控制技術效率的要求

王相鳳，束韞，劉宇，田剛，譚玉玲，龍紅艷，鄧雙*

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.北京化工大學，北京 100029

近年來，京津冀、長三角和珠三角等區域PM2.5污染加重，每年出現霧霾污染的天數達100 天以上，個別城市甚至超過200 天［1-2］。國務院辦公廳印發的《大氣污染防治行動計劃》和國務院常務會議通過的《中華人民共和國大氣污染防治法(修訂草案)》明確提出將霧霾問題列為需解決的問題［3］。“霧霾”已經作為社會熱點名詞出現在大眾面前，也是我國目前面臨的主要大氣環境污染問題之一。發達國家在其經濟高速發展時也大都出現過霧霾現象，其控制措施主要是通過控制排放煙氣的污染物濃度和減少廢氣量的排放共同作用［4-5］。我國能源主要以單位熱量產生污染物遠大于石油和天然氣等能源的燃煤為主，因此以廢氣量減排為基礎的研究將為解決霧霾問題提供指導意見。筆者對廢氣量減排與污染物濃度關系進行分析，探討廢氣量減排對大氣污染控制技術效率的要求，進一步提出研究大氣污染控制技術的必要性。

1 廢氣量減排現狀與污染物的對應關系

廢氣量減排包括3 個方面的內容:設備內部的廢氣量減排、設備之間的廢氣量減排和企業之間的廢氣量減排(圖1)。

圖1 廢氣量減排的幾種方式Fig.1 The patterns of wasting gas reduction

現有廢氣量減排案例中設備內廢氣量減排技術主要有荷蘭的EOS 技術、奧地利的內循環工藝EPOSINT 技術、德國的LEEP 技術、日本的區域性廢氣循環技術，而水泥窯協同處置生活垃圾是典型的設備之間廢氣量減排技術和企業之間廢氣量減排技術［6］。在典型行業廢氣量減排現狀下，已有的大氣污染控制技術效率能滿足排放要求。

1.1 水泥生產廢氣量減排與顆粒物和SO2 濃度的關系

我國是水泥生產大國，2013年水泥年產量達到24.1 ×108t，占全球的50%以上［7］。國內單條新型干法水泥窯生產線熟料產能超過10 000 t/d［8-9］。新型干法水泥窯生產線是水泥行業廢氣量減排的典型技術之一，該技術利用干法生產線的窯尾廢氣烘干生料，部分窯頭廢氣用于煤粉烘干、回轉窯助燃空氣(二次風)、分解爐助燃及預熱器預熱空氣(三次風)，降低了能耗［10］。日本、德國等發達國家，采用以懸浮預熱和預分解為核心的新型干法水泥窯生產工藝，其使用率占95%［11-12］。

以某4 500 t/d 新型干法水泥窯生產線為例(表1)。水泥行業一般配備除塵設備，靜電除塵器的顆粒物排放濃度為40 mg/m3，在新型干法水泥窯生產線條件下，現有除塵技術能夠達到50 mg/m3排放標準，未滿足加嚴標準(30 mg/m3)［13］。電袋和布袋除塵器的顆粒物排放濃度在10 ～50 mg/m3，可滿足加嚴標準。

表1 某4 500 t/d 新型干法水泥窯污染物原始濃度和標準值對照表Table 1 The original concentration and standard values of pollutants in new dry process cement kiln (4 500 t/d)

國際上水泥窯協同處置廢物技術開始于20 世紀70年代，1974年首次試驗于加拿大Lawrence 水泥廠，隨后美國Peerless、德國Ruderdorf 等10 多家水泥廠先后進行了試驗。我國水泥窯協同處置技術起步較晚，1995年北京昌平水泥廠開始試燒廢油墨渣、油漆渣和有機廢液，2003年逐步轉入協同焚燒正常生產的狀態，隨后四川廣旺集團天臺水泥廠焚燒處理系統開始運行［14］。相較于焚燒爐內溫度(800 ℃)，水泥回轉窯內氣體溫度(1 600 ℃)較高，水泥回轉窯內為堿性氣氛且停留時間較長，有利于對燃燒產生的酸性氣體等產生作用，也促進了重金屬元素固定在氧化物固體中。在現有水泥窯協同處置廢物技術生產條件下，水泥窯SO2濃度較低，SO2原始濃度僅為200 mg/m3，生產后排放濃度直接達標。

1.2 鋼鐵生產廢氣量減排與NOx 和SO2 濃度關系

2011年我國粗鋼產量約6.955 ×108t，占世界鋼鐵產量的45%以上。據統計，鋼鐵行業現役燒結機約1 200 臺，燒結面積13 ×104m2，高爐1 370 多座。《關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》中明確指出，鋼鐵行業為防控重點行業，NOx為其重點污染物之一［15］。因此，選用鋼鐵行業探討廢氣量減排與NOx濃度關系。燒結煙氣循環利用技術是將燒結過程排出的一部分載熱氣體返回燒結點火器以后的臺車上再循環使用的燒結方法，可回收燒結煙氣的余熱，提高燒結的熱利用效率，降低固體燃料消耗。燒結工序是鋼鐵行業能耗及污染物排放大戶，國內外的研究和工業實踐表明，燒結煙氣循環利用技術既顯著減少燒結工藝生產的廢氣排放總量以及污染物排放量，又能回收煙氣中的低溫余熱、降低燒結工序能耗，節能減排效果顯著。主要技術有EOS、EPOSINT、LEEP、區域性廢氣循環技術等。據報道［16］，其節能效果達到焦粉耗量減少2 ～12 kg/t(以燒結礦計)，NOx排放量減少30% ～45%，SO2排放量減少25% ～46%。在鋼鐵行業廢氣量減排中，NOx和SO2能夠達標排放。

2 我國廢氣量減排技術需求方向

我國廢氣量減排技術需求方向:煙氣中含氧量與空氣接近，可作為工業或電站鍋爐的助燃空氣;煙氣中含氧量較低，可作為固體廢物、生活垃圾、生物質等熱解氣源;煙氣成分含有一定熱值，可作為工業或電站鍋爐的助燃氣體;煙氣具有一定余溫，余熱可回收利用，用于發電或者物料、燃料烘干;還需滿足煙氣利用后對后續整體生產工藝不會造成明顯不利影響。

3 情景分析廢氣量減排技術與污染物濃度關系

以某工廠為例，假設為理想狀態(不考慮漏風率等因素)，生產線1 和生產線2 獨立運行，各生產線進口廢氣量(Q進)和出口廢氣量(Q出)均為α m3，電除塵器除塵效率(η塵)為99.9%，石灰石/石灰-石膏濕法脫硫效率(ηSO2)為95%，SNCR 脫硝效率(ηNO2)為50%。大氣污染物濃度以加嚴達標濃度限值計算，假定出口顆粒物濃度(c塵)為30 mg/m3，出口SO2濃度(cSO2)為200 mg/m3，出口NOx(以NO2計)濃度(cNO2)為400 mg/m3。生產線1 和生產線2 以企業之間廢氣量減排技術模式形成廢氣量減排組合后，假定進口廢氣量(Qc進)和出口廢氣量(Qc出)均為2α m3，污染物濃度不變，計算廢氣量利用效率最大值狀態下，廢氣量減排與污染物濃度關系。

3.1 廢氣量減排與顆粒物濃度關系

式中:m進塵和m出塵分別為單生產線除塵器進口、出口顆粒物的質量，mg;mc進塵和mc出塵分別為組合后除塵器進口、出口顆粒物的質量，mg。

對比式(1)和式(4)，生產線1 和生產線2 以企業之間廢氣量減排技術模式形成廢氣量減排組合，應用廢氣量減排技術后，顆粒物排放量增加，因此，對除塵效率提出了更高的要求。

3.2 廢氣量減排與SO2 濃度關系

式中:m進SO2和m出SO2分別為單生產線脫硫進口、出口SO2的質量，mg;mc進SO2和mc出SO2為組合后脫硫進口、出口SO2的質量，mg。

對比式(5)和式(8)，生產線1 和生產線2 以企業之間廢氣量減排技術模式形成廢氣量減排組合，應用廢氣量減排技術后，SO2排放量增加，因此，對脫硫效率提出了更高的要求。

3.3 廢氣量減排與NOx 濃度關系

式中:m進NO2和m出NO2分別為單生產線脫硝進口、出口NO2的質量，mg;mc進NO2和mc出NO2分別為組合后脫硝進口、出口NO2的質量，mg。

對比式(9)和式(12)，生產線1 和生產線2 以企業之間廢氣量減排技術模式形成廢氣量減排組合，應用廢氣量減排技術后，NO2排放量增加，因此，對脫硝效率提出了更高的要求。

4 深度控制技術必要性

《大氣污染防治行動計劃》中提出，強化科技研發和推廣;加強脫硫、脫硝、高效除塵等方面的技術研發，推進技術成果轉化應用;全面推行清潔生產;大力發展循環經濟;大力培育節能環保產業等［10］。應用廢氣量減排技術后，污染物排放量增加，是否對現有污染物控制技術提出更高要求展開如下分析。

(1)廢氣量減排對顆粒物控制技術效率要求

為滿足加嚴標準，生產線1 和生產線2 以企業之間廢氣量減排技術模式形成廢氣量減排組合，假設出口顆粒物的質量為m出塵，由3.1 節可知，其除塵效率(ηc塵)為:

(2)廢氣量減排對SO2控制技術效率要求

為滿足加嚴標準，生產線1 和生產線2 以企業之間廢氣量減排技術模式形成廢氣量減排組合，假設出口SO2的質量為m出SO2，由3.2 節可知，其脫硫效率(ηcSO2)為:

(3)廢氣量減排對NO2控制技術效率要求

為滿足加嚴標準，生產線1 和生產線2 以企業之間廢氣量減排技術模式形成廢氣量減排組合，假設出口NO2的質量為m出NO2，由3.3 節可知，其脫硝效率(ηcNO2)為:

結合式(13)～(15)，廢氣量減排技術的應用對大氣污染控制技術提出了更高的要求:除塵效率提高到99.95%，脫硫效率提高到97.5%，脫硝效率提高到75%，應加快深度減排大氣污染控制技術的開發。

5 結論與建議

(1)廢氣量減排是控制霧霾的有效途徑之一。

(2)廢氣量減排技術應用后大氣污染物排放量有升高的可能，因而對大氣污染控制技術提出了更高的要求，將除塵效率提高到99.95%，脫硫效率提高到97.5%，脫硝效率提高到75%。

建議對全國相關行業進行廢氣量減排技術可行性分析，鼓勵開展廢氣量減排的研究與示范，研究與廢氣量減排相配套的深度大氣污染控制技術以及管理政策，實現具有中國特色的污染物減排和政策的創新。

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