水泥窯爐煙氣脫硝及袋除塵一體化技術(shù)研究與優(yōu)化

黃鵬程 林 雪 陳長(zhǎng)卿 黃東明 洪亞軍

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 金華 321000； 2金華環(huán)保設(shè)備研究所， 浙江 金華 321000；3金華華東環(huán)保設(shè)備有限公司， 浙江 金華 321000)

水泥窯爐煙氣脫硝及袋除塵一體化技術(shù)研究與優(yōu)化

黃鵬程1林 雪2陳長(zhǎng)卿2黃東明2洪亞軍3

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 金華 321000； 2金華環(huán)保設(shè)備研究所， 浙江 金華 321000；3金華華東環(huán)保設(shè)備有限公司， 浙江 金華 321000)

隨著國(guó)家環(huán)保要求的提高和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步嚴(yán)格，單獨(dú)針對(duì)水泥窯爐煙氣脫硝或除塵的工藝已無(wú)法滿足現(xiàn)階段水泥環(huán)保領(lǐng)域發(fā)展的要求。文章闡述了一種針對(duì)水泥窯爐煙氣中氮氧化物和粉塵的脫硝除塵一體化治理技術(shù)，通過(guò)前端SNCR工藝脫硝和后端模塊化分室結(jié)構(gòu)除塵的組合，實(shí)現(xiàn)兩種污染物的治理，不僅降低了企業(yè)環(huán)保的成本投入，也填補(bǔ)了水泥窯爐煙氣污染物一體化治理的技術(shù)空白。

水泥窯爐；SNCR脫硝；除塵；一體化技術(shù)

水泥是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)原材料，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)一種材料可以替代它的地位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，水泥工業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。目前，我國(guó)擁有水泥企業(yè)5000多家，水泥產(chǎn)量連續(xù)多年位居世界首位，水泥總產(chǎn)量更是達(dá)到18.7億噸[1]。

與此同時(shí)，水泥工業(yè)氮氧化物的排放總量逐年上升，已是居火電工業(yè)、汽車尾氣排放之后的第三大氮氧化物排放大戶。就水泥工業(yè)而言，在大氣污染方面的污染物除了水泥窯爐煙氣中的氮氧化物之外，還包括粉塵污染，其粉塵排放量占全國(guó)工業(yè)行業(yè)粉塵排放總量的40%左右。因此，對(duì)水泥窯爐煙氣進(jìn)行脫硝除塵一體化的綜合治理，降低水泥工業(yè)氮

氧化物和粉塵的排放，緩解由此引發(fā)的一系列環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)成為亟待解決的環(huán)保任務(wù)。

1 國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)窯爐脫硝除塵現(xiàn)狀

目前，我國(guó)的水泥工業(yè)生產(chǎn)線中，以新型干法水泥的比例最高，高達(dá)80%。回轉(zhuǎn)窯(即水泥窯爐)則是新型干法水泥生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)裝備，同樣也是水泥行業(yè)氮氧化物和粉塵的主要排放源之一[2]。以江山虎球水泥有限公司4500t/d水泥熟料干法生產(chǎn)線為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，其水泥窯爐煙氣中的污染物含量及排放標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 水泥窯爐煙氣污染物含量及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一覽表

雖然國(guó)家對(duì)水泥行業(yè)的環(huán)保問(wèn)題日益重視，水泥生產(chǎn)中的氮氧化物和粉塵排放總量逐年降低，但污染問(wèn)題仍很嚴(yán)重。在這樣的情況下，如何用脫硝除塵一體化技術(shù)解決水泥窯爐煙氣中的氮氧化物和粉塵排放的問(wèn)題，不僅關(guān)系到我國(guó)環(huán)保政策的落實(shí)和實(shí)施，更影響了企業(yè)對(duì)于環(huán)保設(shè)備的成本投入，是整個(gè)水泥行業(yè)煙氣治理領(lǐng)域和環(huán)保設(shè)備研究領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)[3]。

2 脫硝除塵一體化技術(shù)工藝流程

衡量脫硝工藝裝備性能優(yōu)劣的三個(gè)重要指標(biāo)分別為脫硝效率、氨逃逸率、對(duì)工況系統(tǒng)的影響率；衡量除塵工藝裝備性能優(yōu)劣的三個(gè)重要指標(biāo)分別為出口煙塵濃度、煙塵排放量、除塵效率[4]。因此，針對(duì)上述脫硝和除塵的重要指標(biāo)，工藝流程如下：

含塵和含氮氧化物(NOX)的廢氣進(jìn)入混合氣進(jìn)風(fēng)通道，與還原劑噴槍噴出的還原劑進(jìn)行初步混合形成混合氣，還原劑的流量通過(guò)脫硝模塊中給料分配系統(tǒng)控制，并通過(guò)噴射與檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)。煙氣前端的NOX濃度、煙氣溫度等參數(shù)信號(hào)由工藝管理與控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)和控制。

在完成脫硝環(huán)節(jié)后，進(jìn)入除塵工序。含塵氣體進(jìn)入分室中間風(fēng)道，由氣流分配機(jī)構(gòu)將氣流均勻地分配給各個(gè)過(guò)濾室。含塵氣體在進(jìn)入過(guò)濾室時(shí)，由擋板的折擋使較大的塵粒在慣性力和重力的作用下直接落入灰斗中，其他塵粒隨氣流上升進(jìn)入各過(guò)濾室濾袋，經(jīng)過(guò)濾袋過(guò)濾后，塵粒被阻流在濾袋外側(cè)，凈化后的氣體由濾袋內(nèi)部進(jìn)入凈氣室箱體，由出風(fēng)口排入大氣。

3 脫硝除塵一體化技術(shù)實(shí)施方案

3.1 SNCR煙氣脫硝技術(shù)方案

水泥窯爐選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要由四個(gè)系統(tǒng)組成：氨水溶液循環(huán)系統(tǒng)，給料分配系統(tǒng)，噴射與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及工藝管理和控制系統(tǒng)。

(1)氨水溶液循環(huán)系統(tǒng)

圖1 水泥窯爐煙氣脫銷工藝流程圖

本脫硝方案使用的還原劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%濃度以下的氨水溶液，儲(chǔ)存在立式的雙層304不銹鋼氨水儲(chǔ)罐中。當(dāng)氨水儲(chǔ)罐內(nèi)層存在泄漏現(xiàn)象時(shí)，氨水會(huì)進(jìn)入到儲(chǔ)罐夾層當(dāng)中，預(yù)先安裝在夾層中的液位開(kāi)關(guān)或氨泄漏報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在儲(chǔ)罐附近設(shè)有2個(gè)氨水泵模塊，一個(gè)用來(lái)從槽車向儲(chǔ)罐加注氨水(PMF)，該模塊同時(shí)還可以用于緊急排水或?yàn)楣摅w維修時(shí)作排液準(zhǔn)備。另一個(gè)用來(lái)輸送氨水溶液到后續(xù)系統(tǒng)(PMR)。在卸氨泵站中，同時(shí)設(shè)置了氨氣回流裝置，以便于在氨水卸載過(guò)程中產(chǎn)生的氨氣得以返回到槽車中去，減少環(huán)境污染并保持良好的操作環(huán)境。

(2)給料分配系統(tǒng)

該系統(tǒng)是用來(lái)測(cè)量和控制正常運(yùn)行時(shí)需要的氨水量的組件，被裝配在給料分配模塊中，這些模塊配有一個(gè)控制閥和一個(gè)流量變送器，用來(lái)自動(dòng)控制到噴槍的氨水溶液總流量。另外，給料分配系統(tǒng)還包括手動(dòng)閥門(mén)、氣動(dòng)控制閥門(mén)以及玻璃浮子流量計(jì)。可以方便靈活地控制每根噴槍的實(shí)際流量，以便于獲得更加均勻的流場(chǎng)分布。在分配柜中還設(shè)置有壓力開(kāi)關(guān)、氨泄漏報(bào)警等自動(dòng)化控制儀表，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)分配柜的運(yùn)行狀態(tài)，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。由于水泥廠使用氨水作為還原劑時(shí)可以去掉稀釋水，在小規(guī)模系統(tǒng)中，還原劑通過(guò)給料分配系統(tǒng)進(jìn)行分配；在較大系統(tǒng)中，通過(guò)控制測(cè)量模塊結(jié)合噴射模塊分配還原劑。

(3)噴射與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)還原劑與煙氣均勻、充分的混合，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還原劑與煙氣中NOX的反應(yīng)情況。考慮到噴槍噴嘴的霧化效果對(duì)系統(tǒng)脫硝效率的影響，采用機(jī)械霧化或空氣霧化以提高噴槍的霧化效果。同時(shí)噴頭的介質(zhì)霧化角度大于130°，以擴(kuò)大還原劑噴出時(shí)與煙氣的接觸面積，提高反應(yīng)率。根據(jù)上述情況，進(jìn)行噴槍的專門(mén)設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生單一或多重噴霧、無(wú)角度或帶角度以及扇形噴霧。噴槍外部設(shè)計(jì)有材質(zhì)為耐熱的不銹鋼為材料的護(hù)套，以應(yīng)對(duì)惡劣的使用環(huán)境。對(duì)于規(guī)模較大的系統(tǒng)，用于控制和監(jiān)測(cè)噴槍的設(shè)備可以組裝在單獨(dú)的噴射模塊內(nèi)。小系統(tǒng)則會(huì)與給料分配系統(tǒng)結(jié)合在一起。

(4)工藝管理和控制系統(tǒng)

工藝管理和控制系統(tǒng)包含三個(gè)功能模塊：安裝在儲(chǔ)罐區(qū)域的分布式計(jì)算機(jī)控制模塊，安裝在給料分配系統(tǒng)中的工藝控制模塊，以及安裝在泵模塊中的泵體運(yùn)行控制模塊。其中，工藝控制模塊和泵體運(yùn)行控制模塊以分布式計(jì)算機(jī)控制模塊為基礎(chǔ)，屬于其附屬控制系統(tǒng)。分布式計(jì)算機(jī)控制模塊接收來(lái)自爐窯和其附屬控制柜的二進(jìn)制信號(hào)和模擬信號(hào)，通過(guò)換算，為還原反應(yīng)提供設(shè)定值，且和子控制柜以及中控室進(jìn)行交互控制。同時(shí)，分布式計(jì)算機(jī)控制模塊可實(shí)現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)的通信，接收全廠或者水泥生產(chǎn)線上其他信號(hào)，并實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)。除此之外，分布式計(jì)算機(jī)控制模塊還可實(shí)現(xiàn)氨水輸送模塊和給料輸送系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和處理功能，并實(shí)時(shí)記錄整條生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中的工藝參數(shù)變化，生成變化曲線。

3.2 水泥窯尾煙氣除塵技術(shù)方案

水泥窯尾煙氣除塵器主要由過(guò)濾系統(tǒng)、清灰系統(tǒng)、PLC 清灰程序系統(tǒng)、箱體和灰斗構(gòu)成。考慮到除塵器高溫的運(yùn)行工況，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取鋼材受熱膨脹伸縮措施，以防止由于焊縫拉裂造成的除塵器漏風(fēng)、串風(fēng)等問(wèn)題。

除塵器采用分室結(jié)構(gòu)，每一個(gè)過(guò)濾單元相對(duì)應(yīng)設(shè)有一個(gè)除塵袋室、潔凈室、灰斗、進(jìn)風(fēng)口和氣流分布裝置。同時(shí)，不同分室之間模塊化組合，濾袋下部有較大的空間，使含塵氣體在到達(dá)濾袋前得到沉降，減輕對(duì)濾袋的負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)濾袋使用壽命。

考慮到前端脫硝工序出口處的風(fēng)量仍舊較大，需將風(fēng)量均分于各分室。為使各室氣流分配較為均勻，在進(jìn)風(fēng)道的設(shè)計(jì)中采用氣流均化裝置。同時(shí)，濾袋骨架的縱筋數(shù)量根據(jù)濾料要求先選擇 12、16、24 根縱筋優(yōu)質(zhì)鋼絲制作，多點(diǎn)焊接自動(dòng)生產(chǎn)線生產(chǎn)，既保證了濾袋骨架強(qiáng)度，又防止了焊接毛刺對(duì)濾袋的影響，減少了與濾袋的摩擦，并采用了鍍鋅防護(hù)措施，延長(zhǎng)了濾袋骨架的使用壽命。

(1)水泥窯尾煙氣除塵分室結(jié)構(gòu)

水泥窯尾煙氣除塵器由32個(gè)過(guò)濾單元組成，當(dāng)含塵氣體由進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)入除塵器中間風(fēng)道時(shí)，氣流分布系統(tǒng)將含塵氣體均勻地分配給32個(gè)過(guò)濾單元。隨著過(guò)濾時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，濾袋外側(cè)附積的粉塵不斷增加，從而導(dǎo)致袋除塵器本身的阻力也逐漸升高。當(dāng)阻力達(dá)到預(yù)先的設(shè)定值(1200～1500Pa)時(shí)，PLC 清灰控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，首先命令一個(gè)噴吹單元的提升閥關(guān)閉以切斷該室的過(guò)濾氣流，接著給出指令打開(kāi)電磁脈沖閥，壓縮空氣以極短的時(shí)間0.1～0.2s，通過(guò)噴吹管和特制的噴嘴向?yàn)V袋噴入，由于壓縮空氣的誘導(dǎo)把凈氣室中大量的凈空氣吸入濾袋，濾袋面自上而下順序開(kāi)始膨脹，并迅速達(dá)到極限位置，此時(shí)又在濾袋張力的作用下產(chǎn)生反向加速度，這樣濾袋產(chǎn)生了高頻振動(dòng)變形，使濾袋外側(cè)所吸附的塵餅變形脫落。在粉塵沉降一定時(shí)間后，提升閥打開(kāi)，此噴吹單元再次處于過(guò)濾狀態(tài)，如此周而復(fù)始地清灰→停止→過(guò)濾，使收塵器阻力始終處于一定值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。

(2)煙氣防漏風(fēng)、串風(fēng)結(jié)構(gòu)

目前窯尾大型布袋除塵器，因其內(nèi)部處理的氣體溫度較高，一般都在200～260℃左右，如除塵器停用檢修時(shí)，除塵器處于常溫狀態(tài)，溫差達(dá)到150℃左右，在使用一段時(shí)間后，由于溫度的變化，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變形，使除塵器焊接薄弱部位以及應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致除塵器漏風(fēng)、串風(fēng)。由于熱脹冷縮而使風(fēng)道斜板產(chǎn)生拱曲或焊縫斷裂，風(fēng)道氣流紊亂或含塵氣體外漏，導(dǎo)致排放超標(biāo)。因此，在立柱與水泥基礎(chǔ)之間采用萬(wàn)向滑動(dòng)支座和風(fēng)道斜板采用V形折邊板構(gòu)造，如圖2、圖3。

圖2 萬(wàn)向滑動(dòng)支柱

圖3 風(fēng)道斜板V形折邊板結(jié)構(gòu)

除塵器立柱、橫梁全部采用矩形方管，箱體側(cè)板采用折彎焊接，風(fēng)道斜板采用V形折邊板構(gòu)造形成軟連接，以吸收鋼材變形應(yīng)力，在焊縫薄弱部位增加節(jié)點(diǎn)板以加強(qiáng)其承載能力。

4 結(jié)論

水泥窯爐不僅是新型干法水泥生產(chǎn)線的核心裝備，也是現(xiàn)階段水泥行業(yè)污染物排放的主要源頭之一。在種類眾多的污染物中，以氮氧化物和粉塵污染最為突出。因此，國(guó)家相關(guān)部門(mén)針對(duì)水泥行業(yè)污染物排放，制定了《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4915-2013)等一系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定NOX的排放限值為400 mg/Nm3，粉塵的排放濃度應(yīng)≤30 mg/Nm3。

現(xiàn)階段水泥行業(yè)的水泥窯爐煙氣排放的治理主要集中在氮氧化物排放濃度上，大多數(shù)未將粉塵排放作為治理對(duì)象。隨著國(guó)家政策的收緊，水泥行業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步降低，而對(duì)水泥窯爐中不同污染物的排放檢測(cè)也將趨于嚴(yán)格。因此，脫硝除塵一體化技術(shù)不僅可以在一套工藝流程中解決兩種污染物的減排任務(wù)，也能在環(huán)保裝備上為企業(yè)降低投入成本，是水泥窯爐煙氣排放治理的大趨勢(shì)。

[1] 金玲,蔣春來(lái),楊金田,等.“十二五”水泥行業(yè)氮氧化物控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2012(5):19-23.

[2] 李曉燕.水泥窯爐SNCR脫硝工藝技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2015(14):66-67.

[3] 徐嬌霞,丁明,尤振豐,等.玻璃窯爐煙氣脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)探討[J].玻璃,2013,40(5):43-45.

[4] 吳振山,鮑倩,任鵬程.一種協(xié)同除塵的脫硝工藝[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2015(23):104-105.

Researchandoptimizationofintegratedtechnologyoffluegasdenitrificationandbag-typedustremovalincementkilns

Huang Pengcheng1，Lin Xue2，Chen Changqing2，Huang Dongming2，Hong Yajun3

(1.Jinhua Polytechnic, Jinhua 321000；2.Jinhua Institute of Environmental Equipment, Jinhua 321000；3.Jinhua East China Environmental Equipment Co., Ltd., Jinhua 321000)

With the national environmental protection requirements and standards to further strict, for the cement kiln, flue gas denitrification or dust removal alone has been unable to meet the current stage of development of cement environmental protection requirements. This paper describes a kind of integrated treatment technology for denitrification and dust removal of nitrogen oxides and dust in the flue gas of cement kiln. By combining the front end SNCR process denitrification and the back-end modular partition structure dust removal, two kinds of pollutants are treated. This can reduce the cost of environmental investment of enterprises, and also fill the technology gaps in flue gas pollutants integrated management for cement furnaces.

cement kiln; SNCR; dust removal; integration technology

X701

A

浙江省公益技術(shù)研究社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(2015C33228)

2017-10-25; 2017-11-28修回

黃鵬程(1986-)，男，博士，副教授，研究方向：環(huán)保設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人，自動(dòng)控制技術(shù)。E-mail：83285908@qq.com