水泥窯尾廢氣超低排放的技術探討（上）

王作杰

國家環境保護力度不斷加大，電力、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等工業的廢氣污染物排放控制標準日益嚴格，各行業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域提出的，比照天然氣燃氣輪機組標準設計了排放限值，比目前GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規定的重點地區燃煤鍋爐特別排放限值更低。

GB 13223-2011《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。

表1 GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》規定的燃煤鍋爐超低排放值

目前火電行業絕大部分企業已經成功實現了廢氣超低排放，主要是煤電鍋爐運行中，綜合采用了多種污染物高效協同脫除技術，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，實現了粉塵排放≤5mg/m3（標），NOx≤50mg/m3（標），SO2≤35mg/m3（標）。系統運行效果良好，說明技術是成熟可靠的，現行超低排放限值很可能上升為新的國家標準。水泥行業也必將全面實施。

1 水泥窯廢氣排放現狀及超低排放指標設定探討

“超低排放”受到了環保業界、地方政府乃至國家的高度重視，是新環保標準修訂的基礎。在國家青山綠水的生態文明建設的新政策下，各行業環保都在進行“超低排放”的嘗試。從政府加強環境保護和人民追求美好生活的角度出發，這個限值肯定是越低越好，但應根據具體工業工藝過程的差異，研究最適合的環保實用技術措施，科學提出最合理的低限值。

水泥生產主要污染物是粉塵、氮氧化物及二氧化硫，部分地區水泥廢氣中二氧化硫含量還相當高。現有的GB 4915-2013《水泥工業大氣污染物排放標準》規定在重點地區主要指標為：粉塵排放≤20mg/m3（標），NOx≤320mg/m3（標），SO2≤100mg/m3（標）。對比電力行業排放標準，水泥行業標準相對寬松。按照國家環保排放監測要求，所有水泥生產線主要排塵點，特別是窯頭、窯尾及生料磨，全部設置了廢氣排放在線監測，粉塵、氮氧化物、二氧化硫等有害物排放值實時傳送到當地及國家環保監測部門，限值一般按功能區和地方政府的規定執行。雖然地方政府的規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電行業超低排放值，對氮氧化物和二氧化硫基本按照國家排放標準上限執行。目前我國水泥生產線氮氧化物減排路線實施的都是低氮燃燒+SNCR脫硝技術，氮氧化物減排實際運行效果不穩定，而采用SNCR脫硝絕對不可能實現超低排放。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。水泥生產有害物減排技術一直存在路線之爭，也有多種技術路線實驗和應用，但都沒有形成共識，不像電力行業超低排放減排路線已經標準化。

按照國家青山綠水的生態文明發展理念，我們應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保技術。對于含重金屬、氟化物及水泥協同處置危廢、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。

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

2 現有干法水泥熟料生產線窯尾系統典型工藝簡介

現有干法水泥熟料生產線窯尾系統工藝主要有兩種，即三風機系統和兩風機系統。圖1為輥磨系統組成的窯尾三風機系統典型工藝，圖2為兩風機系統工藝。

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

兩風機系統是三風機系統的簡化，生料磨采用輥磨時非常合適，它簡化了工藝，設備布局緊湊，投資低。但三風機變為兩風機系統后，系統設備負壓明顯提高，系統對設備漏風更為敏感，需要更嚴格管理。兩風機系統實際應用偏少，但在我國以海螺集團為代表的水泥生產線上卻有大量應用。實踐表明，生產管理得好時，兩風機系統會比三風機系統節能。

表2 水泥超低排放的討論值和目標值

圖1 三風機系統

圖2 兩風機系統

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線大多沒有余熱發電系統，后來改造增加余熱鍋爐的生產線很多，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，也有受工藝布局限制采用了塔爐并聯。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工藝布局，當然就不符合以上所謂典型工藝系統。

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

表3 五級預熱器系統主要設備串聯工藝的工況參數

3 實現水泥生產廢氣超低排放三項指標的技術探討及實踐

3.1 粉塵超低排放技術與實踐

粉塵治理在水泥工業領域一直是最受重視的，也是在所有工業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粉塵超低排放的關鍵，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、更低的設備阻力、更可靠穩定的設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路線

水泥窯尾廢氣處理系統都是按含生料磨烘干聯合操作廢氣考慮的，特點是工況參數常變，以典型的五級預熱器系統主設備串聯工藝為例，即圖1、2示意的工藝，至少可以產生如表3的工況參數。

可見諸多工況參數變化情況下，要實現超低排放，對同一臺除塵器必須考慮最惡劣的工況去計算定型和結構設計。

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備相關，更與氣體的溫度、露點溫度、粉塵量相關，且是非線性相關，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，達標排放幾乎無法實現，其他事故狀態，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來達到可靠的性能，這就迫使我們在粉塵超低排放技術路線研究中不得不放棄終端除塵設備采用電除塵器。

袋式除塵器是治理大氣粉塵污染的高效除塵設備，最大優點是除塵效率高，過濾效率與氣體溫度、露點溫度在較寬的適應范圍內幾乎無關，與入口粉塵含量正相關，即粉塵含量越高除塵效率越高，出口排放基本恒定。不斷出現的高性能過濾材料，使其粉塵過濾效率在實驗室高達99.999 9%，對氣體成分、溫度、露點溫度的適應范圍越來越廣，在實際應用中也能達到99.99%。現在的濾袋及除塵器結構技術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。

圖3 自引流噴吹裝置

圖4 室內換袋單元

因此，我們確定了研發先進袋除塵器實現粉塵超低排放的技術方向。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）袋除塵器結構性能研究

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，開發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用。1998年，在北京水泥廠應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。但這種除塵器受結構和清灰方式所限，其過濾風速不能太高，造成設備體積相對龐大，投資很高，對于大規模（＞4 000t/d）水泥熟料生產線尤其如此。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。除塵器的新結構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線窯尾，此項技術獲得2005年天津市及國家建材聯合會科技進步二等獎，而后推廣應用到了幾乎所有新型干法水泥生產線。

2005年，結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換袋結構的袋除塵器（圖4），大大降低了整機漏風率。

天瑞大連水泥廠有規模相同的兩條5 000t/d水泥生產線，建設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，都顯示出內換袋型除塵器優于頂換袋型。我們特別測試對比了除塵器本體實際漏風率：普通結構的頂部換袋形式袋除塵器漏風率達12%，而室內換袋結構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構全部采用室內換袋，該結構每一個室只有一個面積比較小的側面人孔門，而且是雙層門。

2007年，針對我們的非袋內文氏管或保護管噴吹結構，我們又將傳統的圓形噴吹管（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，因此更適合專業加工工具的應用和提高產品加工效率。更重要的是，自此變更后再沒有出現噴嘴偏差造成的破袋案例。

圖5 方形噴吹管

圖6 圓形噴吹管

圖7 袋式除塵器數字化設計與綜合研發平臺研發技術路線

（3）實現優秀袋除塵器開發設計的現代化設計手段

袋除塵器結構尺寸離散性很強，同規模生產線、同一應用點的袋除塵器都不盡相同，遠不及電除塵器規范化程度高。主要是缺乏統一技術標準，或說標準缺乏約束力，應用中產生多種結構系列產品，同一除塵器設計制造企業也需適應不同用戶和不同環境的要求，隨時變更結構設計。另外，國家環保標準不斷提高，除塵器更新改造工作很多，結構設計更是千差萬別，從某種意義上說袋除塵器屬于“非標”設計，這就造成了工作量巨大和除塵器實際應用性能的參差不齊。實現袋除塵器產品質量高、性能穩定和設計效率高，一定需要現代化的設計手段。

2008年初，我們開始了“袋式除塵器數字化設計與綜合研發平臺”的研發工作，歷時10年，針對袋除塵器產品創新研發的全過程，包括結構、流場、過濾、清灰過程，以數字化設計技術為基礎，創新研發手段，準確高效解決實際應用問題，不斷提升袋除塵器產品綜合性能指標，構建了袋式除塵器產品研發數據庫，分別開發了“袋式除塵器流場技術仿真分析優化系統”、“袋式除塵器結構優化設計系統”，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）。

研發平臺解決了袋式除塵器產品創新的行業共性關鍵技術，包括：基于國際先進的TRIZ的集成創新技術、多場仿真技術、產品快捷和定制優化技術、數字化樣機模型及重構技術、數字化仿真測試評價技術及組態化實驗驗證技術等，可實現開發袋式除塵器新產品變結構、新工藝、新型濾材等的綜合測試實驗。利用平臺，我們已經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值模擬計算、數據分析、仿真測試及實驗驗證，獲取了復雜需求前端對應的數據規律。

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

項目技術成果應用在公司袋除塵器設計的四大產品系列和幾百臺“電改袋”除塵器改造，大大縮短了產品設計周期，有效提升了袋除塵器的各項技術指標和工作可靠性，穩定達到低排放效果，設備平均運行阻力降低，節能環保效果明顯。圖11為幾個典型應用案例。

圖8 袋式除塵器數字化設計與綜合研發平臺集成

圖9 低阻結構流場數字模擬

圖10 定型的室內換袋系列袋除塵器

圖11 典型應用案例介紹

從檢測和監測結果可見，粉塵排放基本可以實現“超低排放”。

研發平臺應用于產品設計的同時，還應用于生產，快速解決了很多除塵器及系統的實際問題。袋除塵器運行早期出現破袋問題。破袋原因很多很復雜，有結構設計不合理問題，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完成的2 500t/d水泥生產線后，直接委托我們將窯尾電除塵器改為袋除塵器，我們按常規在短期內進行了改造。生產線剛開始投入運行時效果良好，但約3個月后出現排放超標。我們檢查發現，有3條破袋產生，且集中在后部一個室內，我們僅進行了封堵處理。

又運行1個月左右，出現了更嚴重的排放超標，濃煙滾滾。我們再進行檢查發現，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，尋找各種設計結構、產品質量問題，業主甚至直接請來知名專家，但都沒有找到實質問題。我們再次簡單處理后繼續生產，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。