超高溫除塵技術在水泥行業應用的探討

張松，王作杰，葛媛媛

近年來，國家環保力度不斷加大，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。GB 4915《水泥工業大氣污染物排放標準》，自1985 年版到2013 年版，無論是監控項目數量還是各項目限值的嚴格程度，逐版都有很大提高，前三版的限值甚至嚴于電力標準GB 13223《火電大氣污染物排放標準》，但是到2014 版標準，其指標已經與GB 13223-2011 持平，其中某些指標，如NOX，其排放標準限值已經落后，與火電行業提出的“超低排放”相差更遠。火電行業能實現“超低排放”，說明水泥行業環保技術還有很大進步空間。本文討論了在保證系統可靠穩定運行的前提下，進行窯頭電除塵器改造的情況，也討論了針對窯尾SCR 脫硝，在余熱鍋爐之前，增加高溫除塵器和SCR反應器的工藝改造方案。通過技術改造，可解決窯頭面臨的除塵器“燒袋”風險和余熱鍋爐磨損問題，也可解決窯尾SCR技術受限問題。文中所稱超高溫袋除塵器，是為了與現有的水泥窯窯尾、窯頭、烘干機高溫袋除塵器區分。

1 水泥行業高溫煙氣治理現狀

水泥生產過程中會產生大量高溫煙氣（300～450℃），其中主要污染物為粉塵、NOX、SO2等。對煙氣中的粉塵，一般采用降溫后進入袋除塵器的方式進行減排。在沒有余熱利用設備的系統中，不僅浪費大量的余熱資源，降溫系統還需額外消耗大量能源。在有余熱利用設備的系統中，當余熱利用系統檢修或出現“跑黃料”、高溫風機調停等情況時，為了避免袋除塵器“燒袋”，一般會增加噴水降溫設備或空氣冷卻器等應急降溫裝置。應急降溫系統不僅提高了投資成本，占用了土地，而且增加了整個工藝系統的復雜度及運維成本。更需要注意的是，降溫設備絕大部分時間處于閑置狀態，造成了資源的浪費。

煙氣中的氮氧化物（NOX）減排分為以低氮燃燒、分級燃燒技術為主的燃燒過程減排和以SNCR脫硝技術為主的燃燒后減排。低氮燃燒脫硝和分級燃燒脫硝效率一般＜30%[1]，因此，在排放標準不斷提高的條件下，燃燒后的脫硝必不可少。

目前，國內水泥廠燃燒后的脫硝基本采用SNCR技術。當脫硝效率控制在50%～70%時，氨氮比高達1.4～1.7[2]，70%的脫硝效率無法滿足更高標準的排放要求，且過量噴氨會導致生產成本增加和環境的二次污染。

針對水泥行業NOX的超低排放指標（NOX≤100mg/m3（標）），只有使用脫硝效率更高的SCR 技術可以滿足要求。SCR 已經在火電行業超低排放中取得成功，但同時也存在一些問題，如粉塵導致催化劑中毒、堵塞、磨損等。在水泥行業，窯尾粉塵濃度高，且具有一定粘性，SCR 催化劑工作環境比火電行業惡劣很多，使得SCR技術在水泥行業的應用受到限制。從歐洲水泥工業應用SCR 技術的經驗來看，高粉塵濃度會使催化劑中毒，不僅使脫硝效率降低，也大幅縮短了催化劑使用壽命，NOX排放只能控制在200mg/m3（標）以下，催化劑仍需頻繁更換，中毒的催化劑仍需修復[3]。

因此，在SCR脫硝之前，進行高溫除塵，顯得尤為重要。

2 高溫除塵技術

水泥行業應用的高溫除塵技術主要有旋風除塵器技術和靜電除塵器技術。旋風除塵器除塵效率低，只能用于預除塵。靜電除塵器運行成本和維護要求高，且其除塵效率受粉塵比電阻、高壓電源及控制系統等多種因素的影響很大，在高溫、高濃度粉塵的情況下，靜電除塵器常常無法高效、穩定地運行。

目前，國內外的陶瓷纖維和金屬纖維濾料在800℃以下具有良好的強度、耐腐蝕性和高過濾精度，可滿足高溫粉塵的超低排放要求[4]，且已成功應用于工程項目中[5]。采用陶瓷纖維和金屬纖維濾料作為過濾介質的袋式除塵器是高溫除塵系統的最佳選擇。

3 高溫除塵技術在窯頭改造的應用探討

針對常規的窯頭工藝系統，我們提出了一種窯頭電除塵器改造技術和設備方案。該方案在保證系統可靠穩定運行的前提下，簡化了工藝流程，減少了設備及占地面積，降低了系統運行維護費用，提升了總體經濟效益。

圖1 直接電改袋工藝

圖2 電改袋后將余熱鍋爐后置的工藝

窯頭高溫電改袋有不改變原工藝系統而直接將原電除塵殼體改為高溫袋除塵器（即直接電改袋工藝）和電改袋后將余熱鍋爐后置兩種改造方式。

直接電改袋工藝如圖1 所示。直接電改袋方案與普通電改袋方案在本體改造方面類似，但不需增加其他工藝設備，施工、安裝更為簡單，整個系統穩定運行的可靠性更高，投資和綜合運行成本更低。

電改袋后將余熱鍋爐后置的工藝如圖2所示。高溫改造后將余熱鍋爐后置，窯頭高溫含塵煙氣直接進入改造后的高溫除塵器除塵，潔凈高溫氣體再進入余熱發電系統進行余熱利用，最后通過煙囪排出。當余熱發電系統離線時，高溫除塵器出口的潔凈高溫氣體可直接由高溫風機引入煙囪排出。

鍋爐后置改造方案具有以下優點：

（4）將試板用乙醇擦拭干凈。干燥后，以試板長向的中心線為準，從試板的一端與膠帶的一端對齊，順中心線向試板另一端粘過去125 mm，剩下的125 mm粘膠面與紙相貼，并將試板上的膠面壓緊。將與紙相貼部分180°反折超出試板上端25 mm。此端夾于試驗機上端夾頭，試板之下端夾于下面夾頭。以300 mm/min的速度勻速的連續拉開，記錄其最大負荷，單位為N/25 mm。取三條試件的平均值。

（1）高溫煙氣先進入高溫除塵器除塵，再進余熱發電系統，可消除粉塵對余熱發電系統的磨損、堵塞，降低余熱發電系統的運行維護成本；同時可消除鍋爐內部積灰，提高鍋爐熱效率和廢氣余熱的利用，提高系統經濟效益。

（2）窯頭高溫氣體直接入除塵器，再進入余熱發電系統，省去了旋風除塵器或干擾式分離器，減小了系統阻力。

（3）除塵后的高溫氣體用于煤磨，可省去煤磨熱風用除塵器，可提高煤粉燃燒效率，減少能源消耗。

（4）簡化工藝系統后，設備節點減少，減少了系統漏風點，簡化了工藝操作，提高了可靠性，此外，還節約了廠區空間。

經濟效益對比：

普通電改袋方案：按3年更換一批濾袋、6年換袋籠計，折合每年維護材料成本如下：

濾袋年成本：2 802×460/3=429 640元

袋籠年成本：2 802×120/6=56 040元

合計年費用為865 680 元（未計算人工、機具、時間成本）。

高溫改造方案：過濾裝置預期壽命8～10年，按9年壽命折合每年維護材料成本計算如下：

過濾元件年成本：3 000×1 323/9=441 000元

以上未計算空冷器維護、余熱鍋爐更換管束維護成本。

高溫過濾方案雖然計算年維護材料成本偏高，但毋容置疑，整體經濟效益可大幅提高。

4 高溫除塵技術在窯尾改造的應用探討

針對窯尾SCR脫硝，我們提出了一種在余熱鍋爐之前，增加高溫除塵器和SCR 反應器，先高溫除塵，再SCR 脫硝的改造方案。工藝流程如圖3 所示。

本方案優點：使水泥行業可以采用SCR脫硝技術或SNCR+SCR 脫硝技術，實現脫硝效率90%以上，滿足NOx的超低排放要求。經除塵后的高溫煙氣通過SCR 催化劑，催化劑基本上不受粉塵影響，可提高脫硝效率，減少催化劑用量，大幅提高催化劑使用壽命。高溫煙氣經除塵脫硝后，進入后級余熱鍋爐，可大幅減少余熱鍋爐磨損、管壁積灰，減少設備維護工作和維護資金；可提高換熱效率，保證設備長期高效運轉。本方案利用原有增濕塔的空間位置，無需額外用地，為改造提供了有利條件。系統設有旁路，可保證不會因高溫除塵脫硝系統故障和檢修影響整個生產系統的正常運轉。

考慮到水泥窯生產線布置緊湊，新增高溫除塵器所需占用的空間不好解決等問題，可以考慮用高溫除塵器代替預熱器一級筒，SCR 反應器置于預熱器頂層平臺之上，工藝流程如圖4所示。

原有預熱器一級筒出口粉塵濃度達60g/m3（標），粉塵帶走熱量約7.33×4.18kJ/kg 熟料。改為高溫除塵器后，除塵效率在99.99%以上，出口粉塵濃度在10mg/m3以下，粉塵所帶走的熱量基本能回收進回轉窯系統。5 000t/d 水泥熟料生產線按年運轉300d計算，可以節省標煤1 500t/年。

圖3 高溫除塵后SCR脫硝工藝流程

5 結語

圖4 高溫除塵器替代一級筒工藝流程

文中探討的除塵技術實際正常運行溫度并不是很高，之所以稱之為超高溫濾袋，主要是因為這種濾袋本身可承受的極限溫度很高（一般可達500～800℃），不用因擔心“燒袋”而采用應急降溫措施。水泥生產過程中受高溫、高濃度粉塵影響，窯頭面臨袋除塵器“燒袋”風險和余熱鍋爐磨損的問題，窯尾面臨SCR技術應用受限的問題，采用陶瓷和金屬纖維濾料的高溫袋除塵技術，可高效、穩定地解決以上問題，帶來很大的經濟效益和社會效益。