鄭州市水泥行業廢氣治理技術提升探索

朱 艷 張雪華

1.河南省鄭州生態環境監測中心；2.鄭州市環境保護科學研究所

1 引言

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，西部山區擁有較豐富的石灰石礦山資源，水泥企業數量較多，廢氣污染物排放量大，水泥行業廢氣成為制約區域環境空氣質量改善的原因之一。

2 水泥行業主要生產工藝和設備設施

水泥行業生產通常分為生料制備、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、黏土質原料與少量校正原料經破碎后，按一定比例配合、磨細并調配為成分合適、質量均勻的水泥生料；生料經預熱器和預分解系統預熱∕分解后，在水泥窯內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成為水泥成品，經檢驗合格，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備：一種是以回轉窯為主要生產設備，包括新型干法窯、預熱器窯、濕法回轉窯等；另一種是以立式窯為主要生產設備，包括普通立窯和機械化立窯。

新型干法回轉窯窯型是目前水泥生產的先進生產設備，其核心是水泥熟料煅燒的窯外預分解技術，與在回轉窯內完成預熱、分解、燒結多個過程的傳統工藝相比，它將熟料煅燒過程變成兩段操作：即在預熱器和分解爐內完成生料預熱和石灰石分解（CaCO3→CaO＋CO2，900℃）；在回轉窯內高溫條件下（1400℃～1500℃）完成熟料燒成。該窯型設備能夠提高回轉窯運轉效率和生產能力，降低能源消耗和污染物排放。

3 鄭州市水泥行業分布及發展現狀

根據河南省水泥行業統計信息，2017 年度鄭州市水泥熟料企業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，全市水泥熟料設計產量為4.7萬噸∕日，占全省總產量的13%[1]。近年來，鄭州市水泥行業技術和裝備水平不斷提高，普及新型干法回轉窯窯型及余熱發電設施，具有一定的區位、規模、成本優勢，行業整體盈利能力有所改善，但由于水泥行業存在產能嚴重過剩、高耗能、高排放、大運輸量和依賴礦山資源等特點，使水泥行業面臨結構性產能過剩和環境約束加緊等問題。

4 鄭州市水泥行業廢氣污染物排放和治理技術情況

根據鄭州市環境統計數據，2018 年鄭州市水泥行業煤炭消耗量約102 萬噸，燃料煤平均含硫量為0.41%，水泥熟料年產量約為963 萬噸，水泥行業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[2]。

鄭州市水泥行業4000噸-熟料∕日及以上規模新型干法熟料水泥生產線窯尾廢氣主要治理工藝為：爐內脫硫法、低氮燃燒+SNCR 聯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；其他規模較小的特種水泥生產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聯合脫硝法、SCR+SNCR聯合脫硝技術和選擇性非催化還原技術（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《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB 4915—2013）標準限值要求。

5 水泥行業廢氣標準限值及治理技術提升探索

國家現行水泥行業排放標準為《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB 4915—2013），主要污染工序水泥窯及窯尾余熱利用系統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，執行大氣污染物特別排放限值，排放濃度加嚴至20mg∕m3、100mg∕m3和320mg∕m3[3]。河南省地方標準《水泥工業大氣污染物排放標準》（DB41∕1953—2020）要求主要污染工序水泥窯及窯尾余熱利用系統的顆粒物和二氧化硫、氮氧化物大氣污染物排放限值加嚴至 10mg∕m3、35mg∕m3和100mg∕m3[4]，水泥行業廢氣污染物排放標準限值及執行時間詳見表1。

表1 水泥行業廢氣污染物排放標準限值及執行時間（mg∕m3）

對照2018年水泥行業現有廢氣污染物排放統計信息，鄭州市水泥行業需要采取煙氣“超低排放”等更加先進的廢氣污染治理工藝及設施。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同處理集成技術，使燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即在基準氧含量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”廢氣治理技術已在鋼鐵、水泥、碳素等行業廢氣治理提標中試用。

鄭州市水泥企業顆粒物廢氣治理現狀廣泛使用布袋、電袋復合等高效除塵器，可以通過更換耐高溫覆膜濾袋措施對廢氣袋式收塵器進行升級改造，能夠使水泥行業顆粒物排放濃度實現超低排放。水泥窯是堿性環境，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施，優化脫硫劑噴射控制系統，能夠使水泥行業二氧化硫廢氣排放濃度達到超低排放限值要求。

水泥行業氮氧化物達標是治理技術提升的關鍵難點，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，它還能與揮發性有機物形成光化學煙霧，屬于PM2.5的前提物。水泥行業煙氣中的氮氧化物主要為NO和少量的NO2，在回轉窯和預熱分解爐等生產設施內產生，其中回轉窯溫度在1400℃～1500℃，主要產生熱力型氮氧化物（為空氣中的N2在高溫下氧化而產生的NOx，其生成量與燃燒溫度、氧氣濃度、高溫區停留時間等有關）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），預熱分解爐溫度在900℃左右，主要產生燃料型氮氧化物。氮氧化物廢氣治理提升可以采用優化控制選擇性非催化還原系統（SNCR）噴氨量，改造預熱分解爐分級燃燒、燃燒器的燃燒溫度和反應區間等低氮燃燒措施。低氮燃燒屬于源頭控制技術，包括低氮燃燒器和預熱分解爐分級燃燒。低氮燃燒器是通過增加燃燒器風道，降低一次空氣比例，使燃料煤粉分級燃燒；預熱分解爐分級燃燒是利用助燃風分級或燃料分級加入，形成的貧氧氣氛或富燃料區域，產生CO、CH4等還原性氣體，這些還原性氣體會與爐窯內的氮氧化物發生反應，將氮氧化物還原成N2，從而實現水泥行業生產過程中的氮氧化物的減排。優化低氮燃燒控制措施時，應根據所使用的燃料類型，結合生料中的硫、堿含量等，在窯尾、預熱分解爐錐體等部位加裝便于調整的燃燒器，避免產生局部高溫區，使煤粉在貧氧區生成CO等還原性氣體；同時，還可對回轉窯系統的煅燒過程進行精細化控制，調整利于降低NOx的火焰性狀和適宜的煅燒溫度，在不影響熟料質量的前提下，盡量降低過?？諝庀禂担_保原燃料喂料量準確均勻穩定，精細操作、適當調整窯系統的各項操作參數；從而最大限度地降低氮氧化物的產生，達到低氮燃燒效果。鄭州市某水泥企業煙氣超低排放改造內容及效果見表2。

表2 鄭州市某水泥企業煙氣超低排放改造內容及效果情況（mg∕m3）

水泥行業還應加強生產、運輸、貯存環節無組織排放顆粒物的管控，各種水泥原料、燃料要入庫入棚，可以采用全封閉機械化料場、筒倉、圓庫等物料儲存方式，各產塵點應按照“應收盡收”原則配置廢氣收集設施，使收集治理設施與生產工藝設備同步運轉。通過以上污染治理技術提升改造措施，鄭州市現有水泥企業廢氣污染物能夠實現“超低排放”，可以滿足水泥行業新標準排放限值要求。

6 研究結論及建議

（1）2018年度鄭州市水泥行業廢氣治理技術及水平較高，各項廢氣污染物排放濃度滿足該年度國家和地方標準要求。

（2）隨著環境管理要求的不斷深入，建議水泥行業進一步從源頭控制污染物產生量，優化低氮燃燒等“超低排放”技術，提升改造廢氣治理水平。