水泥窑尾废气超低排放的技术探讨

摘要：全面介绍了水泥工业废气中粉尘、氮氧化物、二氧化硫三项主要指标及其超低排放的限值、技术路线可行性探讨和指标实践效果。主要参考燃煤锅炉相关超低排放的路线和措施，利用新材料、新技术的不断发展进步，结合水泥生产工艺及废气特性提出了兼顾水泥生产、节能降耗和超低排放的综合实施新思路。

关键词：水泥工业废气；除尘；脱硫；脱硝；超低排放

国家环境保护力度不断加大，电力、钢铁、水泥、垃圾焚烧等工业的废气污染物排放控制标准日益严格，各行业实行废气超低排放势在必行。

“超低排放”的概念是在火电厂燃煤锅炉废气治理领域提出的，比照天然气燃气轮机组标准设计了排放限值，比目前GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》中规定的重点地区燃煤锅炉特别排放限值更低。

GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》确定的燃煤锅炉超低排放值见表1。

目前火电行业绝大部分企业已经成功实现了废气超低排放，主要是煤电锅炉运行中，综合采用了多种污染物高效协同脱除技术，例如90%以上锅炉采用SCR+电袋除尘器+石灰石膏湿法脱硫技术，实现了粉尘排放≤5mg/m3(标)，NOx≤50mg/m3(标），SO2≤35mg/m3（标)。系统运行效果良好，说明技术是成熟可靠的，现行超低排放限值很可能上升为新的国家标准。水泥行业也必将全面实施。

1水泥窑废气排放现状及超低排放指标设定

探讨“超低排放”受到了环保业界、地方政府乃至国家的高度重视，是新环保标准修订的基础。在国家青山绿水的生态文明建设的新政策下，各行业环保都在进行“超低排放”的尝试。从政府加强环境保护和人民追求美好生活的角度出发，这个限值肯定是越低越好，但应根据具体工业工艺过程的差异，研究最适合的环保实用技术措施，科学提出最合理的低限值。水泥生产主要污染物是粉尘、氮氧化物及二氧化硫，部分地区水泥废气中二氧化硫含量还相当高。现有的GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》规定在重点地区主要指标为：粉尘排放≤20mg/m3(标)，NOx≤320mg/m3(标)，SO2≤100mg/m3(标)。对比电力行业排放标准，水泥行业标准相对宽松。

按照国家环保排放监测要求，所有水泥生产线主要排尘点，特别是窑头、窑尾及生料磨，全部设置了废气排放在线监测，粉尘、氮氧化物、二氧化硫等有害物排放值实时传送到当地及国家环保监测部门，限值一般按功能区和地方政府的规定执行。虽然地方政府的规定限值一般都低于国家标准限值，但实际上都没能达到燃煤发电行业超低排放值，对氮氧化物和二氧化硫基本按照国家排放标准上限执行。

目前我国水泥生产线氮氧化物减排路线实施的都是低氮燃烧+SNCR脱硝技术，氮氧化物减排实际运行效果不稳定，而采用SNCR脱硝绝对不可能实现超低排放。二氧化硫减排是近几年才开始实施的，有干法和湿法多种实施路线。水泥生产有害物减排技术一直存在路线之争，也有多种技术路线实验和应用，但都没有形成共识，不像电力行业超低排放减排路线已经标准化。按照国家青山绿水的生态文明发展理念，我们应该按照更高的水泥超净排放限值要求，研究和实施我们的水泥环保技术。对于含重金属、氟化物及水泥协同处置危废、污泥、垃圾等工艺的有机物、二恶英等本文不加讨论，只对水泥前三项主要污染物的“超低排放”值提出讨论指标。

水泥生产工艺复杂，废气气体成分、性质也比燃煤锅炉复杂，进一步降低水泥窑废气主要排放限值比燃煤锅炉要复杂。表2提出了水泥窑超低排放的讨论值和目标值两组数字。水泥工艺与电力工艺不同，环保技术路线不同，所能达到的结果也不同，基于此进行分析，较合理的水泥超低排放限值应定在“讨论值”。但我们努力的方向必须是实现“目标值”。

2现有干法水泥熟料生产线窑尾系统典型工艺简介

现有干法水泥熟料生产线窑尾系统工艺主要有两种，即三风机系统和两风机系统。图1为辊磨系统组成的窑尾三风机系统典型工艺，图2为两风机系统工艺。

三风机系统，即窑尾高温风机+窑尾废气风机+生料磨系统循环风机。虽然生料磨系统有多种配置方案，如球磨、辊磨、辊压机+球磨、辊压机+球磨及辊压机终粉磨系统等，但对于窑尾风机配置基本一样。三风机分工明确，系统负压平衡较好，各设备承受负压较低，易于操作，因此这种系统实际应用很多。

两风机系统是三风机系统的简化，生料磨采用辊磨时非常合适，它简化了工艺，设备布局紧凑，投资低。但三风机变为两风机系统后，系统设备负压明显提高，系统对设备漏风更为敏感，需要更严格管理。两风机系统实际应用偏少，但在我国以海螺集团为代表的水泥生产线上却有大量应用。实践表明，生产管理得好时，两风机系统会比三风机系统节能。

需要说明的是，我国上世纪80年代至2000年初新建的水泥生产线大多没有余热发电系统，后来改造增加余热锅炉的生产线很多，且当时窑尾废气除尘几乎全是电除尘器，这些锅炉更多的是与增湿塔串联，也有受工艺布局限制采用了塔炉并联。如果当初采用了袋除尘器或改为了袋除尘器，完全可以采用塔炉并联工艺布局，当然就不符合以上所谓典型工艺系统。

我们介绍和分析目前水泥窑尾工艺系统，主要目的是为后续探讨不同工艺系统超低排放的最佳技术路线，因为大多数水泥超低排放工程是对现有水泥工艺的改造。

3实现水泥生产废气超低排放三项指标的技术探讨及实践

3.1粉尘超低排放技术与实践

粉尘治理在水泥工业领域一直是最受重视的，也是在所有工业废气治理中做得较好的，但目前超低排放实施效果也不尽如人意。高性能除尘器的研究是实现粉尘超低排放的关键，而评价除尘器性能先进性的指标主要有四项：更高的除尘效率、更低的设备阻力、更可靠稳定的设备性能和更低廉的运行维护成本。因此，如何降低水泥废气粉尘排放，我们主要进行了如下工作：

（1）确定高效除尘装备技术路线

水泥窑尾废气处理系统都是按含生料磨烘干联合操作废气考虑的，特点是工况参数常变，以典型的五级预热器系统主设备串联工艺为例，即图1、2示意的工艺，至少可以产生如表3的工况参数。

可见诸多工况参数变化情况下，要实现超低排放，对同一台除尘器必须考虑最恶劣的工况去计算定型和结构设计。

电除尘器和袋除尘器都可达到粉尘的超低排放的限值。但从除尘机理去分析，电除尘器是靠静电吸附的机理除尘的，必须先给粉尘颗粒荷电，荷电效果不仅与电场电源设备相关，更与气体的温度、露点温度、粉尘量相关，且是非线性相关，对温度和露点温度特别敏感。试验和工程实践都证明，窑尾废气的露点温度在30℃左右时，尘粒几乎无法荷电，电除尘效率极低，是增湿塔不能投运的事故状态，达标排放几乎无法实现，其他事故状态，如极线断、极板变形都会造成除尘效率下降。若要避免此类事故，我们就要加大成本投入，考虑足够大的备用系数来达到可靠的性能，这就迫使我们在粉尘超低排放技术路线研究中不得不放弃终端除尘设备采用电除尘器。

袋式除尘器是治理大气粉尘污染的高效除尘设备，最大优点是除尘效率高，过滤效率与气体温度、露点温度在较宽的适应范围内几乎无关，与入口粉尘含量正相关，即粉尘含量越高除尘效率越高，出口排放基本恒定。不断出现的高性能过滤材料，使其粉尘过滤效率在实验室高达99.9999%，对气体成分、温度、露点温度的适应范围越来越广，在实际应用中也能达到99.99%。现在的滤袋及除尘器结构技术完全可以做到粉尘排放浓度≤10mg/m3，甚至达到2mg/m3，这是袋式除尘器的过滤机理所决定的。

因此，我们确定了研发先进袋除尘器实现粉尘超低排放的技术方向。近10年来，在除尘清灰高效、过滤低阻、性能可靠方面我们做了大量的研究工作，也付诸了大量实践，很多案例成果达到了粉尘的超低排放要求。

（2）袋除尘器结构性能研究

多年来，我们一直致力于大型袋除尘器装备的开发研制，并取得了显著的成果。早期，我们基于引进的富乐公司技术，开发了气箱脉冲清灰系列袋除尘器和分室风机反吹清灰系列袋除尘器，并在水泥厂各排尘点成功应用。1998年，在北京水泥厂应用的窑尾大型高温反吹清灰袋除尘器获得了国家科技进步奖。但这种除尘器受结构和清灰方式所限，其过滤风速不能太高，造成设备体积相对庞大，投资很高，对于大规模（＞4000t/d）水泥熟料生产线尤其如此。而气箱脉冲袋除尘器虽然过滤风速可以提高，但不能实现长袋清灰，因此不适合大风量高温废气的处理。

2001年，我们开始研究行喷脉冲清灰长袋袋收尘器。除尘器的新结构采用自引流脉冲喷吹装置（非文氏管）（图3）和长袋分排清灰，将袋长由3m加长到6m以上，基本解决了袋长限制。

2003年首次成功用于水泥生产线窑尾，此项技术获得2005年天津市及国家建材联合会科技进步二等奖，而后推广应用到了几乎所有新型干法水泥生产线。

2005年，结合琉璃河水泥厂窑尾电除尘器改造，我们开始推出净气室室内换袋结构的袋除尘器（图4），大大降低了整机漏风率。

天瑞大连水泥厂有规模相同的两条5000t/d水泥生产线，建设中分别采用两台不同换袋形式的窑尾袋除尘器。投入运行约一年后，从除尘效果（主要是破袋率不同引起）、运行阻力等方面，都显示出内换袋型除尘器优于顶换袋型。我们特别测试对比了除尘器本体实际漏风率：普通结构的顶部换袋形式袋除尘器漏风率达12%，而室内换袋结构的袋除尘器漏风率只有2.3%。当然除尘器的漏风率高可能是因为检修维护时人孔门未完全复位造成，致使窑尾废气风机电能消耗巨大。

还有就是除尘器漏风带来的废气降温，足以造成大面积本体结露和早期腐蚀。因此，我们对大型高温或高负压袋除尘器定型结构全部采用室内换袋，该结构每一个室只有一个面积比较小的侧面人孔门，而且是双层门。

2007年，针对我们的非袋内文氏管或保护管喷吹结构，我们又将传统的圆形喷吹管（图5）改进为方形管（图6），这就简化了喷嘴接口处理，提高了喷嘴定位精度和与喷管中心线垂直度公差的精度。图6的喷嘴明显比图5喷嘴的定位公差和垂直度公差更易控制，因此更适合专业加工工具的应用和提高产品加工效率。更重要的是，自此变更后再没有出现喷嘴偏差造成的破袋案例。

（3）实现优秀袋除尘器开发设计的现代化设计手段

袋除尘器结构尺寸离散性很强，同规模生产线、同一应用点的袋除尘器都不尽相同，远不及电除尘器规范化程度高。主要是缺乏统一技术标准，或说标准缺乏约束力，应用中产生多种结构系列产品，同一除尘器设计制造企业也需适应不同用户和不同环境的要求，随时变更结构设计。另外，国家环保标准不断提高，除尘器更新改造工作很多，结构设计更是千差万别，从某种意义上说袋除尘器属于“非标”设计，这就造成了工作量巨大和除尘器实际应用性能的参差不齐。实现袋除尘器产品质量高、性能稳定和设计效率高，一定需要现代化的设计手段。

2008年初，我们开始了“袋式除尘器数字化设计与综合研发平台”的研发工作，历时10年，针对袋除尘器产品创新研发的全过程，包括结构、流场、过滤、清灰过程，以数字化设计技术为基础，创新研发手段，准确高效解决实际应用问题，不断提升袋除尘器产品综合性能指标，构建了袋式除尘器产品研发数据库，分别开发了“袋式除尘器流场技术仿真分析优化系统”、“袋式除尘器结构优化设计系统”，建成了“袋式除尘器综合测试平台”、“袋式除尘器综合验证平台”和袋式除尘器性能综合实验基地（图7、8）。

研发平台解决了袋式除尘器产品创新的行业共性关键技术，包括：基于国际先进的TRIZ的集成创新技术、多场仿真技术、产品快捷和定制优化技术、数字化样机模型及重构技术、数字化仿真测试评价技术及组态化实验验证技术等，可实现开发袋式除尘器新产品变结构、新工艺、新型滤材等的综合测试实验。利用平台，我们已经完成了不同基型的袋式除尘器分风、过滤及清灰等性能的数值模拟计算、数据分析、仿真测试及实验验证，获取了复杂需求前端对应的数据规律。