中小企业烟气治理与节能降耗

魏发灿，郑珦芊，王 娟，魏俊瑶

（郑州博发环保科技有限公司，新密 452370）

陶瓷、建材行业污染物治理仍然是工业领域绕不开的话题。随着我国供给侧改革的不断深入，针对陶瓷、建材行业污染治理、淘汰落后产能、错峰生产的开展，中小企业在环保节能措施上也在不断创新发展。传统三大污染（氮氧化物、硫化物、粉尘）如何进一步节能减排，成为当前中小企业亟待解决的问题。本文从现存的环保治理与节能降耗之间的联系角度进行浅析阐述。

1 窑炉烟气的组成及危害

窑炉排放的废气中含有大量的飘尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质。飘尘通常称为可吸入“微粒”，是物质燃烧时产生的颗粒状漂浮物，因其粒小体轻，故而能在大气中长期漂浮，并在大气中不断蓄积，与空气中的二氧化硫和氧气接触时能把二氧化硫带到人体肺叶深部,使毒性增加到3－4倍［2］。

二氧化硫是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，易溶解于人体的血液，大气中二氧化硫会导致呼吸道炎症、支气管炎、肺气肿等。在氧化剂和光的作用下能生成硫酸盐气溶胶，使人致病，增加病人死亡率，而且二氧化硫对金属特别是对钢材的腐蚀，每年都给经济带来很大的损失。

空气组成中，氮气约占总量的72%。在高温环境中，氮气和氧气结合就生成热力型氮氧化物。氮氧化物主要包括：一氧化氮、二氧化氮和一氧化二氮等。氮氧化物是构成大气污染和产生光化学烟雾的根本物质之一，污染危害广泛，往往是全球性的，对人体健康、环境、生态的危害，以及对社会经济的破坏都很大。一氧化氮能使人中枢神经麻痹和窒息死亡。

2 现存窑炉烟气在除尘、脱硫、脱硝工艺中存在的问题及措施

2.1 除尘系统的现状

除尘系统主要由集气罩、风管、收尘器 、风机等组成。它的设计主要依据生产设备的排风量、温度、湿度、含尘浓度、密度及净化气体的排放标准和当地大气压等参数。而生产设备排风量因工艺、规格、用途不同差异很大，它对集气罩的设计和运行有较大的影响。据了解一些中小企业现用的集气罩存在设计不合理、制作不规范、有局部漏风、漏灰现象，横向风干扰控制不利、开口面积设计不规范、风量计算不准确等问题，造成集气罩不能形成良好的负压，除尘效果不理想。如若把设计计算和经验结合起来确定排风量则更具有实际意义。为此，首先选择最佳的排气罩形式，力求以最小的处理风量控制有害物；其次是除尘风管设计，部分中小企业在除尘管网设计上，主要存在以下问题：管道连接不规范、管径设计不合理、主风管与支风管夹角偏大、管道风速设计有误差，有的风速较小，易使管道积尘堵塞；有的风速较大，易使管道磨损，管网阻力不平衡，不仅增大了管网阻力，使设备投资过大，而且增加了系统能耗。

2.2 改进措施

根据设计规范，除尘系统的各支风管与主风管之间的不平衡压力差应小于10%［3］，且支风管应尽量从侧面或上部与主风管连接，管道变径处要制作成渐扩（缩）管。三通夹角一般取15～30度，在除尘系统中管道内各截面气速是不等的，如除尘系统前，风管风速一般取18～22m/s，而除尘器后的排风管道内气体流速一般取8～10m/s［4］，如果风速选择合理、管网阻力计算平衡、风量设计准确，则会降低系统的压损，达到节能降耗的效果。同时针对超低排放问题，可对原有除尘器的过滤风速和过滤面积做技术评估和改造。例如增加除尘室、增加除尘器高度等。在过滤面积和滤料选择方面做出适当调整，基本能够实现对粉尘排放的超低控制，同时注重无组织排放，如装车和包装环节粉尘治理。

2.3 烟气脱硫现状及节能降耗措施

2.3.1 SO2的来源

中材国际研究总院教授级高工刘瑞芝总结说，水泥窑炉SO2的来源主要是高硫原料（石灰石、黏土）和燃料等，因石灰石地域限制和品位降低，不得不适用高硫石灰石，其含硫量为0.2%～2.0%不等，而煤的含硫量在0.6%～1.5%，且石灰石用量约为煤的10倍，是二氧化硫高排放的主要原因［5］。

原料中硫化物为黄铁矿和白铁矿（两者均为FeS2），还有一些单硫化合物（如FeS），当原料中的部分低价硫化物进入回转窑时，在400℃左右，就开始氧化并释放出SO2，部分硫化物，如硫铁矿，会在500～600℃发生氧化生成SO2气体。原料中的硫酸盐矿物主要包括石膏（CaSO4·2H2O）和硬石膏（CaSO4），这两种矿物在常温下很稳定，在高温带分解出大量的SO2。

燃料中硫的存在形式和原料中的一样，有硫化物、硫酸盐及有机硫。燃料在回转窑中燃烧，低价态的硫化物，一部分直接氧化成SO3，并形成稳定的硫酸盐；另一部分则氧化成SO2，进入烟囱排放。

2.3.2 烟气脱硫现状

烟气脱硫（FGD）作为“末端控制”措施，是当今应用最广的有效技术，在二氧化硫（SO2）的减排技术中占有重要地位。FGD的目的是用化学方法除去烟气中的SO2而使烟气得以净化。迄今，经过实践检验的烟气脱硫工艺不下20种，真正适合用于中小工业窑炉烟气脱硫的却不多，因此必须根据其特点和具体实施的条件加以综合、分析和比较才能确定。在比较中，要强调因地、因厂、因窑制宜，不可随意、随机、随大流，必须严格执行有关排放标准和总量控制，应当立足于“短、易、实”，即短流程，易操作，实在有效。

2.3.3 烟气脱硫节能降耗措施

2.3.3.1 脱硫剂的更换

实际应用中，建材窑炉在脱硫工艺上盲目的照搬、模仿。如河南某水泥厂窑尾烟气流量41000Nm3/h，SO2排放浓度平均4500mg/m3，安装了一套钠碱法脱硫装置，脱硫剂为火碱（NaOH），运行期间火碱用量240kg/h左右，火碱价格约为4400元/吨，大大超出企业日常运行负担。

根据经验钠碱法脱硫工艺比较适用于烟气流量在5000Nm3/h以下的窑炉，为了使该企业节能降耗，结合现用脱硫工艺情况，在不增加额外投资的基础上，建议将脱硫剂更换为纯碱（Na2CO3），因纯碱价格是火碱的一半。

脱硫反应式：

2.3.3.2 废水治理利用

为提高脱硫效率降低成本，实现节能减排，将上式（3）产生的废水进行治理利用。

化学反应式：

NaHSO3＋NaOH→Na2SO3＋H2O

2NaHSO3＋Na2CO3→2Na2SO3＋H2O＋CO2↑

生成的Na2SO3，可用于造纸、印染工业、食品工业、水处理工业。

2.3.3.3 抑制氧化，减少硫酸钠

因硫酸钠（Na2SO4）几乎完全丧失吸收SO2能力，为了不增加洗涤过程中的副反应（氧化反应）产生Na2SO4（硫酸钠），化学反应式：

Na2SO3＋ 1/2O2→Na2SO4

NaHSO3＋ 1/2O2→NaHSO4，

为减少Na2SO3的氧化，可在操作中添加阻氧化剂。

2.3.3.4 挖掘企业自身脱硫潜力

根据欧洲水泥协会颁布的BAT最佳范例技术推荐及郑州永高环保科技公司多年的水泥脱硫经验，针对水泥厂不同的工艺设计及运行工况，从挖掘水泥工艺自身的脱硫潜力及优化调整原料配料入手，如有窑尾增湿塔的，可在增湿塔上布置一定数量的喷枪，将浓度25%的Ca（OH）2水溶液，喷射到塔里，既能降低烟气温度和粉尘浓度，又能达到吸收SO2的目的；还可将窑尾一部分烟气（经热平衡计算后）通入生料磨，与大量的碱性生料混合，也能抑制最高50%－70%的SO2排放［6］。

总之选择脱硫方案需考虑以下几个要素：原料、燃料的性质和含硫量；当地环保部门对脱硫率的要求及建成后征收的SO2排放费用；烟气脱硫方案技术的成熟性、投资费及将来的运行维护费用；脱硫剂来源、价格及副产品的处理销售；脱硫装置占地和对原设备运行的影响。如果是在原有设施基础上增设脱硫装置，则在选择脱硫方案时尚需考虑由此引起的拆迁、改建、停产时间，以及整个脱硫工程的经济性、施工工期等方面因素，只有这样才能从根本上达到节能减排的目的。

3 烟气脱硝现状分析及问题处理

3.1 烟气中氮氧化物来源

烟气脱硝就是脱除废气中的氮氧化物（NOx），常用的方法有：选择性非催化还原技术（SNCR）、选择性催化还原技术（SCR）及分级燃烧技术。

根据测算，水泥行业氮氧化物的排放量占全国总量的10－12%［7］，已是居火力发电，汽车尾气之后的第三大氮氧化物排放大户。水泥窑炉中氮氧化物的形成主要有三种：（1）热力型氮氧化物，它主要受温度、持续时间和氧气浓度的影响。温度越高、烟气在高温区反应的时间越长、氧气含量在一定范围内越高，则热力型氮氧化物生成的越多。（2）燃料型氮氧化物，主要是煤中的含氮化合物经热解后氧化生成燃料型氮氧化物，它的影响因素主要有：温度、煤中的含氮量、过剩空气系数、反应时间，在1200°以上温度越高、燃料煤中氮含量越高生成氮氧化物越多。（3）瞬时型氮氧化物，在还原气氛下并且相对过剩的时候，空气中的N2与煤燃烧过程中所产生的碳氢自由根（C－H）反应，中间经由氰化物快速生成瞬时型氮氧化物。

3.2 烟气脱硝技术比较

3.2.1 SCR脱硝工艺

SCR 还原剂为（氨水、液氨、尿素），反应温度（320～400℃），催化剂（TiO2、V2O5等重金属氧化物），对系统通风的影响大（即增加系统阻力），占地空间大，投资和运行成本高，且由于水泥工业烟气中烟尘量大，催化剂使用寿命会受到不利影响。造成催化剂中毒、堵塞失效。催化剂每立方价格在2万元左右，中小企业采用SCR脱硝还要面临催化剂成本问题［8］。

3.2.2 SNCR脱硝工艺

SNCR还原剂为（氨水、液氨、尿素），在炉膛850～1100℃这一狭窄的温度范围内，在无催化剂作用下，氨或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2（氧气）反应，化学反应式。

氨为还原剂：NH3＋NOx→N2＋H20

尿素为还原剂：

CO（NH2）2→ 2NH2＋ CO

NH2＋NOx→ N2＋ H20

CO＋NOx→N2＋CO2

当温度过高时，超过反应温度窗口时，氨就会被氧化成NOx：

NH3＋O2→NOx＋H20

SNCR工艺的NOx脱除效率主要取决于反应温度、NH3和NOx的化学计量比、混合程度、雾化粒度、反应时间等。研究表明SNCR工艺的温度控制至关重要。若温度过低，NH3的反应不完全，容易造成NH3逃逸，一般 SNCR工艺的逃逸氨一般控制在 5－10pmm。通常设计合理的SNCR工艺能达到70%的脱除效率，80%的效率也有文献报道［9］。

3.3 SNCR脱硝工艺还原剂选择及问题的处理

用于SNCR脱硝工艺中常使用的还原剂有尿素、液氨和氨水。

尿素（安全原料、便于运输、脱硝温度窗口较宽、尿素溶解要消耗一定热量）；液氨（高危险性原料、运输储存成本高、有毒、易燃、易爆、储存的安全防护要求高）；氨水（运输成本高、需要较大的储存罐、脱硝温度窗口较窄有恶臭，挥发性和腐蚀性强）。对中小建材行业建议使用尿素作为还原剂，尿素不易燃烧和爆炸，无色无味，运输、储存、使用比较简单安全；挥发性比氨水小，节省投资，对系统通风不影响，占地空间小。

尿素与NOx必须在很短的时间内完成反应，否则尿素就会流动到较低的温度区域，明显降低尿素还原NOx的反应程度。为了使尿素与NOx的反应在很短的时间内完成，必须对尿素溶液进行良好的雾化，雾化粒径为50μm，选定合适扬程和流量的动力泵，喷射泵最好选择变频泵，便于调节流量。同时在泵的出口选择比例阀，调节主管路上的流量和压力。喷嘴处的气体压力要和泵的压力匹配，其次应考虑喷嘴本身处于高温部位,应具有良好的耐热性能，不易被烧损。

在合适的温度范围内，NH3、尿素等还原剂与烟气的混合、水的蒸发、还原剂的分解和NOx的还原等步骤必须完成；停留时间的大小取决于炉体的气路尺寸和烟气气速；SNCR系统中，停留时间一般为0.001s～10s。还原剂必须与烟气分散和混合均匀；混合程度取决于炉的形状与气流的流场及喷枪布置形式。

4 结论

4.1 本文阐述的是烟气末端控制技术，根据燃烧过程NOx的生成和破坏的机理和特点，证明NOx的生成与燃烧方式和工况有关，其生成量取决于温度水平，此外还与空燃比、传热、煤种以及燃料、空气和燃烧中间产物的混合程度有关。

4.2 可以通过改善燃烧方式、改变陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥等热工窑炉运行条件等措施，降低NOx的生产量，即低NOx燃烧技术，主要包括低氧燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、低NOx燃烧器和低NOx炉膛设计等，这些是比较经济实用的减排途径。

4.3 在对NOx排放要求非常严格的国家（如德国和日本），均是先采用NOx燃烧技术，减少一半以上的NOx后再考虑进行末端控制技术即烟气脱硫脱硝，降低装置入口的SO2、NOx浓度，减少投资和运行费用，从而达到一定的减排目标。