煤矸石烧结砖窑烟气处理技术研究及展望

李祖良

摘 要：本文简要分析了煤矸石烧结砖窑及其烟气的特点，并据此对《砖瓦工业大气污染物排放标准》进行了解读。介绍了干法、湿法脱硫工艺以及除尘工艺的技术特点，结合煤矸石砖窑烟气特点，对工艺进行了简要分析，提出了工艺选择建议——石灰石-石膏湿法脱硫联合湿电除尘工艺，并有针对性地调整工艺细节，更好地适应煤矸石砖窑烟气。为煤矸石砖厂合理选择烟气处理工艺及设备提供参考。

关键词：煤矸石砖窑;烟气;石灰石-石膏湿法;湿电除尘

中图分类号：TU522 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0154-02

0引言

煤炭是我国主要的能源资源，在我国能源消费占比高达70%。大量煤炭被开采消费，而随煤炭被开采出来的煤矸石却因不足30%的利用率被堆积起来，积存高达数十亿吨，煤矸石山成为了煤矿的标配。煤矸石在堆积过程中，因风化扬尘、雨水淋洗、氧化分解等问题，对大气、水体、土壤等都有严重的污染，同时也是巨大的安全隐患[1]。

为解决煤矸石问题，我国多年来一直倡导、鼓励煤矸石制砖行业的发展。数据显示，中国约有8万座砖窑，年产砖量高达3400亿块，占全世界产量的44%以上[2]。粘土实心砖被禁止使用后，煤矸石砖厂的数量迅速上升，占据了相当可观的市场份额。煤矸石制砖已经成为我国煤矸石的重要消耗途径。

煤矸石砖厂烟气因污染物浓度较低，过去很少受到重视，悄悄地污染着环境。近年来，随着环保要求日益严格，砖瓦窑炉烟气也受到了广泛关注。相较于粘土砖，煤矸石砖生产过程中耗能少、节约粘土，具有非常好的经济效益和环境效益。因此，解决煤矸石砖厂的烟气污染问题，不仅是维护了企业效益，更是在多方面维护了社会效益[3]。

1煤矸石烧结砖窑烟气的特点

为充分利用能源，我国大部分煤矸石烧结砖厂都从焙烧窑窑尾抽取余热，对砖坯进行干燥。此过程中漏风、风机选型等问题，导致烟气过量系过高，达到了10以上，致使折算系数很大，对污染物的检测值影响很大，导致其波动大、稳定性差[4]。

烟气经干燥窑后，因被空气稀释及湿砖坯中的水分吸热蒸发，烟气温度降到40-50℃，并携带接近饱和的水分。低烟温降低了脱硫反应的效率，同时对烟道及脱硫设备具有较大的腐蚀性，是砖厂烟气处理的难点之一。

煤矸石中含有约5%的CaO，具有一定的脱硫能力。数据显示，1000℃焙烧的煤矸石固硫率在41%左右。而烟气经过干燥窑时，与湿砖坯也发生反应，进一步降低了烟气中的SO2。因此，煤矸石砖厂烟气的硫含量一般不高，但因氧含量过高，煤矸石砖厂脱硫压力依然很大。

砖窑的烟气中颗粒物含量一般较低，看似易于达标，但因氧含量过高，颗粒物实际已经成为砖瓦行业烟气处理中最大的难点。

煤矸石烧结砖的焙烧温度在1000℃左右，远低于氮氧化物生成需要的1400℃，因此烟气中氮氧化物一般较少。此外，烟气还有少量的氟化物，一般通过脱硫工艺去除，不做单独处理。

2砖瓦行业排放标准的解读

2013年，中国环保部发布了《砖瓦工业大气污染物排放标准》（GB29620-2013），标准要求，2016年7月1日后现行企业，人工干燥及焙烧窑的烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别在基准过量空气系数为1.7（基准含氧量8.6%）的条件下不高于30mg/m3、300mg/m3、200mg/m3。该标准被称为史上大气污染物排放标准。

相较于欧美以及日韩等发达国家，该标准不仅限值更低，而且基准含氧量更是仅有发达国家的50%左右。实际氧情况下，我国的砖瓦窑炉排放限值仅为欧美发达国家的15-25%，史上最严大气污染物排放标准名不虚传。

该标准的排放限制折算成含氧量18%的条件后，分别为7.1mg/m3、71.4mg/m3、47.6mg/m3，这与电厂的超低排放标准已经非常接近。因此，简单的烟气处理工艺很难满足砖厂的需求，必须要配备完善的脱硫除尘系统。

3烟气脱硫工艺

3.1干法烟气脱硫

干法烟气脱硫工艺是指利用固态吸收剂去除烟气中二氧化硫等酸性气体，脱硫反应和产物处理均在干燥状态下进行的工艺。干法脱硫工艺一般具有投资少、占地面积小、过程无白烟、无污水等优点。近年来，迫于烟气消白的压力，越来越多的企业优先选择干法脱硫工艺。其中SDS干法脱硫工艺和触媒陶瓷管脱硫除尘脱硝一体化技术因其超过90%的脱硫效率受到广泛关注。

SDS干法脱硫工艺以碳酸氢钠为脱硫剂，脱硫剂在150-250℃的高温烟气作用下分解出高比表面积的活性Na2CO3，与烟道内烟气中的SO2充分接触发生反应，脱硫后的颗粒产物随烟气进入袋式除尘器进行除尘净化。该工艺脱硫效率高、除尘效率好，但是对烟气温度要求高，无法应用于砖瓦行业。而触媒陶瓷管脱硫除尘脱硝一体化技术需要更高的反应温度，同样无法应用。炉内喷钙法、荷电干式喷射脱硫法等传统的干法脱硫技术，由于脱硫效率较低，同样不适合砖瓦行业。

3.2湿法脱硫

湿法烟气脱硫工艺是指使用液态吸收剂去除烟气中二氧化硫等酸性气体，脱硫反应和产物处理均在湿状态进行的工艺，主要有钠碱法、双碱法、以及石灰石-石膏湿法等，具有反应速度快、脱硫效率高等优点。

3.2.1钠碱法

钠碱法以氢氧化钠直接作为脱硫剂，氢氧化钠溶液通过噴淋雾化与烟气中的酸性气体充分接触反应，实现脱硫脱酸。碱法脱硫速度快、效率高，具有脱硫设备少、占地面积小，浆液不结垢等特点。但由于氢氧化钠耗量大，价格昂贵，钠碱法仅适用于低烟气量、人工控制脱硫为主的情况下，无法应对砖厂的烟气量。

3.2.2双碱法

在钠碱法的基础上，利用石灰石或熟石灰与Na2SO3的反应将NaOH还原再生，即双碱法。双碱法运行过程中，氢氧化钠循环使用，实际消耗的是钙碱，大大降低了脱硫剂的成本。双碱法的脱硫效率高，成本相对较低。但是反应过程中，副产物硫酸钠较难再生，依然需要向系统中不断补充钠碱[5]。

由于石膏和硫酸钠的累积，浆液循环池需定期外排浆液，双碱法系统一般不配备排膏系统，需进行人工处理，影响脱硫系统持续运行。双碱法脱硫系统的自动化程度低，人工补充氢氧化钠和熟石灰，系统稳定性差，设备管道易堵塞，脱硫效果波动大，不能满足在线连续监测的要求。雙碱法对企业管理和工人专业能力要求高，一般砖瓦企业难以满足。

3.2.3石灰石-石膏湿法

石灰石-石膏湿法脱硫工艺是目前应用最广泛的脱硫工艺，占全世界已建固定污染源脱硫系统的90%以上。在目前煤炭资源消费及排放标准的形式下，石灰石-石膏湿法脱硫工艺依旧是最具有市场的脱硫工艺[6]。

石灰石浆液通过循环泵从吸收塔塔釜送至塔内喷淋系统，雾化逆流与烟气接触，脱除烟气中的SO2，通过向塔釜浆液中鼓入空气将亚硫酸钙氧化成硫酸钙。

石灰石-石膏湿法脱硫过程中化学反应主要发生在SO2和石灰石之间，脱硫产物为CaSO4和CO2：

CaCO3+SO2+1/2O2→CaSO4+CO2

该系统自动化程度高，人工操作难度低，能够稳定可靠地运行达标，时间可利用率高达95%以上，符合当下在线连续监测的要求。石灰石-石膏湿法主要的问题是脱硫石膏较难妥善处理。

崔林研究证明，煤矸石砖原料中加入1.2%的脱硫石膏，所得烧结砖各项指标均符合标准[7]。在煤矸石烧结砖生产窑炉脱硫工艺中，将脱硫石膏作为制砖原料，可完成副产物的自我消化，实现零外排。因此，石灰石-石膏湿法脱硫工艺较适合煤矸石烧结砖窑烟气的脱硫处理。

4烟气除尘工艺

煤矸石烧结砖窑烟气中的含尘量不高，经过湿法脱硫，粉尘基本被截留在脱硫浆液中。但是烟气仍夹杂着以水分中的粉尘及硫酸盐为主的二次颗粒物。因此，煤矸石烧结砖窑烟气的除尘工艺需设置在脱硫塔后。常见的除尘工艺主要有机械除尘器、袋式除尘器以及电除尘器。

机械除尘器是通过机械力进行除尘的，对大颗粒粉尘具有较好的捕捉性能，对细小粉尘的捕捉能力不强，除尘效率不高。

袋式除尘器利用多孔滤料去除粉尘，除尘效率非常高，适合去除细小粉尘。但是对烟气中的水分较为敏感，砖厂高湿度烟气会导致滤料上粉尘板结，影响除尘效率。

静电除尘器通过高压电晕使烟气中的颗粒物荷电，利用电场力将颗粒物吸附在阳极板上，实现烟气除尘。除尘效率可达99%以上，阻力小，烟气适应性强。其中，湿电除尘器能够适应高湿度烟气，能够去除水滴、气溶胶等细微颗粒。

综上所述，相比机械除尘器和袋式除尘器，湿式静电除尘器更适合湿法脱硫塔出口这种湿度大、颗粒细小的烟气。

5总结与展望

煤矸石烧结砖窑的生产，对处理煤矸石具有较好的环境效益和经济效益。因此，建设可靠的烟气处理系统保证其正常运行，具有深远的意义。

根据《砖瓦工业大气污染物排放标准》要求，一般煤矸石砖窑的烟气中氮氧化物已达标，无需处理。而脱硫和除尘效率则需达到85%左右，甚至更高。

石灰石-石膏湿法工艺脱硫效率高、脱硫副产物可内部消化、系统自动化水平高、人工操作难度低、系统稳定性高以及时间可利用率高。相比干法脱硫、钠碱法及双碱法，更适合当下煤矸石砖厂烟气在线连续监测的需求。

鉴于砖厂烟气除尘效率要求比较高，烟气处理系统除设置必要的脱硫系统外，适合的除尘系统也必不可少。针对湿法脱硫系统出口的烟气温度较低、湿度大的特点，湿电除尘工艺较适合煤矸石砖厂。因此，石灰石-石膏湿法脱硫工艺联合湿电除尘工艺是较为适合煤矸石烧结砖厂的烟气处理工艺。

煤矸石烧结砖窑烟气中污染物含量都比较低，但是因其氧含量过高，导致需要非常高的脱除效率。因此，煤矸石砖厂处理烟气的首要重点应是加强管理，减少漏风，降低烟气中氧含量，必要时可以改进制砖工艺。

参考文献

[1] Hu ZQ.Pollution generation，migration and in situ control measures on coal refuses[J].Procedia Earth and Planetary Science，2009（1）：1-5.

[2] Chen YC.Stack and fugitive emissions of major air pollutants from typical brick kilns in China[J].Environmental Pollution，2017（MAY）：421-429.

[3] 邓一兵.煤矸石的综合利用-制砖[J].能源与环境，2009（3）：121-122.

[4] 邵三虎.烧结砖厂烟气净化处理[J].砖瓦世界，2015（2）：32-37+41.

[5] 陈荣生，陈蕾.烧结砖烟气净化工艺的认识[J].砖瓦，2016（11）：36-41.

[6] Iztok.Technology Optimization of Wet Flue Gas Desulfurization Process[J].Chem.Eng.Technol，2007（2）：220-233.

[7] 崔琳.脱硫产物的特性及综合利用研究[D].济南：山东大学，2005.