王作杰

國家環(huán)境保護力度不斷加大，電力、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等工業(yè)的廢氣污染物排放控制標準日益嚴格，各行業(yè)實行廢氣超低排放勢在必行。

“超低排放”的概念是在火電廠燃煤鍋爐廢氣治理領(lǐng)域提出的，比照天然氣燃氣輪機組標準設(shè)計了排放限值，比目前GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定的重點地區(qū)燃煤鍋爐特別排放限值更低。

GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》確定的燃煤鍋爐超低排放值見表1。

表1 GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》規(guī)定的燃煤鍋爐超低排放值

目前火電行業(yè)絕大部分企業(yè)已經(jīng)成功實現(xiàn)了廢氣超低排放，主要是煤電鍋爐運行中，綜合采用了多種污染物高效協(xié)同脫除技術(shù)，例如90%以上鍋爐采用SCR+電袋除塵器+石灰石膏濕法脫硫技術(shù)，實現(xiàn)了粉塵排放≤5mg/m3（標），NOx≤50mg/m3（標），SO2≤35mg/m3（標）。系統(tǒng)運行效果良好，說明技術(shù)是成熟可靠的，現(xiàn)行超低排放限值很可能上升為新的國家標準。水泥行業(yè)也必將全面實施。

1 水泥窯廢氣排放現(xiàn)狀及超低排放指標設(shè)定探討

“超低排放”受到了環(huán)保業(yè)界、地方政府乃至國家的高度重視，是新環(huán)保標準修訂的基礎(chǔ)。在國家青山綠水的生態(tài)文明建設(shè)的新政策下，各行業(yè)環(huán)保都在進行“超低排放”的嘗試。從政府加強環(huán)境保護和人民追求美好生活的角度出發(fā)，這個限值肯定是越低越好，但應(yīng)根據(jù)具體工業(yè)工藝過程的差異，研究最適合的環(huán)保實用技術(shù)措施，科學(xué)提出最合理的低限值。

水泥生產(chǎn)主要污染物是粉塵、氮氧化物及二氧化硫，部分地區(qū)水泥廢氣中二氧化硫含量還相當高?，F(xiàn)有的GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》規(guī)定在重點地區(qū)主要指標為：粉塵排放≤20mg/m3（標），NOx≤320mg/m3（標），SO2≤100mg/m3（標）。對比電力行業(yè)排放標準，水泥行業(yè)標準相對寬松。按照國家環(huán)保排放監(jiān)測要求，所有水泥生產(chǎn)線主要排塵點，特別是窯頭、窯尾及生料磨，全部設(shè)置了廢氣排放在線監(jiān)測，粉塵、氮氧化物、二氧化硫等有害物排放值實時傳送到當?shù)丶皣噎h(huán)保監(jiān)測部門，限值一般按功能區(qū)和地方政府的規(guī)定執(zhí)行。雖然地方政府的規(guī)定限值一般都低于國家標準限值，但實際上都沒能達到燃煤發(fā)電行業(yè)超低排放值，對氮氧化物和二氧化硫基本按照國家排放標準上限執(zhí)行。目前我國水泥生產(chǎn)線氮氧化物減排路線實施的都是低氮燃燒+SNCR脫硝技術(shù)，氮氧化物減排實際運行效果不穩(wěn)定，而采用SNCR脫硝絕對不可能實現(xiàn)超低排放。二氧化硫減排是近幾年才開始實施的，有干法和濕法多種實施路線。水泥生產(chǎn)有害物減排技術(shù)一直存在路線之爭，也有多種技術(shù)路線實驗和應(yīng)用，但都沒有形成共識，不像電力行業(yè)超低排放減排路線已經(jīng)標準化。

按照國家青山綠水的生態(tài)文明發(fā)展理念，我們應(yīng)該按照更高的水泥超凈排放限值要求，研究和實施我們的水泥環(huán)保技術(shù)。對于含重金屬、氟化物及水泥協(xié)同處置危廢、污泥、垃圾等工藝的有機物、二惡英等本文不加討論，只對水泥前三項主要污染物的“超低排放”值提出討論指標。

水泥生產(chǎn)工藝復(fù)雜，廢氣氣體成分、性質(zhì)也比燃煤鍋爐復(fù)雜，進一步降低水泥窯廢氣主要排放限值比燃煤鍋爐要復(fù)雜。表2提出了水泥窯超低排放的討論值和目標值兩組數(shù)字。水泥工藝與電力工藝不同，環(huán)保技術(shù)路線不同，所能達到的結(jié)果也不同，基于此進行分析，較合理的水泥窯超低排放限值應(yīng)定在“討論值”。但我們努力的方向必須是實現(xiàn)“目標值”。

2 現(xiàn)有干法水泥熟料生產(chǎn)線窯尾系統(tǒng)典型工藝簡介

現(xiàn)有干法水泥熟料生產(chǎn)線窯尾系統(tǒng)工藝主要有兩種，即三風機系統(tǒng)和兩風機系統(tǒng)。圖1為輥磨系統(tǒng)組成的窯尾三風機系統(tǒng)典型工藝，圖2為兩風機系統(tǒng)工藝。

三風機系統(tǒng)，即窯尾高溫風機+窯尾廢氣風機+生料磨系統(tǒng)循環(huán)風機。雖然生料磨系統(tǒng)有多種配置方案，如球磨、輥磨、輥壓機+球磨、輥壓機+球磨及輥壓機終粉磨系統(tǒng)等，但對于窯尾風機配置基本一樣。三風機分工明確，系統(tǒng)負壓平衡較好，各設(shè)備承受負壓較低，易于操作，因此這種系統(tǒng)實際應(yīng)用很多。

兩風機系統(tǒng)是三風機系統(tǒng)的簡化，生料磨采用輥磨時非常合適，它簡化了工藝，設(shè)備布局緊湊，投資低。但三風機變?yōu)閮娠L機系統(tǒng)后，系統(tǒng)設(shè)備負壓明顯提高，系統(tǒng)對設(shè)備漏風更為敏感，需要更嚴格管理。兩風機系統(tǒng)實際應(yīng)用偏少，但在我國以海螺集團為代表的水泥生產(chǎn)線上卻有大量應(yīng)用。實踐表明，生產(chǎn)管理得好時，兩風機系統(tǒng)會比三風機系統(tǒng)節(jié)能。

表2 水泥超低排放的討論值和目標值

圖1 三風機系統(tǒng)

圖2 兩風機系統(tǒng)

需要說明的是，我國上世紀80年代至2000年初新建的水泥生產(chǎn)線大多沒有余熱發(fā)電系統(tǒng)，后來改造增加余熱鍋爐的生產(chǎn)線很多，且當時窯尾廢氣除塵幾乎全是電除塵器，這些鍋爐更多的是與增濕塔串聯(lián)，也有受工藝布局限制采用了塔爐并聯(lián)。如果當初采用了袋除塵器或改為了袋除塵器，完全可以采用塔爐并聯(lián)工藝布局，當然就不符合以上所謂典型工藝系統(tǒng)。

我們介紹和分析目前水泥窯尾工藝系統(tǒng)，主要目的是為后續(xù)探討不同工藝系統(tǒng)超低排放的最佳技術(shù)路線，因為大多數(shù)水泥超低排放工程是對現(xiàn)有水泥工藝的改造。

表3 五級預(yù)熱器系統(tǒng)主要設(shè)備串聯(lián)工藝的工況參數(shù)

3 實現(xiàn)水泥生產(chǎn)廢氣超低排放三項指標的技術(shù)探討及實踐

3.1 粉塵超低排放技術(shù)與實踐

粉塵治理在水泥工業(yè)領(lǐng)域一直是最受重視的，也是在所有工業(yè)廢氣治理中做得較好的，但目前超低排放實施效果也不盡如人意。高性能除塵器的研究是實現(xiàn)粉塵超低排放的關(guān)鍵，而評價除塵器性能先進性的指標主要有四項：更高的除塵效率、更低的設(shè)備阻力、更可靠穩(wěn)定的設(shè)備性能和更低廉的運行維護成本。因此，如何降低水泥廢氣粉塵排放，我們主要進行了如下工作：

（1）確定高效除塵裝備技術(shù)路線

水泥窯尾廢氣處理系統(tǒng)都是按含生料磨烘干聯(lián)合操作廢氣考慮的，特點是工況參數(shù)常變，以典型的五級預(yù)熱器系統(tǒng)主設(shè)備串聯(lián)工藝為例，即圖1、2示意的工藝，至少可以產(chǎn)生如表3的工況參數(shù)。

可見諸多工況參數(shù)變化情況下，要實現(xiàn)超低排放，對同一臺除塵器必須考慮最惡劣的工況去計算定型和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

電除塵器和袋除塵器都可達到粉塵的超低排放的限值。但從除塵機理去分析，電除塵器是靠靜電吸附的機理除塵的，必須先給粉塵顆粒荷電，荷電效果不僅與電場電源設(shè)備相關(guān)，更與氣體的溫度、露點溫度、粉塵量相關(guān)，且是非線性相關(guān)，對溫度和露點溫度特別敏感。試驗和工程實踐都證明，窯尾廢氣的露點溫度在30℃左右時，塵粒幾乎無法荷電，電除塵效率極低，是增濕塔不能投運的事故狀態(tài)，達標排放幾乎無法實現(xiàn)，其他事故狀態(tài)，如極線斷、極板變形都會造成除塵效率下降。若要避免此類事故，我們就要加大成本投入，考慮足夠大的備用系數(shù)來達到可靠的性能，這就迫使我們在粉塵超低排放技術(shù)路線研究中不得不放棄終端除塵設(shè)備采用電除塵器。

袋式除塵器是治理大氣粉塵污染的高效除塵設(shè)備，最大優(yōu)點是除塵效率高，過濾效率與氣體溫度、露點溫度在較寬的適應(yīng)范圍內(nèi)幾乎無關(guān)，與入口粉塵含量正相關(guān)，即粉塵含量越高除塵效率越高，出口排放基本恒定。不斷出現(xiàn)的高性能過濾材料，使其粉塵過濾效率在實驗室高達99.999 9%，對氣體成分、溫度、露點溫度的適應(yīng)范圍越來越廣，在實際應(yīng)用中也能達到99.99%?，F(xiàn)在的濾袋及除塵器結(jié)構(gòu)技術(shù)完全可以做到粉塵排放濃度≤10mg/m3，甚至達到2mg/m3，這是袋式除塵器的過濾機理所決定的。

圖3 自引流噴吹裝置

圖4 室內(nèi)換袋單元

因此，我們確定了研發(fā)先進袋除塵器實現(xiàn)粉塵超低排放的技術(shù)方向。近10年來，在除塵清灰高效、過濾低阻、性能可靠方面我們做了大量的研究工作，也付諸了大量實踐，很多案例成果達到了粉塵的超低排放要求。

（2）袋除塵器結(jié)構(gòu)性能研究

多年來，我們一直致力于大型袋除塵器裝備的開發(fā)研制，并取得了顯著的成果。早期，我們基于引進的富樂公司技術(shù)，開發(fā)了氣箱脈沖清灰系列袋除塵器和分室風機反吹清灰系列袋除塵器，并在水泥廠各排塵點成功應(yīng)用。1998年，在北京水泥廠應(yīng)用的窯尾大型高溫反吹清灰袋除塵器獲得了國家科技進步獎。但這種除塵器受結(jié)構(gòu)和清灰方式所限，其過濾風速不能太高，造成設(shè)備體積相對龐大，投資很高，對于大規(guī)模（＞4 000t/d）水泥熟料生產(chǎn)線尤其如此。而氣箱脈沖袋除塵器雖然過濾風速可以提高，但不能實現(xiàn)長袋清灰，因此不適合大風量高溫廢氣的處理。

2001年，我們開始研究行噴脈沖清灰長袋袋收塵器。除塵器的新結(jié)構(gòu)采用自引流脈沖噴吹裝置（非文氏管）（圖3）和長袋分排清灰，將袋長由3m加長到6m以上，基本解決了袋長限制。2003年首次成功用于水泥生產(chǎn)線窯尾，此項技術(shù)獲得2005年天津市及國家建材聯(lián)合會科技進步二等獎，而后推廣應(yīng)用到了幾乎所有新型干法水泥生產(chǎn)線。

2005年，結(jié)合琉璃河水泥廠窯尾電除塵器改造，我們開始推出凈氣室室內(nèi)換袋結(jié)構(gòu)的袋除塵器（圖4），大大降低了整機漏風率。

天瑞大連水泥廠有規(guī)模相同的兩條5 000t/d水泥生產(chǎn)線，建設(shè)中分別采用兩臺不同換袋形式的窯尾袋除塵器。投入運行約一年后，從除塵效果（主要是破袋率不同引起）、運行阻力等方面，都顯示出內(nèi)換袋型除塵器優(yōu)于頂換袋型。我們特別測試對比了除塵器本體實際漏風率：普通結(jié)構(gòu)的頂部換袋形式袋除塵器漏風率達12%，而室內(nèi)換袋結(jié)構(gòu)的袋除塵器漏風率只有2.3%。當然除塵器的漏風率高可能是因為檢修維護時人孔門未完全復(fù)位造成，致使窯尾廢氣風機電能消耗巨大。

還有就是除塵器漏風帶來的廢氣降溫，足以造成大面積本體結(jié)露和早期腐蝕。因此，我們對大型高溫或高負壓袋除塵器定型結(jié)構(gòu)全部采用室內(nèi)換袋，該結(jié)構(gòu)每一個室只有一個面積比較小的側(cè)面人孔門，而且是雙層門。

2007年，針對我們的非袋內(nèi)文氏管或保護管噴吹結(jié)構(gòu)，我們又將傳統(tǒng)的圓形噴吹管（圖5）改進為方形管（圖6），這就簡化了噴嘴接口處理，提高了噴嘴定位精度和與噴管中心線垂直度公差的精度。圖6的噴嘴明顯比圖5噴嘴的定位公差和垂直度公差更易控制，因此更適合專業(yè)加工工具的應(yīng)用和提高產(chǎn)品加工效率。更重要的是，自此變更后再沒有出現(xiàn)噴嘴偏差造成的破袋案例。

圖5 方形噴吹管

圖6 圓形噴吹管

圖7 袋式除塵器數(shù)字化設(shè)計與綜合研發(fā)平臺研發(fā)技術(shù)路線

（3）實現(xiàn)優(yōu)秀袋除塵器開發(fā)設(shè)計的現(xiàn)代化設(shè)計手段

袋除塵器結(jié)構(gòu)尺寸離散性很強，同規(guī)模生產(chǎn)線、同一應(yīng)用點的袋除塵器都不盡相同，遠不及電除塵器規(guī)范化程度高。主要是缺乏統(tǒng)一技術(shù)標準，或說標準缺乏約束力，應(yīng)用中產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)系列產(chǎn)品，同一除塵器設(shè)計制造企業(yè)也需適應(yīng)不同用戶和不同環(huán)境的要求，隨時變更結(jié)構(gòu)設(shè)計。另外，國家環(huán)保標準不斷提高，除塵器更新改造工作很多，結(jié)構(gòu)設(shè)計更是千差萬別，從某種意義上說袋除塵器屬于“非標”設(shè)計，這就造成了工作量巨大和除塵器實際應(yīng)用性能的參差不齊。實現(xiàn)袋除塵器產(chǎn)品質(zhì)量高、性能穩(wěn)定和設(shè)計效率高，一定需要現(xiàn)代化的設(shè)計手段。

2008年初，我們開始了“袋式除塵器數(shù)字化設(shè)計與綜合研發(fā)平臺”的研發(fā)工作，歷時10年，針對袋除塵器產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)的全過程，包括結(jié)構(gòu)、流場、過濾、清灰過程，以數(shù)字化設(shè)計技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)新研發(fā)手段，準確高效解決實際應(yīng)用問題，不斷提升袋除塵器產(chǎn)品綜合性能指標，構(gòu)建了袋式除塵器產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)庫，分別開發(fā)了“袋式除塵器流場技術(shù)仿真分析優(yōu)化系統(tǒng)”、“袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)”，建成了“袋式除塵器綜合測試平臺”、“袋式除塵器綜合驗證平臺”和袋式除塵器性能綜合實驗基地（圖7、8）。

研發(fā)平臺解決了袋式除塵器產(chǎn)品創(chuàng)新的行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)，包括：基于國際先進的TRIZ的集成創(chuàng)新技術(shù)、多場仿真技術(shù)、產(chǎn)品快捷和定制優(yōu)化技術(shù)、數(shù)字化樣機模型及重構(gòu)技術(shù)、數(shù)字化仿真測試評價技術(shù)及組態(tài)化實驗驗證技術(shù)等，可實現(xiàn)開發(fā)袋式除塵器新產(chǎn)品變結(jié)構(gòu)、新工藝、新型濾材等的綜合測試實驗。利用平臺，我們已經(jīng)完成了不同基型的袋式除塵器分風、過濾及清灰等性能的數(shù)值模擬計算、數(shù)據(jù)分析、仿真測試及實驗驗證，獲取了復(fù)雜需求前端對應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)律。

實際上，該綜合平臺是我們在生產(chǎn)過程中分段研發(fā)的。首先通過數(shù)字流場計算的模擬，確定了公司標準袋除塵器系列及多種非標改造的低阻結(jié)構(gòu)（圖9、10）。

項目技術(shù)成果應(yīng)用在公司袋除塵器設(shè)計的四大產(chǎn)品系列和幾百臺“電改袋”除塵器改造，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，有效提升了袋除塵器的各項技術(shù)指標和工作可靠性，穩(wěn)定達到低排放效果，設(shè)備平均運行阻力降低，節(jié)能環(huán)保效果明顯。圖11為幾個典型應(yīng)用案例。

圖8 袋式除塵器數(shù)字化設(shè)計與綜合研發(fā)平臺集成

圖9 低阻結(jié)構(gòu)流場數(shù)字模擬

圖10 定型的室內(nèi)換袋系列袋除塵器

圖11 典型應(yīng)用案例介紹

從檢測和監(jiān)測結(jié)果可見，粉塵排放基本可以實現(xiàn)“超低排放”。

研發(fā)平臺應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的同時，還應(yīng)用于生產(chǎn)，快速解決了很多除塵器及系統(tǒng)的實際問題。袋除塵器運行早期出現(xiàn)破袋問題。破袋原因很多很復(fù)雜，有結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理問題，也有除塵器前后工藝接入的進出風管路不合理問題。利用該平臺，我們解決了許多早期破袋問題。例如，2009年金隅集團收購贊皇水泥一條未建設(shè)完成的2 500t/d水泥生產(chǎn)線后，直接委托我們將窯尾電除塵器改為袋除塵器，我們按常規(guī)在短期內(nèi)進行了改造。生產(chǎn)線剛開始投入運行時效果良好，但約3個月后出現(xiàn)排放超標。我們檢查發(fā)現(xiàn)，有3條破袋產(chǎn)生，且集中在后部一個室內(nèi)，我們僅進行了封堵處理。

又運行1個月左右，出現(xiàn)了更嚴重的排放超標，濃煙滾滾。我們再進行檢查發(fā)現(xiàn)，又有十幾條濾袋破損，而且跟上次是同一個室，這次引起了我們的重視，尋找各種設(shè)計結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)量問題，業(yè)主甚至直接請來知名專家，但都沒有找到實質(zhì)問題。我們再次簡單處理后繼續(xù)生產(chǎn)，隨著運行時間的延長，問題沒有減輕的征兆，而且越來越嚴重，不得不停窯。