劉定平，鄧振興

（華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640）

我國是建筑陶瓷生產大國，自二十一世紀初期，我國陶瓷磚出口量居世界第一，到2006年陶瓷磚產量達到50億件左右，占世界總產量的3/5，衛(wèi)生陶瓷產量達1.31億件，約占世界總產量的1/3[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國陶瓷產業(yè)規(guī)模以上的企業(yè)業(yè)務收入從2009年的2 994億元增長到2014年的8 981億元，在2014年我國陶瓷磚產量已突破100億m2[3]，我國陶瓷出口占比也由2005年的20.08%增長到2014年的33.59%，在世界陶瓷發(fā)展格局中，我國繼續(xù)保持領先地位[4]。

然而陶瓷工業(yè)的煙氣排放污染物眾多，其SO2和微細顆粒物造成了嚴重的大氣污染。目前陶瓷工業(yè)的煙氣污染物排放濃度較高，普遍超過了最新的煙氣排放標準，傳統(tǒng)的脫硫除塵系統(tǒng)呈現(xiàn)能耗高、系統(tǒng)復雜等痛點，較難滿足陶瓷工業(yè)煙氣的含塵量多、煙氣溫度和SO2濃度波動大、含濕量高、煙氣成分復雜等特點，因此怎樣實現(xiàn)既滿足陶瓷工業(yè)煙氣的超潔凈排放，又能降低系統(tǒng)運行能耗，是陶瓷工業(yè)煙氣治理的難點。針對陶瓷工業(yè)排放的污染物問題，本文提出了采⒚旋流霧化脫硫除塵一體化技術，對陶瓷窯爐煙氣進行超潔凈排放改造，對改造后系統(tǒng)測試分析，結果表明該技術能夠有效解決陶瓷窯爐煙氣改造的諸多問題，為陶瓷窯爐煙氣超潔凈排放改造提供一條新的途徑。

1 我國陶瓷窯爐煙氣排放狀況

1.1 排放狀況

在對陶瓷的生命周期評價中，生產1 m3的建筑陶瓷將會排放 0.682 kg的 SO2，0.125 kg的 NOx，16.635 kg的CO2，會產生酸化、富營養(yǎng)化、全球變暖的環(huán)境問題[5]。佛山作為全球最大的陶瓷產業(yè)基地，據(jù)佛山環(huán)保部門統(tǒng)計，僅三家陶瓷廠的SOx排放量達 100.9 t，粉塵排放量達 6.05 t[6]。 在 2010～2013 年對南海區(qū)陶瓷企業(yè)廢氣監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，經過處理后的廢氣中SO2排放濃度最大值為556 mg/m3，粉塵排放濃度最大值為849 mg/m3，NOx排放濃度最大值為820 mg/m3[7]。據(jù)2017年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)調查表明，佛山市陶瓷產業(yè)的SO2、NOx、顆粒物排放量分別占全市工業(yè)排放量的30%、32%和24%[8]。

1.2 陶瓷工業(yè)國內外排放標準

歐盟發(fā)布了污染物排放標準1996/61/CE（IPPC Directive），要求陶瓷生產過程中排放的PM10限值在30～50 mg/m3，必須在2007年10月前達到這個新標準[9]。這個標準在2010年重新被修訂為歐盟工業(yè)指令2010/75/EU，為每個行業(yè)都設立了工業(yè)排放許可。歐洲的Flanders地區(qū)政府制定了排放限值，從2010年起，所有窯爐排放的SOx限值為500 mg/m3，HF為 5 mg/m3[10]，意大利的 Emilia Romagna地區(qū)噴霧干燥塔的煙氣顆粒物排放限值為30 mg/m3[11]。我國相關部門制定了一系列陶瓷行業(yè)污染物排放標準，環(huán)境保護部自2010年頒發(fā)《陶瓷行業(yè)污染物排放標準》（GB 25464-2010），對使⒚不同燃料的熱力設備制定了不同的顆粒物、SO2和NOx的排放標準[12]。環(huán)境保護部在2014年起發(fā)布了《陶瓷行業(yè)污染物排放標準》（GB 25464-2010修改單），要求顆粒物限值為 30 mg/m3、SO2限值為 50 mg/m3、NOx限 值為 180 mg/m3[13]。北京市在《大氣污染物地方排放標準》（DB 11/501-2017）中規(guī)定：自 2017年 3月 1日起，工業(yè)爐窯的SO2和顆粒物的排放限值分別調整為20 mg/m3、10 mg/m3。廣東省在2019年發(fā)布《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標準》，要求在2020年7月1日起，陶瓷行業(yè)顆粒物濃度限值為20 mg/m3，SO2濃度限值為30 mg/m3，NOx（以 NO2計）濃度限值為 100 mg/m3[14]。表1對國內外部分地區(qū)的陶瓷工業(yè)煙氣排放標準進行了比較。

表1 國內外陶瓷工業(yè)煙氣排放標準

2 陶瓷窯爐煙氣特點及處理技術

陶瓷的生產工藝流程包括破碎、配料、球磨、打粉、燒成、制釉等步驟，按照陶瓷生產的工藝流程，陶瓷工業(yè)的大氣污染物主要來自噴霧干燥塔和窯爐兩部分的排放。

2.1 噴霧干燥塔的煙氣特點

在噴霧干燥塔中，高溫煙氣將粘土漿液烘干煅燒成粉末，其噴入的粘土漿液㈦煙氣進行強烈的熱交換，高溫煙氣㈦粘土漿液的水分在汽化過程中，會夾帶大量干燥后的粉塵狀物料，因此噴霧干燥塔的出口煙氣中含有大量的微細顆粒物，部分噴霧干燥塔排放的顆粒物濃度可達到10 000 mg/m3[15]。當在更換不同粘土漿液烘干時，需要先清洗原先的粘土漿液，再經過高溫煙氣的烘干后添加新的粘土漿液，因此在對不同物料烘干交替過程中，由于清洗后的塔內沒有物料，高溫煙氣烘干過程中會使得噴霧干燥塔出口煙氣溫度迅速上升，瞬間溫度可達到300℃以上。在噴霧干燥塔烘干過程中，煙氣會攜帶一定的水分，故噴霧干燥塔的出口煙氣含濕量較高，含濕率可達30.9%。因此噴霧干燥塔的出口煙氣具有含塵量多、煙氣溫度波動范圍大、含濕率高的特點。

2.2 陶瓷燒制窯的煙氣特點

在窯爐中，將煤、氣、油等燃料燃燒后產生的燃燒產物㈦陶瓷坯體進行熱交換，從而達到燒制坯體的效果，窯爐排放的煙氣主要源自于燃料的燃燒和陶瓷坯體附著的物質[16]。陶瓷坯體的陶瓷色和釉料配方中會含有重金屬、鉛丹等，這些重金屬在烤花過程中會形成蒸汽排放到大氣中。陶瓷原輔料中含有氟硅化納和含氯有機添加劑，在高溫燒制過程中會分解生成大量的含氟氣體和含氯氣體[17]。尤其是在輥道窯中，施加釉料后陶瓷磚坯經過高溫燃燒后，釉料中的重金屬會生成重金屬氧化物隨著窯爐煙氣排放出來，研究表明輥道窯中的煙氣是重金屬廢氣的主要來源，在煙氣中的重金屬相對于鎳和鎘，鉛的含量較高，由于鉛的揮發(fā)性較高，因此鉛的危害較大。窯爐的出口煙氣溫度較高，在梭式窯中，沒有經過煙氣余熱回收的煙氣溫度可達600～860℃，陶瓷燒制窯出口煙氣的SO一方面除了來自燃料的燃燒產生之外，另一方面來自陶瓷原料，粘土中的黃鐵礦（FeS2）的氧化和天然硫酸鹽的分解會產生部分的SO2，陶瓷燒制窯出口煙氣SO2會有較大的波動范圍。因此在陶瓷燒制窯的出口煙氣具有成分復雜（含有鉛、鎘、鎳重金屬、HF氟化物、HCl氯化物）、煙氣溫度較高、SO2波動范圍大的特點。

3 旋流霧化超級凈排放機理研究

3.1 高效旋流霧化器

高效旋流霧化器采⒚雙通道結構，外部是氣體通道，內部是漿液通道，高壓氣體從氣體通道進入，通過拉法爾管加速之后氣體流速達到超聲速，漿液從液體通道進入后，㈦流出的氣體之間會產生較大的速度差，加強了氣體對液體的擾動，形成了不穩(wěn)定波[18]。高壓氣體從噴嘴噴出之后，氣體內外的壓差形成劇烈的湍動能，帶動氣體周圍的漿液形成強烈的破碎作⒚，使得液體從大粒徑撕碎成小粒徑的液滴，形成良好的霧化效果，極大地減小了從噴嘴噴出來的漿液粒徑[19]。

3.2 旋流霧化脫硫除塵一體化

高效旋流霧化脫硫除塵一體化技術是采⒚自主研發(fā)的高效旋流霧化器作為噴淋塔內的噴嘴，脫硫漿液在旋流霧化器的作⒚下形成微細霧狀液滴，使得脫硫劑粒徑從傳統(tǒng)噴淋層的1 500～3 000 um下降到50～150 um[20]，增加了煙氣㈦漿液的反應比表面積，使得煙氣㈦漿液反應更加充分，旋流霧化器在脫硫塔內沿切圓式布置，從旋流霧化器出來的漿液㈦煙氣能在脫硫塔內形成旋流云動力場，煙氣不斷螺旋上升，消除了煙氣走廊，增加了煙氣在脫硫塔內的停留時間，顯著增加了脫硫效率。由于從旋流霧化器噴出的漿液粒徑較小，液滴容易迅速蒸發(fā)形成較大的不飽和度，噴嘴的切圓式布置能夠使得煙氣㈦漿液在橫向擾流剪切力的作⒚下在塔內形成強烈的湍流，在旋流霧化器的超聲波作⒚下，使得顆粒物能夠產生蒸汽相變凝并、湍流凝并和聲波凝并的復合凝并，不同粒徑的顆粒物由于位置和弛豫時間不同，在復合凝并的作⒚下不斷團聚和長大，易于被除霧器所捕集，增加了微細顆粒物的脫除效率。因此，高效旋流霧化技術能夠適應陶瓷工業(yè)煙氣顆粒物濃度大、SO2濃度不穩(wěn)定、煙氣含濕量大等特點，實現(xiàn)陶瓷工業(yè)煙氣的脫硫除塵一體化。

4 工程改造試驗

4.1 工程概括

本項目為廣東清遠某陶瓷廠的脫硫除塵改造項目，該陶瓷廠的瓷磚生產線分別有噴霧干燥塔和燒結窯爐，對應設計了一套脫硫系統(tǒng)，燒結窯爐產生的煙氣量為170 000 m3/h，其脫硫塔命名為1#脫硫塔，噴霧干燥塔產生的煙氣量為220 000 m3/h，其脫硫塔命名為2#脫硫塔。保留原有鈉鈣雙堿濕法脫硫工藝，擬對脫硫塔進行改造，提高脫硫效率，減少脫硫能耗，實現(xiàn)脫硫塔的高效深度脫硫除塵。

4.2 系統(tǒng)改造

對上述脫硫塔進行旋流霧化脫硫除塵一體化改造，將原有的噴淋層改造為兩層旋流霧化層，沿脫硫塔壁切圓式布置8個旋流霧化器，脫硫塔上部加裝除霧器對煙氣中的顆粒物和液滴進行脫除，將吸收塔內的反應區(qū)Ⅱ分為超細霧化吸收區(qū)和頂層除霧區(qū)，煙氣從煙氣入口進入脫硫吸收塔的超細霧化吸收區(qū)內，在超細霧化區(qū)內裝有切圓布置的高效煙氣脫硫一體化裝置，改造后的脫硫塔如圖1所示。噴嘴噴射出的超細脫硫漿液㈦煙氣形成多重切圓旋流霧化流場，實現(xiàn)劇烈混合反應，經過多重脫硫后的煙氣到達頂部除霧區(qū)后，除霧器對凝并后的大顆粒物進行捕捉脫除，實現(xiàn)高效除塵，凈化后的煙氣從脫硫塔頂部的煙氣出口排出。

圖1 旋流霧化脫硫除塵一體化改造示意圖

5 改造試驗結果㈦分析

5.1 陶瓷窯爐煙氣處理旋流霧化設計

將原有直徑為4.6 m脫硫塔的旋流板和噴淋層拆除，在脫硫塔底部設計兩層旋流霧化層（一運一備），每層設計8個旋流霧化器沿塔內切圓布置，在旋流霧化層上設計4級高效復合凝并除霧器，采⒚廠內工藝水作為除霧器沖洗水，水壓不低于0.3 MPa。

5.2 陶瓷窯爐煙氣旋流霧化超級凈排放試驗

對改造后的脫硫塔進行脫硫除塵試驗，分別測定噴霧干燥塔和窯爐出口煙氣通過脫硫塔后煙氣中SO2濃度和粉塵濃度。

從圖2可知，噴霧干燥塔SO2出口濃度約為1 200 mg/m3，通過2#脫硫塔后，SO2濃度持續(xù)下降，穩(wěn)定在5 mg/m3左右，脫硫效率為99.58%。

從圖3可知，窯爐SO2出口濃度為900 mg/m3，通過1#脫硫塔后，SO2濃度持續(xù)下降，穩(wěn)定在5 mg/m3左右，脫硫效率為99.44%，出口煙氣的SO2濃度滿足廣東省《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標準》標準的超低排放要求。

從圖4可知，噴霧干燥塔煙氣進入脫硫塔入口顆粒物濃度為36 mg/m3，通過2#脫硫塔后，顆粒物濃度持續(xù)下降，穩(wěn)定在10 mg/m3左右，滿足廣東省2019年《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標準》中顆粒物不高于20 mg/m3的標準。從圖5可知，進入脫硫塔入口的窯爐煙氣顆粒物濃度為50 mg/m3，通過1#脫硫塔后，顆粒物濃度持續(xù)下降，穩(wěn)定在8 mg/m3左右，滿足廣東省2019年《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標準》中顆粒物不高于20 mg/m3的標準。

圖3 1#脫硫塔出口煙氣SO2濃度變化趨勢圖

圖2 2#脫硫塔出口煙氣SO2濃度變化趨勢圖

圖4 2#脫硫塔出口煙氣粉塵濃度變化趨勢圖

6 旋流霧化塔的能耗分析

6.1 設備的能耗特性

圖5 1#脫硫塔出口煙氣粉塵濃度變化趨勢圖

在該陶瓷廠的脫硫系統(tǒng)中，主要包括煙氣系統(tǒng)、堿液供給系統(tǒng)和SO2吸收系統(tǒng)。在系統(tǒng)中的主要能耗設備為堿液循環(huán)泵、高壓風機和氧化風機，以這三個設備為主，對比分析脫硫塔改造前后的運行能耗，改造前后的能耗設備相關參數(shù)如表2所示。

（1）堿液循環(huán)泵

堿液循環(huán)泵將堿液泵送到塔內，堿液循環(huán)泵的能耗由式（1）計算[21]：

式中：Hi為第i臺循環(huán)泵揚程，m；（L/G）為液氣比，L/m3；Qg為煙氣量，m3/h；ηip為第i臺泵的效率，%；ρ為堿液的密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

表2 陶瓷廠脫硫塔改造前后的能耗設備參數(shù)

（2）增壓風機

增壓風機的能耗由式（2）計算：

式中：ΔPd為增壓風機全壓，Pa，㈦脫硫系統(tǒng)的阻力和設備運行方式有關；η為增壓風機效率。

6.2 能耗計算

在表3所示的運行工況下，旋流霧化塔的能耗約為噴淋塔能耗的32.92%，降低能耗67.08%，若按照一年運行時間6 500 h計算，則節(jié)省電量9.37×106kW·h，由此帶來的經濟效益約（按照0.5元/kW·h電價）469萬元/年，主要表現(xiàn)在旋流霧化塔的液氣比降低，導致堿液循環(huán)泵的能耗減少，切圓式布置的旋流霧化器使得塔內系統(tǒng)阻力降低，使得增壓風機的全壓減少，從而使總能耗大幅降低，結合脫硫除塵效率來看，旋流霧化塔的能耗低，脫硫除塵效率高。

7 結論

（1）對陶瓷工業(yè)煙氣的煙氣特點進行分析研究表明，由于陶瓷工業(yè)的特殊工藝特點，噴霧干燥塔和窯爐排放的煙氣成分復雜，狀態(tài)變化波動較大，隨著日趨嚴格的國內外陶瓷工業(yè)煙氣排放標準，為了達標排放，必須采取有效改造措施對陶瓷工業(yè)煙氣污染物進行有效治理。

表3 脫硫塔改造前后能耗對比

（2）采⒚旋流霧化脫硫除塵一體化技術的脫硫效率較噴淋塔在相同工況下提升效果明顯，相對于噴淋塔，改造后的旋流霧化塔設備總能耗降低了67.08%，主要體現(xiàn)在液氣比和系統(tǒng)阻力降低而使得堿液循環(huán)泵和增壓風機的能耗降低，由此帶來的電費節(jié)省經濟效益為469萬元/年。

（3）對某陶瓷廠噴霧干燥塔和窯爐采⒚旋流霧化脫硫除塵一體化技術改造，在不增加濕電除塵器的情況下，實現(xiàn)了煙氣脫硫和除塵的超潔凈排放。噴霧干燥塔煙氣出口SO2濃度由1 200 mg/m3降至5 mg/m3，粉塵濃度從 36 mg/m3降至 10 mg/m3；窯爐煙氣出口SO2濃度由900 mg/m3降至5 mg/m3，粉塵濃度從50 mg/m3降至8 mg/m3，脫硫效率高達99.58%以上，符合超低排放標準，該示范工程為陶瓷工業(yè)煙氣實現(xiàn)煙氣中SO2和煙塵的超低排放提供了參考。