劉宏超

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國水泥工業(yè)進入了繁榮發(fā)展時期。水泥行業(yè)在為社會創(chuàng)造價值的同時，也是我國能源、資源消耗和污染物排放的主要行業(yè)之一。隨著我國“綠水青山生態(tài)文明”總體規(guī)劃的實施，對水泥企業(yè)粉塵和SO2、NOX、CO2、CO等有害氣體的排放提出了更為嚴格的要求，水泥生產(chǎn)面臨著嚴峻挑戰(zhàn)[1]。水泥企業(yè)“超低排放”是實現(xiàn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、淘汰落后產(chǎn)能的重要舉措[2]，得到了國家環(huán)保部門和地方政府的高度認可[3]，水泥企業(yè)進行“超低排放”技術(shù)改造勢在必行[4，5]。

為滿足排放要求，提升區(qū)域行業(yè)環(huán)境綜合治理水平，促進企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，我公司按照環(huán)保主管部門要求，通過引進先進技術(shù)實施了“超低排放”的技術(shù)改造，取得了顯著成果。

2 總體要求

2.1 技術(shù)改造前的排放情況

我公司現(xiàn)有兩條4 000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格φ4.8m×72m，自投產(chǎn)以來，生產(chǎn)運行正常，能耗、環(huán)保等指標均能達到現(xiàn)行國家標準要求，是所在地區(qū)污染物排放重點監(jiān)控的企業(yè)之一。

GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》中規(guī)定，重點地區(qū)水泥制造過程中，水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物（以NO2計）排放濃度分別低于20mg/Nm3、100mg/Nm3、320mg/Nm3，某些先行地區(qū)污染物超低排放限值見表1[1，5]。項目所在地河北省邢臺市要求水泥行業(yè)顆粒物、SO2、NOX的超低排放濃度分別低于10mg/Nm3、30mg/Nm3、50mg/Nm3。

表1 某些先行地區(qū)污染物超低排放限值，mg/Nm3

目前，我公司NOX排放濃度控制在≤100mg/Nm3，氨水用量為1.5m3/h。若將NOX排放濃度控制在≤50mg/Nm3，則氨水用量會更大，同時會出現(xiàn)NOX排放數(shù)據(jù)波動大、氨逃逸偏高的問題。在京津冀地區(qū)嚴峻的環(huán)保形勢下，一旦出現(xiàn)重污染天氣，企業(yè)必將面臨停窯風險。

2.2 改造原則及目標

本次改造的原則是，在經(jīng)濟、合理的前提下，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，并在關(guān)鍵部位采用先進可靠的新技術(shù)，實現(xiàn)綠色環(huán)保、生產(chǎn)穩(wěn)定、節(jié)能降耗和超低排放的目的。

公司現(xiàn)有環(huán)保排放指標雖能達到國家標準要求，但與河北省邢臺地區(qū)的排放要求還有一段距離，為了進一步降低污染物排放值，實現(xiàn)超低排放，公司確定了如下“超低排放”改造目標：

（1）顆粒物：≤10mg/Nm3

（2）SO2：≤30mg/Nm3

（3）NOX：≤50mg/Nm3

（4）污染物日排放總量：≤612kg/d

（5）污染物月排放總量：≤13 464kg/月

3 技改實施

3.1 保證窯系統(tǒng)穩(wěn)定運行

窯系統(tǒng)穩(wěn)定運行，是實現(xiàn)水泥窯煙氣超低排放的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，我公司主要從穩(wěn)定控制原燃材料質(zhì)量、升級并加強維護設(shè)備、優(yōu)化中控室操作、增設(shè)日常檢測設(shè)備四方面入手，保證窯系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.1.1 穩(wěn)定控制原燃材料質(zhì)量

（1）公司進廠原燃材料全部為外購，質(zhì)量不穩(wěn)定，采取加大堆場儲量，堆集大堆料，增加檢驗頻率和合理搭配使用等措施，減小生料質(zhì)量波動幅度。

（2）采用DF-5701 元素在線分析儀，實現(xiàn)在線連續(xù)穩(wěn)定配料，保證出磨生料的質(zhì)量穩(wěn)定，為窯系統(tǒng)穩(wěn)定煅燒提供基礎(chǔ)保障。

（3）采購高熱值煤作為燃料，提高入窯煤粉的細度和水分，保證煤粉充分燃燒和氨水充分反應(yīng)，避免預(yù)熱器出口產(chǎn)生過量CO。

3.1.2 升級并加強設(shè)備維護

（1）公司采用菲斯特喂煤秤，經(jīng)常出現(xiàn)入秤煤粉量波動大的問題。通過增加緩沖穩(wěn)流倉，解決了煤粉入秤喂煤量不穩(wěn)定的問題。

（2）對生料均化庫庫底均化小倉進行專項治理，更換轉(zhuǎn)子型生料喂料秤，使入窯提升機電流波動從10A 降低到5A 以內(nèi)，保證了入窯生料量的穩(wěn)定。

（3）將原有篦冷機改造為IKN 篦冷機。IKN 篦冷機投入使用后，窯系統(tǒng)二次風溫和三次風溫分別穩(wěn)定在1 250℃和950℃，熟料標煤耗降低3kg/t.cl，大大提高了熟料煅燒的穩(wěn)定性，對穩(wěn)定NOX排放發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

（4）為降低一次風用量，避免峰值高溫，將原有燃燒器更換為新型節(jié)能低氮燃燒器，減少了NOX產(chǎn)生量。

3.1.3 優(yōu)化中控室操作

中控室實施統(tǒng)一的精細化操作，可減少氨水使用量和NOX生成量，是實現(xiàn)“超低排放”的重要措施之一。我公司通過增加中控室窯磨智能專家控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了窯、磨各參數(shù)的實時自動調(diào)整，避免了人工調(diào)整存在的滯后性和不必要的波動，窯工況更加穩(wěn)定。

3.1.4 增設(shè)日常檢測設(shè)備

增設(shè)德圖-340煙氣分析儀、便攜式測溫儀、嶗應(yīng)煙氣流速檢測儀、嶗應(yīng)3012H煙氣檢測儀等日常檢測設(shè)備，用于檢測各級預(yù)熱器，確保實時檢測、分析和診斷系統(tǒng)情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題，將及時調(diào)整、優(yōu)化生產(chǎn)。

3.2 優(yōu)化分級燃燒技術(shù)

（1）改變分解爐煤粉加入位置，抬高三次風管頂部位置，增大還原區(qū)域，減少了NOX的生成量。

（2）將原有燃燒器更換為低氮燃燒器（安裝位置如圖1 所示），將四級撒料板改變?yōu)殡A梯廣角形式，提高物料撒布效果，改造窯尾煙室縮口。改造后，窯尾煙室縮口直徑由2.5m 縮小到2.35m，增大了縮口處風速，改善了料氣換熱效果，避免了系統(tǒng)塌料，為工藝操作創(chuàng)造了良好條件。

圖1 低氮燃燒器安裝位置示意圖

（3）在中控操作上，減少窯頭用煤量，增加三次風量，降低窯內(nèi)通風量，有效保證了分級燃燒效率的發(fā)揮，對穩(wěn)定燃料燃燒、降低NOX初始排放濃度起到了積極作用。

優(yōu)化后，NOX排放本底值由原來的2 000mg/Nm3降低到820mg/Nm3左右，達到了比較理想的效果。

3.3 應(yīng)用高效智能選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)

在優(yōu)化分級燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上，我公司采用SNCR煙氣脫硝裝置，安裝在線氨氣分析儀，引用進口控制閥組和噴槍，使用高效智能脫硝軟件控制系統(tǒng)和先進的人工智能優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了“用最少量的氨水高效脫硝和減少氨逃逸”的目標。

3.3.1 高效智能脫硝系統(tǒng)和在線氨氣監(jiān)測分析儀的應(yīng)用

為了確保氨水在NOX含量高的區(qū)域充分反應(yīng)，減少氨逃逸，公司實時采集全部工藝數(shù)據(jù)，通過高效智能脫硝系統(tǒng)控制軟件，分析燒成系統(tǒng)情況，并模擬特定工藝條件對現(xiàn)有SNCR噴槍效率的影響，在預(yù)熱器中精準布置噴槍并以最佳噴射方式噴射氨水。同時，根據(jù)數(shù)據(jù)分析模型，預(yù)測NOX變化趨勢，提前調(diào)整不同位置噴槍的流量，確保高效脫除NOX。在控制NOX排放的同時，安裝在線氨氣監(jiān)測分析儀，監(jiān)測氨逃逸量，保證脫硝系統(tǒng)脫硝及氨逃逸控制目標的實現(xiàn)。

3.3.2 氨水噴槍的選擇和合理布置

3.3.2.1 氨水噴槍的選擇

氨水噴槍的選擇對于氨水脫硝工藝尤為重要，必須選擇能夠保證氨水噴出后有良好霧化效果的噴槍，噴槍槍頭不能有水滴狀氨水噴出。另外，為保證每支噴槍在氨水噴量不同的情況下都能達到最好的霧化效果，我公司對噴槍系統(tǒng)單獨設(shè)置了空氣壓縮機，可根據(jù)噴氨量智能調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力，提高了脫硝效率。

3.3.2.2 氨水噴槍的合理布置

為了實現(xiàn)高效脫硝，采用分層布置噴槍的方式[6]，并根據(jù)特定工況下每層噴槍的脫硝效率差異，實時調(diào)整每組噴槍的氨水流量和壓縮空氣壓力。

（1）在分解爐區(qū)域，選擇溫度場、氣流場垂直穩(wěn)定段布置噴槍。

（2）在五級旋風筒區(qū)域，考慮到粉塵濃度低、溫度和反應(yīng)時間適宜等條件，噴槍布置在排氣管道位置脫硝更穩(wěn)定。在煙氣流向通道上預(yù)開多個噴槍安裝孔，調(diào)試過程中檢測每個孔的相對脫硝效率，選定脫硝效率最高的孔安裝噴槍。

各部位噴槍安裝位置如圖2所示。

圖2 各部位噴槍安裝位置示意圖

3.4 減少系統(tǒng)漏風

回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)漏風不僅會增加熟料燒成電耗和煤耗，對窯系統(tǒng)脫硝效率也有很大的負面影響，因此，加強窯系統(tǒng)的漏風治理一直是公司重點關(guān)注的問題之一。

窯尾漏風既影響燃燒器煤粉的燃燒，又會引起系統(tǒng)內(nèi)氧含量的增加，削弱煙室分級燃燒脫硝效果。公司通過加強管理，治理窯尾漏風，使窯尾煙室實測的氧含量＜3.0%。此外，公司對預(yù)熱器、余熱發(fā)電PH 鍋爐、增濕塔、生料磨、收塵器等系統(tǒng)以及各處管道軟連接、人孔門等部位進行了漏風綜合治理，實現(xiàn)了窯尾煙囪氧含量＜5.5%，最優(yōu)可達5.0%以內(nèi)。

3.5 選擇合適的物料配料

NOX的形成與燒成溫度有很強的相關(guān)性。研究表明，燒成溫度從1 550℃升高到1 900℃時，NOX的生成量急劇上升，特別是在1 750℃后，幾乎是直線上升[7]。選取合適的原材料和熟料配料方案或使用礦化劑，在保證熟料質(zhì)量的前提下，盡可能降低燒成溫度，可抑制NOX的生成?；诖?，我公司嘗試使用鐵選礦污泥（替代石灰石）和煤矸石等低價原材料，采用石灰石、砂巖、煤矸石（帶熱值/無熱值）、鐵選礦污泥、銅尾礦五組分進行多次配料生產(chǎn)試驗，初步摸索了原材料配比對NOX排放的影響。采用鐵選礦污泥和煤矸石配料生產(chǎn)產(chǎn)生的污染物排放數(shù)據(jù)測試結(jié)果見表2。

表2 采用鐵選礦污泥和煤矸石配料生產(chǎn)產(chǎn)生的污染物排放數(shù)據(jù)測試結(jié)果（平均值）

試驗結(jié)果顯示，添加污泥作原料對污染物的排放基本無影響，采用無熱值煤矸石配料能較明顯降低NOX排放量。無熱值煤矸石中的硫含量偏高，會引起煙氣中SO2排放量略有增加，但是使用帶熱值煤矸石配料，在生料磨停機狀態(tài)下，SO2排放波動大，控制困難，相對而言，在使用無熱值煤矸石配料時SO2控制更穩(wěn)定。使用無熱值煤矸石配料，在生料磨開機情況下，經(jīng)綜合測算發(fā)現(xiàn)，當氨水用量降低約0.2t/h 時，污染物排放總量降低約0.4kg/h，對生產(chǎn)有利。

3.6 技改效果

采取一系列超低排放技改措施后，系統(tǒng)于2021年5月開始穩(wěn)定運行，回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣排放超標準完成了環(huán)保政策要求的數(shù)值，NOX本底排放值可降低至820mg/Nm3，NOX排放值可穩(wěn)定控制在＜50mg/Nm3，保證了污染物排放總量控制在612kg/d以內(nèi)。同時，通過增加氨水用量等措施，可使污染物的排放總量≤13 464kg/月。技術(shù)改造前后的排放數(shù)據(jù)對比見表3。目前在嚴格的區(qū)域環(huán)保政策要求下，污染物排放數(shù)值基本可以滿足回轉(zhuǎn)窯全月連續(xù)運轉(zhuǎn)不停機，保證了窯系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

表3 技術(shù)改造前后的排放數(shù)據(jù)

4 優(yōu)化改進建議

（1）跟蹤SCR關(guān)鍵技術(shù)的突破，降低高投入、高運營成本。

（2）探索替代原燃材料的應(yīng)用，在保證煅燒、產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，通過使用替代材料以降低污染物的生成，從源頭控制污染物的生成。

（3）重點關(guān)注氨逃逸量的減少，分級燃燒+SNCR 智能精準脫硝技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，氨水噴入量和NOX生成量的降低，實現(xiàn)最佳脫硝效率。

（4）末端治理研究。目前我公司已經(jīng)開展氧化還原技術(shù)在NOX排放末端治理的研究，初步效果明顯，但氧化過程是否能將低價氮氧化成高價氮排出，還有待進一步驗證。此項技術(shù)工藝流程簡圖如圖3所示。

圖3 氧化還原技術(shù)用于NOX排放末端治理研究技術(shù)工藝流程

5 結(jié)語

雖然影響NOX“超低排放”的因素很多，但完全可以通過相關(guān)技術(shù)改造，降低NOX排放量。水泥廠可因地制宜，探索適合于自身的優(yōu)化方案。我公司從污染物的產(chǎn)生源頭開始控制，通過采取各種技改措施，抑制前端污染物的生成，有效提升了過程脫硝效率，為NOX排放末端治理減輕了負擔。

本次技改投入小，回報率高，可行性強，隨著水泥行業(yè)“超低排放”技術(shù)的快速發(fā)展，水泥窯煙氣排放治理一定會取得更大成績。