煤矸石燒結磚生產中隧道窯煙氣污染治理技術

滕俊雨

(棗莊市生態環境局嶧城分局，山東 棗莊 277300)

目前，我國每逢進入冬季，受風速、降雨、濕度、溫度等氣候因素的影響，大氣污染物擴散緩慢，導致霧霾天氣頻發，大氣環境質量下降，群眾要求治霾的呼聲越來越強烈。當前，政府部門對大氣污染的治理工作越來越重視，相關執法力度也在不斷的加強。煤矸石燒結磚作為高能耗、高排放行業，是我國重點工業污染控制行業之一，其燒結磚過程中的煙氣排放也開始受到社會各界的廣泛關注[1-3]。《磚瓦工業大氣污染物排放標準》(GB29260-2013)發布實施以來，環保部門要求所有磚瓦生產企業嚴格執行《標準》，并安裝與環保部門聯網的在線監測監控設備，并加大了超標排放的處罰力度，環保要求越來越嚴。近年來，煤矸石燒結磚行業減排控制技術取得了較大進步，但距超低排放標準還有很大差距[4]。本文基于對煤矸石燒結磚過程中的煙氣排放特征及治理技術的探討， 通過對多家煤矸石磚瓦企業治理污染工作過程的調查研究及技術應用，提出了煤矸石燒結磚過程中煙氣污染物(顆粒物、二氧化硫、氮氧化物)的成功治理技術。

1 磚瓦行業執行的污染物排放標準

《磚瓦工業大氣污染物排放標準》(GB29260-2013)要求自2016年7月1日起，現有企業執行大氣污染物排放限值標準內容如表1所示。

表1 現有企業執行大氣污染物排放限值

標準規定基準過量空氣系數為1.7，實測的大氣污染物排放濃度應換算為基準過量空氣系數排放濃度。生產設施應采取合理的通風措施，不得故意稀釋排放。

在本標準規范性引用文件《固定污染物排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T16157)中規定：過量空氣系數α=21/(21-XO2),其中XO2為排放氣體中氧的體積百分數。由此公式推導出：過量空氣系數α=1.7時，氧的體積百分數為8.65%。磚瓦工業規定的煙氣過量空氣系數與陶瓷行業(18%)、水泥行業(10%)、燃煤鍋爐(9%)相比較低，基于磚瓦工業隧道窯焙燒工藝實際含氧量基本在18%左右的特點，含氧量8.65%的要求較低。實測值要經過換算后得出排放濃度值，換算公式如式1所示：

(式1)

式中：

c—大氣污染物基準氧含量排放濃度，mg/m3；

c' —實測的大氣污染物排放濃度，mg/m3；

O'2—實測的氧含量，%；

O2—基準氧含量，%。

從公式可以得出，實測的氧含量越高，換算的值越大。從煤矸石磚瓦生產企業排污調查情況來看，很難實現大氣污染物達標排放，必須對現有治污設施進行升級改造，同時采用可行的治污技術。

2 煤矸石燒結磚生產工藝及主要污染物排放

煤矸石燒結磚是以煤矸石為結合劑的燒結磚工藝所生產的建筑材料。隧道窯焙燒技術生產煤矸石燒結磚工藝具體流程[5]：將煤矸石裝入料斗經皮帶機送至原料加工廠房，經錘式粉碎機粉碎、滾筒篩或振動篩篩選加工成合格物料，然后送入一級攪拌加水后送入陳化倉進行陳化。把經過陳化的物料用皮帶機送入二級攪拌及真空制磚機制成磚坯，然后用液壓自動碼坯機將磚坯碼到窯車上送入烘干窯內進行烘干，將烘干的磚坯用擺渡車送到隧道窯口后頂入窯內燒結而成為成品磚，烘干坯體后的煙氣經烘干窯通過風機送至治污設施處理，再經煙筒排放。

以棗莊地區一家年產6000萬塊煤矸石磚隧道窯焙燒工藝企業為例，年生產300天，每天生產量20萬塊標磚，其干燥及焙燒工序煙氣產污情況如下：

焙燒窯內的余熱煙氣全部都送入干燥窯，干燥后的混合濕煙氣主要含有煙塵顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等主要污染物，排出煙筒廢氣的氧含量約18%，治污前濃度約為：煙塵顆粒物100 mg/Nm3左右、二氧化硫1000 mg/Nm3左右，氮氧化物70 mg/Nm3，為確保二氧化硫這一主要指標達標排放，減少治污設施運行費用，目前多數磚瓦企業不敢使用含硫高的煤矸石，均采用含硫量約為0.2%～0.4%左右的低硫煤矸石。此外，氮氧化物主要來自焙燒窯中氮的氧化，由于焙燒溫度不高，實際監測表明氮氧化物的濃度不高，在脫硫過程中順便把氮氧化物進行了吸收處理，氮氧化物能夠達標排放。在山東魯南地區煤矸石磚隧道窯焙未檢測出氟化物。

同時，焙燒的余熱通過風機進入干燥窯烘干坯體，干燥窯內的溫度降到50℃左右，為加速排潮，企業一般都加大風機風量，導致空氣過剩，因隧道窯用焙燒的余熱通過風機進入干燥窯烘干坯體的工藝特點，在經過干燥窯后的混合濕氣體氧含量約在18%左右。

3 煤矸石燒結磚煙氣治理技術

目前，煤矸石燒結磚煙氣治理技術一般以布袋除塵+濕法脫硫工藝，在實踐運行過程中，此工藝很難達到《磚瓦工業大氣污染物排放標準》(GB29260-2013)排放標準，已基本淘汰。而采用濕式靜電除塵治污工藝后可實現煙氣穩定達標排放。

在對傳統工藝分析基礎上，結合實際應用，本文提出新的煙氣三級治污流程如下：

焙燒窯內煙氣→焙燒窯車上放置石灰石初步去除少量SO2→干燥窯→風機→濕式雙堿脫硫→濕式靜電除塵器→達標排放。

3.1 焙燒窯加入石灰石初步去除二氧化硫

3.1.1 工作原理

從焙燒窯的加煤孔適量加入含鈣石灰石顆粒與窯內的二氧化硫反應生成硫酸鈣，去除煙氣中的少量二氧化硫。另一部分含鈣石灰石經高溫生成氧化鈣，氧化鈣再與窯內的二氧化硫反應也生成硫酸鈣，再去除煙氣中的少量二氧化硫。

3.1.2 結構特點

在焙燒窯加煤孔均勻加入細顆粒石灰石(CaCO3)，石灰石在近1000℃高溫的作用下，與硫氧化物作用生成CaSO4和CaO，在此反應過程中，部分SO2被去除，每天生成的硫酸鈣經清理進入制磚坯環節。

3.2 濕式堿法脫硫

3.2.1 工作原理

以氫氧化鈉和氫氧化鈣作為脫硫劑，從烘干窯出來的煙氣與脫硫塔內的氫氧化鈉和氫氧化鈣的混合液充分反應生成硫酸鈉和硫酸鈣，去除煙氣中的二氧化硫[6]。實踐中由于使用氫氧化鈣作為脫硫劑生成的硫酸鈣沉淀量較大，清理難度大，現企業已不再使用，多使用氫氧化鈉作為脫硫劑。

3.2.2 結構特點

設備為高22 m，直徑6.5 m的脫硫塔，脫硫塔內的每組噴淋層由母管及其聯接的支管噴嘴組成，噴淋組件及噴嘴的布置設計均勻覆蓋吸收塔上流區的橫截面，噴淋系統與脫硫除塵液的循環泵相連，脫硫堿液的使用量以視煙氣量和進入脫硫塔煙氣中SO2的濃度自動調整循環泵運行數量，從而科學加入脫硫堿液的量，從而降低脫硫的運行費用，實踐中氫氧化鈉堿液的含量約30%～40%左右。

塔內自下向上內置1+3+2+2結構，即：一層旋流板，三層高效渦流霧化噴淋層，兩層除霧器，兩層除霧沖洗層，脫硫后的煙氣通過除霧器以減少攜帶的水滴，經過兩層除霧器處理后的水滴攜帶量不大于75 mg/m3，另外在除霧器的上方設置噴淋裝置，定期沖洗除霧器。烘干窯煙氣經風機導入脫硫塔底部，經過煙氣旋流板均勻上升，煙氣在塔內上升流速一般為2.3 m/s，煙氣在塔內停留時間為9 s，通過噴淋層的時間為2.6 s，噴淋層安裝117個高效渦流噴頭，在經過三層渦流霧化噴淋層的同時，使煙氣中的SO2與向下噴霧的堿液氫氧化鈉進行反應，生成硫酸鈉和水，從而去除煙氣中的SO2。脫硫除塵后的液體通過管道自流入沉淀池再循環使用。

表2 濕式堿法脫硫前后二氧化硫濃度值

脫硫主要設備：脫硫水泵、變頻器，脫硫水泵經變頻后的工作負荷及脫硫塔內噴頭的數量和脫硫堿液的濃度決定了脫硫效率。

3.3 濕式靜電除塵

3.3.1 工作原理

濕式靜電除塵器的工作原理是利用高壓電暈放電使粉塵或水霧荷電，沉淀極采用蜂窩式管束結構，每個沉淀極管對應1根陰極電暈線，設備運行時利用高壓靜電裝置對電暈線施加負高壓，使電暈線和沉淀管之間形成不均勻的高壓靜電場。在電場力的作用下，整個沉淀極管內部都形成電暈區，高濃度的負離子(電子)從電暈電極向沉淀極管做定向運動而形成電暈電流。當含有水霧、粉塵的煙氣進入沉淀極管時，由于離子的碰撞和擴散，水霧和粉塵荷電，在電力場的作用下迅速抵達沉淀極管的內壁并釋放出電荷，在沉淀極管壁形成液膜，粉塵隨液膜在重力的作用下流至集塵板，然后再用沖刷液沖洗電極，將收塵板上捕獲的粉塵沖刷到灰斗中排放到沉淀池中。需要注意的是，若集塵極上的粉塵不能及時沖刷下來，會產生運行電壓下降、電暈封閉和局部腐蝕等問題。沖刷液中含有的大量懸浮顆粒物以及酸性物質，沖洗水經沉淀后再循環使用。

濕式靜電除塵器除塵除霧過程分為四個階段：氣體的電離、塵霧的荷電、荷電塵霧的沉集、集塵的清理。

3.3.2 結構特點

濕式電除塵器主要由高壓靜電發生裝置、電除霧器、進出口煙道、除塵器殼體、導流板、整流格柵、陽極收塵板陰極線、絕緣箱、沖洗水系統、電源及控制系統組成。其殼體尺寸為11.3 m×6.1 m×16 m，內置4組陽極管模塊，共計448支陽極管所構成。濕式電除塵器外部構件采用普通碳素鋼，內表面加涂層以防腐蝕。

表3 濕式電除塵前后顆粒物濃度值

濕電主要設備：電源及變電設備。

3.4 驗收監測報告及在線監測數據

3.4.1 驗收監測報告數據

表4 XX煤矸石燒結磚廠煙氣驗收監測數據

3.4.2 XX煤矸石燒結磚廠煙氣在線監測數據

表5 XX煤矸石燒結磚廠煙氣在線監測數據

表5(續)

綜上所述，經過新的治理技術，各類污染物均可達標排放，環保設施運行費用每塊標磚約7分錢左右。

4 結論

(1) 煤矸石燒結磚過程煙氣治理采用焙燒窯車上石灰石初步去除少量SO2-濕式雙堿脫硫-濕式靜電除塵工藝減排效果完全滿足當前的國家及地方排放要求。

(2)源頭控制煤的含硫量。選購煤矸石在注重熱值的同時，更要選用含硫量低煤矸石，少量的助燃煤也要使用低硫煤(含硫1%以下)，以降低脫硫成本。此外，從坯體進車、風機頻率、窯頂投助燃煤等環節將硫的問題考慮進去，窯頂投助燃煤時，可改用石灰拌混制成一定規格的清潔型煤，能減少投煤產生的硫和粉塵。

(3)不斷優化生產工藝，提高脫硫塔效率。從干燥窯出來的混合濕煙氣，溫度一般為40～50℃，此時的煙氣溫度，脫硫效果較差，所加入的堿液量大，而溫度越高脫硫效果越好。所以，要不斷優化生產工藝，在保證正常生產情況下，還要降低脫硫運行成本，提高經濟效益。

(4)目前，煤矸石燒結磚煙氣排放指標較煤電超低排放標準還有較大差距，建議根據行業自身特點，逐步研究開發適合煤矸石燒結磚煙氣的超低排放技術。