煤矸石燒結(jié)磚窯煙氣處理技術(shù)研究及展望

李祖良

摘 要：本文簡要分析了煤矸石燒結(jié)磚窯及其煙氣的特點(diǎn)，并據(jù)此對(duì)《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了解讀。介紹了干法、濕法脫硫工藝以及除塵工藝的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合煤矸石磚窯煙氣特點(diǎn)，對(duì)工藝進(jìn)行了簡要分析，提出了工藝選擇建議——石灰石-石膏濕法脫硫聯(lián)合濕電除塵工藝，并有針對(duì)性地調(diào)整工藝細(xì)節(jié)，更好地適應(yīng)煤矸石磚窯煙氣。為煤矸石磚廠合理選擇煙氣處理工藝及設(shè)備提供參考。

關(guān)鍵詞：煤矸石磚窯;煙氣;石灰石-石膏濕法;濕電除塵

中圖分類號(hào)：TU522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0154-02

0引言

煤炭是我國主要的能源資源，在我國能源消費(fèi)占比高達(dá)70%。大量煤炭被開采消費(fèi)，而隨煤炭被開采出來的煤矸石卻因不足30%的利用率被堆積起來，積存高達(dá)數(shù)十億噸，煤矸石山成為了煤礦的標(biāo)配。煤矸石在堆積過程中，因風(fēng)化揚(yáng)塵、雨水淋洗、氧化分解等問題，對(duì)大氣、水體、土壤等都有嚴(yán)重的污染，同時(shí)也是巨大的安全隱患[1]。

為解決煤矸石問題，我國多年來一直倡導(dǎo)、鼓勵(lì)煤矸石制磚行業(yè)的發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示，中國約有8萬座磚窯，年產(chǎn)磚量高達(dá)3400億塊，占全世界產(chǎn)量的44%以上[2]。粘土實(shí)心磚被禁止使用后，煤矸石磚廠的數(shù)量迅速上升，占據(jù)了相當(dāng)可觀的市場份額。煤矸石制磚已經(jīng)成為我國煤矸石的重要消耗途徑。

煤矸石磚廠煙氣因污染物濃度較低，過去很少受到重視，悄悄地污染著環(huán)境。近年來，隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，磚瓦窯爐煙氣也受到了廣泛關(guān)注。相較于粘土磚，煤矸石磚生產(chǎn)過程中耗能少、節(jié)約粘土，具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。因此，解決煤矸石磚廠的煙氣污染問題，不僅是維護(hù)了企業(yè)效益，更是在多方面維護(hù)了社會(huì)效益[3]。

1煤矸石燒結(jié)磚窯煙氣的特點(diǎn)

為充分利用能源，我國大部分煤矸石燒結(jié)磚廠都從焙燒窯窯尾抽取余熱，對(duì)磚坯進(jìn)行干燥。此過程中漏風(fēng)、風(fēng)機(jī)選型等問題，導(dǎo)致煙氣過量系過高，達(dá)到了10以上，致使折算系數(shù)很大，對(duì)污染物的檢測(cè)值影響很大，導(dǎo)致其波動(dòng)大、穩(wěn)定性差[4]。

煙氣經(jīng)干燥窯后，因被空氣稀釋及濕磚坯中的水分吸熱蒸發(fā)，煙氣溫度降到40-50℃，并攜帶接近飽和的水分。低煙溫降低了脫硫反應(yīng)的效率，同時(shí)對(duì)煙道及脫硫設(shè)備具有較大的腐蝕性，是磚廠煙氣處理的難點(diǎn)之一。

煤矸石中含有約5%的CaO，具有一定的脫硫能力。數(shù)據(jù)顯示，1000℃焙燒的煤矸石固硫率在41%左右。而煙氣經(jīng)過干燥窯時(shí)，與濕磚坯也發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步降低了煙氣中的SO2。因此，煤矸石磚廠煙氣的硫含量一般不高，但因氧含量過高，煤矸石磚廠脫硫壓力依然很大。

磚窯的煙氣中顆粒物含量一般較低，看似易于達(dá)標(biāo)，但因氧含量過高，顆粒物實(shí)際已經(jīng)成為磚瓦行業(yè)煙氣處理中最大的難點(diǎn)。

煤矸石燒結(jié)磚的焙燒溫度在1000℃左右，遠(yuǎn)低于氮氧化物生成需要的1400℃，因此煙氣中氮氧化物一般較少。此外，煙氣還有少量的氟化物，一般通過脫硫工藝去除，不做單獨(dú)處理。

2磚瓦行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的解讀

2013年，中國環(huán)保部發(fā)布了《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB29620-2013），標(biāo)準(zhǔn)要求，2016年7月1日后現(xiàn)行企業(yè)，人工干燥及焙燒窯的煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別在基準(zhǔn)過量空氣系數(shù)為1.7（基準(zhǔn)含氧量8.6%）的條件下不高于30mg/m3、300mg/m3、200mg/m3。該標(biāo)準(zhǔn)被稱為史上大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

相較于歐美以及日韓等發(fā)達(dá)國家，該標(biāo)準(zhǔn)不僅限值更低，而且基準(zhǔn)含氧量更是僅有發(fā)達(dá)國家的50%左右。實(shí)際氧情況下，我國的磚瓦窯爐排放限值僅為歐美發(fā)達(dá)國家的15-25%，史上最嚴(yán)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)名不虛傳。

該標(biāo)準(zhǔn)的排放限制折算成含氧量18%的條件后，分別為7.1mg/m3、71.4mg/m3、47.6mg/m3，這與電廠的超低排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)非常接近。因此，簡單的煙氣處理工藝很難滿足磚廠的需求，必須要配備完善的脫硫除塵系統(tǒng)。

3煙氣脫硫工藝

3.1干法煙氣脫硫

干法煙氣脫硫工藝是指利用固態(tài)吸收劑去除煙氣中二氧化硫等酸性氣體，脫硫反應(yīng)和產(chǎn)物處理均在干燥狀態(tài)下進(jìn)行的工藝。干法脫硫工藝一般具有投資少、占地面積小、過程無白煙、無污水等優(yōu)點(diǎn)。近年來，迫于煙氣消白的壓力，越來越多的企業(yè)優(yōu)先選擇干法脫硫工藝。其中SDS干法脫硫工藝和觸媒陶瓷管脫硫除塵脫硝一體化技術(shù)因其超過90%的脫硫效率受到廣泛關(guān)注。

SDS干法脫硫工藝以碳酸氫鈉為脫硫劑，脫硫劑在150-250℃的高溫?zé)煔庾饔孟路纸獬龈弑缺砻娣e的活性Na2CO3，與煙道內(nèi)煙氣中的SO2充分接觸發(fā)生反應(yīng)，脫硫后的顆粒產(chǎn)物隨煙氣進(jìn)入袋式除塵器進(jìn)行除塵凈化。該工藝脫硫效率高、除塵效率好，但是對(duì)煙氣溫度要求高，無法應(yīng)用于磚瓦行業(yè)。而觸媒陶瓷管脫硫除塵脫硝一體化技術(shù)需要更高的反應(yīng)溫度，同樣無法應(yīng)用。爐內(nèi)噴鈣法、荷電干式噴射脫硫法等傳統(tǒng)的干法脫硫技術(shù)，由于脫硫效率較低，同樣不適合磚瓦行業(yè)。

3.2濕法脫硫

濕法煙氣脫硫工藝是指使用液態(tài)吸收劑去除煙氣中二氧化硫等酸性氣體，脫硫反應(yīng)和產(chǎn)物處理均在濕狀態(tài)進(jìn)行的工藝，主要有鈉堿法、雙堿法、以及石灰石-石膏濕法等，具有反應(yīng)速度快、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.1鈉堿法

鈉堿法以氫氧化鈉直接作為脫硫劑，氫氧化鈉溶液通過噴淋霧化與煙氣中的酸性氣體充分接觸反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫硫脫酸。堿法脫硫速度快、效率高，具有脫硫設(shè)備少、占地面積小，漿液不結(jié)垢等特點(diǎn)。但由于氫氧化鈉耗量大，價(jià)格昂貴，鈉堿法僅適用于低煙氣量、人工控制脫硫?yàn)橹鞯那闆r下，無法應(yīng)對(duì)磚廠的煙氣量。

3.2.2雙堿法

在鈉堿法的基礎(chǔ)上，利用石灰石或熟石灰與Na2SO3的反應(yīng)將NaOH還原再生，即雙堿法。雙堿法運(yùn)行過程中，氫氧化鈉循環(huán)使用，實(shí)際消耗的是鈣堿，大大降低了脫硫劑的成本。雙堿法的脫硫效率高，成本相對(duì)較低。但是反應(yīng)過程中，副產(chǎn)物硫酸鈉較難再生，依然需要向系統(tǒng)中不斷補(bǔ)充鈉堿[5]。

由于石膏和硫酸鈉的累積，漿液循環(huán)池需定期外排漿液，雙堿法系統(tǒng)一般不配備排膏系統(tǒng)，需進(jìn)行人工處理，影響脫硫系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。雙堿法脫硫系統(tǒng)的自動(dòng)化程度低，人工補(bǔ)充氫氧化鈉和熟石灰，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，設(shè)備管道易堵塞，脫硫效果波動(dòng)大，不能滿足在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的要求。雙堿法對(duì)企業(yè)管理和工人專業(yè)能力要求高，一般磚瓦企業(yè)難以滿足。

3.2.3石灰石-石膏濕法

石灰石-石膏濕法脫硫工藝是目前應(yīng)用最廣泛的脫硫工藝，占全世界已建固定污染源脫硫系統(tǒng)的90%以上。在目前煤炭資源消費(fèi)及排放標(biāo)準(zhǔn)的形式下，石灰石-石膏濕法脫硫工藝依舊是最具有市場的脫硫工藝[6]。

石灰石漿液通過循環(huán)泵從吸收塔塔釜送至塔內(nèi)噴淋系統(tǒng)，霧化逆流與煙氣接觸，脫除煙氣中的SO2，通過向塔釜漿液中鼓入空氣將亞硫酸鈣氧化成硫酸鈣。

石灰石-石膏濕法脫硫過程中化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在SO2和石灰石之間，脫硫產(chǎn)物為CaSO4和CO2：

CaCO3+SO2+1/2O2→CaSO4+CO2

該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，人工操作難度低，能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行達(dá)標(biāo)，時(shí)間可利用率高達(dá)95%以上，符合當(dāng)下在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的要求。石灰石-石膏濕法主要的問題是脫硫石膏較難妥善處理。

崔林研究證明，煤矸石磚原料中加入1.2%的脫硫石膏，所得燒結(jié)磚各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)[7]。在煤矸石燒結(jié)磚生產(chǎn)窯爐脫硫工藝中，將脫硫石膏作為制磚原料，可完成副產(chǎn)物的自我消化，實(shí)現(xiàn)零外排。因此，石灰石-石膏濕法脫硫工藝較適合煤矸石燒結(jié)磚窯煙氣的脫硫處理。

4煙氣除塵工藝

煤矸石燒結(jié)磚窯煙氣中的含塵量不高，經(jīng)過濕法脫硫，粉塵基本被截留在脫硫漿液中。但是煙氣仍夾雜著以水分中的粉塵及硫酸鹽為主的二次顆粒物。因此，煤矸石燒結(jié)磚窯煙氣的除塵工藝需設(shè)置在脫硫塔后。常見的除塵工藝主要有機(jī)械除塵器、袋式除塵器以及電除塵器。

機(jī)械除塵器是通過機(jī)械力進(jìn)行除塵的，對(duì)大顆粒粉塵具有較好的捕捉性能，對(duì)細(xì)小粉塵的捕捉能力不強(qiáng)，除塵效率不高。

袋式除塵器利用多孔濾料去除粉塵，除塵效率非常高，適合去除細(xì)小粉塵。但是對(duì)煙氣中的水分較為敏感，磚廠高濕度煙氣會(huì)導(dǎo)致濾料上粉塵板結(jié)，影響除塵效率。

靜電除塵器通過高壓電暈使煙氣中的顆粒物荷電，利用電場力將顆粒物吸附在陽極板上，實(shí)現(xiàn)煙氣除塵。除塵效率可達(dá)99%以上，阻力小，煙氣適應(yīng)性強(qiáng)。其中，濕電除塵器能夠適應(yīng)高濕度煙氣，能夠去除水滴、氣溶膠等細(xì)微顆粒。

綜上所述，相比機(jī)械除塵器和袋式除塵器，濕式靜電除塵器更適合濕法脫硫塔出口這種濕度大、顆粒細(xì)小的煙氣。

5總結(jié)與展望

煤矸石燒結(jié)磚窯的生產(chǎn)，對(duì)處理煤矸石具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，建設(shè)可靠的煙氣處理系統(tǒng)保證其正常運(yùn)行，具有深遠(yuǎn)的意義。

根據(jù)《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，一般煤矸石磚窯的煙氣中氮氧化物已達(dá)標(biāo)，無需處理。而脫硫和除塵效率則需達(dá)到85%左右，甚至更高。

石灰石-石膏濕法工藝脫硫效率高、脫硫副產(chǎn)物可內(nèi)部消化、系統(tǒng)自動(dòng)化水平高、人工操作難度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性高以及時(shí)間可利用率高。相比干法脫硫、鈉堿法及雙堿法，更適合當(dāng)下煤矸石磚廠煙氣在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的需求。

鑒于磚廠煙氣除塵效率要求比較高，煙氣處理系統(tǒng)除設(shè)置必要的脫硫系統(tǒng)外，適合的除塵系統(tǒng)也必不可少。針對(duì)濕法脫硫系統(tǒng)出口的煙氣溫度較低、濕度大的特點(diǎn)，濕電除塵工藝較適合煤矸石磚廠。因此，石灰石-石膏濕法脫硫工藝聯(lián)合濕電除塵工藝是較為適合煤矸石燒結(jié)磚廠的煙氣處理工藝。

煤矸石燒結(jié)磚窯煙氣中污染物含量都比較低，但是因其氧含量過高，導(dǎo)致需要非常高的脫除效率。因此，煤矸石磚廠處理煙氣的首要重點(diǎn)應(yīng)是加強(qiáng)管理，減少漏風(fēng)，降低煙氣中氧含量，必要時(shí)可以改進(jìn)制磚工藝。

參考文獻(xiàn)

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