鄭州市水泥行業(yè)廢氣治理技術(shù)提升探索

朱 艷 張雪華

1.河南省鄭州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心；2.鄭州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所

1 引言

鄭州市地處華北平原南部、黃河中下游，居河南省中部偏北，西靠嵩山北臨黃河，地形以平原為主，西部山區(qū)擁有較豐富的石灰石礦山資源，水泥企業(yè)數(shù)量較多，廢氣污染物排放量大，水泥行業(yè)廢氣成為制約區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量改善的原因之一。

2 水泥行業(yè)主要生產(chǎn)工藝和設(shè)備設(shè)施

水泥行業(yè)生產(chǎn)通常分為生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨3個(gè)階段，生料制備階段主要是使用礦山開采出的石灰石原料、黏土質(zhì)原料與少量校正原料經(jīng)破碎后，按一定比例配合、磨細(xì)并調(diào)配為成分合適、質(zhì)量均勻的水泥生料；生料經(jīng)預(yù)熱器和預(yù)分解系統(tǒng)預(yù)熱∕分解后，在水泥窯內(nèi)煅燒至部分熔融得到以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料，稱為熟料煅燒階段。水泥粉磨是在熟料中加入適量石膏、混合材料或外加劑共同磨細(xì)成為水泥成品，經(jīng)檢驗(yàn)合格，包裝或散裝出廠。

熟料煅燒階段排放廢氣污染物量最大，二氧化硫、氮氧化物等氣態(tài)污染物和大部分有組織顆粒物在此階段排放。熟料煅燒有兩種窯型設(shè)備：一種是以回轉(zhuǎn)窯為主要生產(chǎn)設(shè)備，包括新型干法窯、預(yù)熱器窯、濕法回轉(zhuǎn)窯等；另一種是以立式窯為主要生產(chǎn)設(shè)備，包括普通立窯和機(jī)械化立窯。

新型干法回轉(zhuǎn)窯窯型是目前水泥生產(chǎn)的先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，其核心是水泥熟料煅燒的窯外預(yù)分解技術(shù)，與在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成預(yù)熱、分解、燒結(jié)多個(gè)過程的傳統(tǒng)工藝相比，它將熟料煅燒過程變成兩段操作：即在預(yù)熱器和分解爐內(nèi)完成生料預(yù)熱和石灰石分解（CaCO3→CaO＋CO2，900℃）；在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫條件下（1400℃～1500℃）完成熟料燒成。該窯型設(shè)備能夠提高回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)效率和生產(chǎn)能力，降低能源消耗和污染物排放。

3 鄭州市水泥行業(yè)分布及發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)河南省水泥行業(yè)統(tǒng)計(jì)信息，2017 年度鄭州市水泥熟料企業(yè)20家，主要分布在登封市、滎陽(yáng)市、新密市和鞏義市等市域西部及西南部，全市水泥熟料設(shè)計(jì)產(chǎn)量為4.7萬(wàn)噸∕日，占全省總產(chǎn)量的13%[1]。近年來(lái)，鄭州市水泥行業(yè)技術(shù)和裝備水平不斷提高，普及新型干法回轉(zhuǎn)窯窯型及余熱發(fā)電設(shè)施，具有一定的區(qū)位、規(guī)模、成本優(yōu)勢(shì)，行業(yè)整體盈利能力有所改善，但由于水泥行業(yè)存在產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、高耗能、高排放、大運(yùn)輸量和依賴礦山資源等特點(diǎn)，使水泥行業(yè)面臨結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩和環(huán)境約束加緊等問題。

4 鄭州市水泥行業(yè)廢氣污染物排放和治理技術(shù)情況

根據(jù)鄭州市環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018 年鄭州市水泥行業(yè)煤炭消耗量約102 萬(wàn)噸，燃料煤平均含硫量為0.41%，水泥熟料年產(chǎn)量約為963 萬(wàn)噸，水泥行業(yè)全工段廢氣排放總量為243 億立方米，其中二氧化硫廢氣污染物排放量為0.033萬(wàn)噸、氮氧化物廢氣污染物排放量為0.225萬(wàn)噸、顆粒物污染物排放量為0.388萬(wàn)噸，廢氣污染物排放合計(jì)總量（指二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放量之和）為0.646萬(wàn)噸，約占全市廢氣污染物排放總量的16%，為廢氣污染物排放量排名第二位的行業(yè)[2]。

鄭州市水泥行業(yè)4000噸-熟料∕日及以上規(guī)模新型干法熟料水泥生產(chǎn)線窯尾廢氣主要治理工藝為：爐內(nèi)脫硫法、低氮燃燒+SNCR 聯(lián)合脫硝法和袋式除塵器，處理后廢氣中顆粒物、二氧化硫和氮氧化物平均排放濃度分別為 8mg∕m3～13mg∕m3、14mg∕m3～24mg∕m3和 105mg∕m3～148mg∕m3；其他規(guī)模較小的特種水泥生產(chǎn)線窯尾廢氣脫硫治理工藝主要為：雙堿法或石灰石石膏脫硫，脫硝治理工藝主要為：低氮燃燒+SNCR聯(lián)合脫硝法、SCR+SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)和選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）等，除塵治理工藝主要為：電袋除塵法和袋式除塵器，處理后廢氣中顆粒物、二氧化硫和氮氧化物平均排放濃度分別為10mg∕m3～12mg∕m3、14mg∕m3～28mg∕m3和103mg∕m3～170mg∕m3，各污染物排放濃度均滿足《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915—2013）標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

5 水泥行業(yè)廢氣標(biāo)準(zhǔn)限值及治理技術(shù)提升探索

國(guó)家現(xiàn)行水泥行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)為《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915—2013），主要污染工序水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)大氣污染物排放限值為顆粒物和二氧化硫、氮氧化物的排放濃度30mg∕m3、200mg∕m3和400mg∕m3，其中鄭州市屬于重點(diǎn)地區(qū)，執(zhí)行大氣污染物特別排放限值，排放濃度加嚴(yán)至20mg∕m3、100mg∕m3和320mg∕m3[3]。河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41∕1953—2020）要求主要污染工序水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)的顆粒物和二氧化硫、氮氧化物大氣污染物排放限值加嚴(yán)至 10mg∕m3、35mg∕m3和100mg∕m3[4]，水泥行業(yè)廢氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值及執(zhí)行時(shí)間詳見表1。

表1 水泥行業(yè)廢氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值及執(zhí)行時(shí)間（mg∕m3）

對(duì)照2018年水泥行業(yè)現(xiàn)有廢氣污染物排放統(tǒng)計(jì)信息，鄭州市水泥行業(yè)需要采取煙氣“超低排放”等更加先進(jìn)的廢氣污染治理工藝及設(shè)施。煙氣“超低排放”原指火電廠燃煤鍋爐采用的多污染物高效協(xié)同處理集成技術(shù)，使燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10mg∕m3、35mg∕m3、50mg∕m3）[5]。目前，“超低排放”廢氣治理技術(shù)已在鋼鐵、水泥、碳素等行業(yè)廢氣治理提標(biāo)中試用。

鄭州市水泥企業(yè)顆粒物廢氣治理現(xiàn)狀廣泛使用布袋、電袋復(fù)合等高效除塵器，可以通過更換耐高溫覆膜濾袋措施對(duì)廢氣袋式收塵器進(jìn)行升級(jí)改造，能夠使水泥行業(yè)顆粒物排放濃度實(shí)現(xiàn)超低排放。水泥窯是堿性環(huán)境，二氧化硫排放濃度一般較低，若二氧化硫排放濃度較高時(shí)可以通過增建脫硫設(shè)施，優(yōu)化脫硫劑噴射控制系統(tǒng)，能夠使水泥行業(yè)二氧化硫廢氣排放濃度達(dá)到超低排放限值要求。

水泥行業(yè)氮氧化物達(dá)標(biāo)是治理技術(shù)提升的關(guān)鍵難點(diǎn)，氮氧化物（NOx）是指氮的氧化物總稱，主要包括NO、NO2、N2O、N2O3等，氮氧化物是形成酸雨的原因之一，它還能與揮發(fā)性有機(jī)物形成光化學(xué)煙霧，屬于PM2.5的前提物。水泥行業(yè)煙氣中的氮氧化物主要為NO和少量的NO2，在回轉(zhuǎn)窯和預(yù)熱分解爐等生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)產(chǎn)生，其中回轉(zhuǎn)窯溫度在1400℃～1500℃，主要產(chǎn)生熱力型氮氧化物（為空氣中的N2在高溫下氧化而產(chǎn)生的NOx，其生成量與燃燒溫度、氧氣濃度、高溫區(qū)停留時(shí)間等有關(guān)）和燃料型氮氧化物（為燃料中的氮化合物在燃燒過程中熱分解、氧化而生成），預(yù)熱分解爐溫度在900℃左右，主要產(chǎn)生燃料型氮氧化物。氮氧化物廢氣治理提升可以采用優(yōu)化控制選擇性非催化還原系統(tǒng)（SNCR）噴氨量，改造預(yù)熱分解爐分級(jí)燃燒、燃燒器的燃燒溫度和反應(yīng)區(qū)間等低氮燃燒措施。低氮燃燒屬于源頭控制技術(shù)，包括低氮燃燒器和預(yù)熱分解爐分級(jí)燃燒。低氮燃燒器是通過增加燃燒器風(fēng)道，降低一次空氣比例，使燃料煤粉分級(jí)燃燒；預(yù)熱分解爐分級(jí)燃燒是利用助燃風(fēng)分級(jí)或燃料分級(jí)加入，形成的貧氧氣氛或富燃料區(qū)域，產(chǎn)生CO、CH4等還原性氣體，這些還原性氣體會(huì)與爐窯內(nèi)的氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，將氮氧化物還原成N2，從而實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)生產(chǎn)過程中的氮氧化物的減排。優(yōu)化低氮燃燒控制措施時(shí)，應(yīng)根據(jù)所使用的燃料類型，結(jié)合生料中的硫、堿含量等，在窯尾、預(yù)熱分解爐錐體等部位加裝便于調(diào)整的燃燒器，避免產(chǎn)生局部高溫區(qū)，使煤粉在貧氧區(qū)生成CO等還原性氣體；同時(shí)，還可對(duì)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的煅燒過程進(jìn)行精細(xì)化控制，調(diào)整利于降低NOx的火焰性狀和適宜的煅燒溫度，在不影響熟料質(zhì)量的前提下，盡量降低過剩空氣系數(shù)，確保原燃料喂料量準(zhǔn)確均勻穩(wěn)定，精細(xì)操作、適當(dāng)調(diào)整窯系統(tǒng)的各項(xiàng)操作參數(shù)；從而最大限度地降低氮氧化物的產(chǎn)生，達(dá)到低氮燃燒效果。鄭州市某水泥企業(yè)煙氣超低排放改造內(nèi)容及效果見表2。

表2 鄭州市某水泥企業(yè)煙氣超低排放改造內(nèi)容及效果情況（mg∕m3）

水泥行業(yè)還應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存環(huán)節(jié)無(wú)組織排放顆粒物的管控，各種水泥原料、燃料要入庫(kù)入棚，可以采用全封閉機(jī)械化料場(chǎng)、筒倉(cāng)、圓庫(kù)等物料儲(chǔ)存方式，各產(chǎn)塵點(diǎn)應(yīng)按照“應(yīng)收盡收”原則配置廢氣收集設(shè)施，使收集治理設(shè)施與生產(chǎn)工藝設(shè)備同步運(yùn)轉(zhuǎn)。通過以上污染治理技術(shù)提升改造措施，鄭州市現(xiàn)有水泥企業(yè)廢氣污染物能夠?qū)崿F(xiàn)“超低排放”，可以滿足水泥行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)排放限值要求。

6 研究結(jié)論及建議

（1）2018年度鄭州市水泥行業(yè)廢氣治理技術(shù)及水平較高，各項(xiàng)廢氣污染物排放濃度滿足該年度國(guó)家和地方標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）隨著環(huán)境管理要求的不斷深入，建議水泥行業(yè)進(jìn)一步從源頭控制污染物產(chǎn)生量，優(yōu)化低氮燃燒等“超低排放”技術(shù)，提升改造廢氣治理水平。