水泥窯爐煙氣脫硝及袋除塵一體化技術研究與優化

北極星大氣網訊:摘要：隨著國家環保要求的提高和標準的進一步嚴格,單獨針對水泥煙氣脫硝技術或除塵工藝已無法滿足現階段水泥環保領域發展的要求.文章闡述了一種針對水泥窯爐煙氣中氮氧化物和粉塵的脫硝除塵一體化治理技術,通過前端SNCR工藝脫硝和後端模塊化分室結構除塵的組合,實現兩種汙染物的治理,不僅降低了企業環保的成本投入,也填補了水泥窯爐煙氣汙染物一體化治理的技術空白。

水泥是國民經濟建設的重要基礎原材料，目前國內外尚無一種材料可以替代它的地位。隨著我國經濟的高速發展，作為國民經濟的重要基礎產業，水泥工業已經成為國民經濟社會發展水平和綜合實力的重要標誌。目前，我國擁有水泥企業5000多家，水泥產量連續多年位居世界首位，水泥總產量更是達到18.7億噸。

與此同時，水泥工業氮氧化物的排放總量逐年上升，已是居火電工業、汽車尾氣排放之後的第三大氮氧化物排放大戶。就水泥工業而言，在大氣汙染方面的汙染物除了水泥窯爐煙氣中的氮氧化物之外，還包括粉塵汙染，其粉塵排放量佔全國工業行業粉塵排放總量的40%左右。因此，對水泥窯爐煙氣進行脫硝除塵一體化的綜合治理，降低水泥工業氮氧化物和粉塵的排放，緩解由此引發的一系列環境問題，已經成為亟待解決的環保任務。

1國內水泥行業窯爐煙氣脫硝除塵現狀

目前，我國的水泥工業生產線中，以新型幹法水泥的比例最高，高達80%。迴轉窯（即水泥窯爐）則是新型幹法水泥生產線的關鍵技術裝備，同樣也是水泥行業氮氧化物和粉塵的主要排放源之一。以江山虎球水泥有限公司4500t/d水泥熟料幹法生產線為例，結合現場檢測數據，其水泥窯爐煙氣中的汙染物含量及排放標準如表1所示。

雖然國家對水泥行業的環保問題日益重視，水泥生產中的氮氧化物和粉塵排放總量逐年降低，但汙染問題仍很嚴重。在這樣的情況下，如何用脫硝除塵一體化技術解決水泥窯爐煙氣中的氮氧化物和粉塵排放的問題，不僅關係到我國環保政策的落實和實施，更影響了企業對於環保設備的成本投人，是整個水泥行業煙氣治理領域和環保設備研究領域亟待解決的關鍵技術[]。

2脫硝除塵一體化技術工藝流程

衡量脫硝工藝裝備性能優劣的三個重要指標分別為脫硝效率、氨逃逸率、對工況系統的影響率;衡量除塵工藝裝備性能優劣的三個重要指標分別為出口煙塵濃度、煙塵排放量、除塵效率[4]。因此，針對上述脫硝和除塵的重要指標，工藝流程如下：

含塵和含氮氧化物（N0X)的廢氣進人混合氣進風通道，與還原劑噴槍噴出的還原劑進行初步混合形成混合氣，還原劑的流量通過脫硝模塊中給料分配系統控制，並通過噴射與檢測系統實現還原反應。煙氣前端的N〇x濃度、煙氣溫度等參數信號由工藝管理與控制系統負責檢測和控制。

在完成脫硝環節後，進人除塵工序。含塵氣體進人分室中間風道，由氣流分配機構將氣流均勻地分配給各個過濾室。含塵氣體在進人過濾室時，由擋板的折擋使較大的塵粒在慣性力和重力的作用下直接落人灰鬥中，其他塵粒隨氣流上升進人各過濾室濾袋，經過濾袋過濾後，塵粒被阻流在濾袋外側，淨化後的氣體由濾袋內部進人淨氣室箱體，由出風口排入大氣。

3脫硝除塵一體化技術實施方案

3.1SNCR煙氣脫硝技術方案

水泥窯爐選擇性非催化還原（SNCR)煙氣脫硝系統的工藝流程如圖1所示。

水泥窯爐SNCR煙氣脫硝系統主要由四個系統組成:氨水溶液循環系統，給料分配系統，噴射與監測系統，以及工藝管理和控制系統。

(1)氨水溶液循環系統

本脫硝方案使用的還原劑為質量分數25%濃度以下的氨水溶液，儲存在立式的雙層304不鎊鋼氨水儲罐中。當氨水儲罐內層存在洩漏現象時，氨水會進人到儲罐夾層當中，預先安裝在夾層中的液

位開關或氨洩漏報警裝置會發出報警信號。在儲罐附近設有2個氨水泵模塊，一個用來從槽車向儲罐加注氨水（PMF)，該模塊同時還可以用於緊急排水或為罐體維修時作排液準備。另一個用來輸送氨水溶液到後續系統（PMR)。在卸氨泵站中，同時設置了氨氣回流裝置，以便於在氨水卸載過程中產生的氨氣得以返回到槽車中去，減少環境汙染並保持良好的操作環境。

(2)給料分配系統

該系統是用來測量和控制正常運行時需要的氨水量的組件，被裝配在給料分配模塊中，這些模塊配有一個控制閥和一個流量變送器，用來自動控制到噴槍的氨水溶液總流量。另外，給料分配系統還包括手動閥門、氣動控制閥門以及玻璃浮子流量計。可以方便靈活地控制每根噴槍的實際流量，以便於獲得更加均勻的流場分布。在分配櫃中還設置有壓力開關、氨洩漏報警等自動化控制儀表，可以實時監控整個分配櫃的運行狀態，保障系統安全運行。由於水泥廠使用氨水作為還原劑時可以去掉稀釋水，在小規模系統中，還原劑通過給料分配系統進行分配;在較大系統中，通過控制測量模塊結合噴射模塊分配還原劑。

()噴射與監測系統

該系統的功能是實現還原劑與煙氣均勻、充分的混合，以及實時監測還原劑與煙氣中N0X的反應情況。考慮到噴槍噴嘴的霧化效果對系統脫硝效率的影響，採用機械霧化或空氣霧化以提高噴槍的霧化效。同時噴頭的介質霧化角度大於130°以擴大還原劑噴出時與煙氣的接觸面積，提高反應率。根據上述情況，進行噴槍的專門設計，可以產生單一或多重噴霧、無角度或帶角度以及扇形噴霧。噴槍外部設計有材質為耐熱的不鏽鋼為材料的護套，以應對惡劣的使用環境。對於規模較大的系統，用於控制和監測噴槍的設備可以組裝在單獨的噴射模塊內。小系統則會與給料分配系統結合在一起。

()工藝管理和控制系統

工藝管理和控制系統包含三個功能模塊:安裝在儲罐區域的分布式計算機控制模塊，安裝在給料分配系統中的工藝控制模塊，以及安裝在泵模塊中的泵體運行控制模塊。其中，工藝控制模塊和泵體運行控制模塊以分布式計算機控制模塊為基礎，屬於其附屬控制系統。分布式計算機控制模塊接收來自爐窯和其附屬控制櫃的二進位信號和模擬信號，通過換算，為還原反應提供設定值，且和子控制櫃以及中控室進行交互控制。同時，分布式計算機控制模塊可實現全廠控制系統的通信，接收全廠或者水泥生產線上其他信號，並實時控制工藝參數。除此之外，分布式計算機控制模塊還可實現氨水輸送模塊和給料輸送系統的調節和處理功能，並實時記錄整條生產線運行過程中的工藝參數變化，生成變化曲線。

3.2水泥窯尾煙氣除塵技術方案

水泥窯尾煙氣除塵器主要由過濾系統、清灰系統、PLC清灰程序系統、箱體和灰鬥構成。考慮到除塵器高溫的運行工況，在其結構設計上採取鋼材受熱膨脹伸縮措施，以防止由於焊縫拉裂造成的除塵器漏風、串風等問題。

除塵器採用分室結構，每一個過濾單元相對應設有一個除塵袋室、潔淨室、灰鬥、進風口和氣流分布裝置。同時，不同分室之間模塊化組合，濾袋下部有較大的空間，使含塵氣體在到達濾袋前得到沉降，減輕對濾袋的負擔，延長濾袋使用壽命。

考慮到前端脫硝工序出口處的風量仍舊較大，需將風量均分於各分室。為使各室氣流分配較為均勻，在進風道的設計中採用氣流均化裝置。同時，濾袋骨架的縱筋數量根據濾料要求先選擇12、16、24根縱筋優質鋼絲製作，多點焊接自動生產線生產，既保證了濾袋骨架強度，又防止了焊接毛刺對濾袋的影響，減少了與濾袋的摩擦，並採用了鍍鋅防護措施，延長了濾袋骨架的使用壽命。

(1)水泥窯尾煙氣除塵分室結構

水泥窯尾煙氣除塵器由32個過濾單元組成，當含塵氣體由進風管道進入除塵器中間風道時，氣流分布系統將含塵氣體均勻地分配給32個過濾單元。隨著過濾時間的不斷延長，濾袋外側附積的粉塵不斷增加，從而導致袋除塵器本身的阻力也逐漸升高。當阻力達到預先的設定值（100~1500Pa)時，PLC清灰控制系統發出信號，首先命令一個噴吹單元的提升閥關閉以切斷該室的過濾氣流，接著給出指令打開電磁脈衝閥，壓縮空氣以極短的時間0.1-0.2S，通過噴吹管和特製的噴嘴向濾袋噴入，由於壓縮空氣的誘導把淨氣室中大量的淨空氣吸入濾袋，濾袋面自上而下順序開始膨脹，並迅速達到極限位置，此時又在濾袋張力的作用下產生反向加速度，這樣濾袋產生了高頻振動變形，使濾袋外側所吸附的塵餅變形脫落。在粉塵沉降一定時間後，提升閥打開，此噴吹單元再次處於過濾狀態，如此周而復始地清灰^停止^過濾，使收塵器阻力始終處於一定值範圍內，實現長期連續運行。

(2)煙氣防漏風、串風結構

目前窯尾大型布袋除塵器，因其內部處理的氣體溫度較高，一般都在200~260°C左右，如除塵器停用檢修時，除塵器處於常溫狀態，溫差達到150°C左右，在使用一段時間後，由於溫度的變化，導致鋼結構變形，使除塵器焊接薄弱部位以及應力集中部位產生裂縫，導致除塵器漏風、串風。由於熱脹冷縮而使風道斜板產生拱曲或焊縫斷裂，風道氣流紊亂或含塵氣體外漏，導致排放超標。因此，在立柱與水泥基礎之間採用萬向滑動支座和風道斜板採用V形折邊板構造，如圖2、圖3。

除塵器立柱、橫梁全部採用矩形方管，箱體側板採用折彎焊接，風道斜板採用V形折邊板構造形成軟連接，以吸收鋼材變形應力，在焊縫薄弱部位增加節點板以加強其承載能力。

4結論

水泥窯爐不僅是新型幹法水泥生產線的核心裝備，也是現階段水泥行業汙染物排放的主要源頭之一。在種類眾多的汙染物中，以氮氧化物和粉塵汙染最為突出。因此，國家相關部門針對水泥行業汙染物排放，制定了《水泥工業大氣汙染物排放標準》（GB4915-2013)等一系列標準，規定N0X的排放限值為400mg/Nm3,粉塵的排放濃

度應矣30mg/Nm3。

現階段水泥行業的水泥窯爐煙氣排放的治理主要集中在氮氧化物排放濃度上，大多數未將粉塵排放作為治理對象。隨著國家政策的收緊，水泥行業的汙染物排放標準將進一步降低，而對水泥窯爐中不同汙染物的排放檢測也將趨於嚴格。因此，脫硝除塵一體化技術不僅可以在一套工藝流程中解決兩種汙染物的減排任務，也能在環保裝備上為企業降低投人成本，是水泥窯爐煙氣排放治理的大趨勢。

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水泥企業SNCR脫硝技術的運用及成本分析

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