水泥窑烟气多种污染物的治理技术研究

吕 刚 向 轶 冷 健 吕文豪

（1.西安航天动力研究所， 陕西 西安 710100；2.西安航天源动力工程有限公司， 陕西 西安 710100）

0 前言

水泥窑在运行过程中会产生大量的烟气污染物，进入大气后会对自然环境和人体健康造成危害，随着近年来政府对生态环境保护的越加重视，火电、化工、钢铁等行业均出台了大气污染物超低排放标准，将颗粒物、SO2、NOx排放量控制在10/35/50 mg/m3，对各大企业的烟气治理提出了更高的要求。而GB4915-2013中水泥窑的排放限值仍然停留在20/100/320 mg/m3的水平，距离超低排放标准仍有很大的提升空间，这也将是水泥行业环保政策的发展趋势。2018 年以来，各省市密集出台了与烟气消白相关的地方标准，各地对消除湿法脱硫后白烟的要求也已逐渐由定性转变为定量，并在各个行业推广开来。

因此对于水泥窑烟气的治理，应从过去单一污染物脱除的思路，转变为多污染物的协同治理路线，以应对逐渐收紧的环保政策，保证水泥生产企业的可持续发展。

1 水泥窑烟气多种污染物治理技术

1.1 除尘技术

水泥窑烟气含尘量高，可达到80～100g/m3，含有大量的CaO，且水泥窑头和窑尾的烟气性质也有所不同，是水泥窑污染物治理的难点。现阶段主流除尘技术为电除尘、布袋除尘、旋风除尘和水洗除尘等，其中布袋除尘效率较高，处理后的粉尘浓度可降至10mg/m3以下，但布袋也存在着火、糊袋等风险。

为保证除尘效率和运行稳定，除了设置多种除尘器联合运行，还可以对现有设备进行改良，例如选用高效的滤袋、改进电除尘器结构等。也有越来越多的企业将新技术应用到生产中，如电袋复合除尘器、高温静电除尘器、预荷电技术、多孔陶瓷材料等。

以上技术均是针对水泥行业粉尘的有组织排放行为，除此之外，水泥生产过程中还存在大量的无组织排放粉尘，主要是堆场和道路扬尘。为减少粉尘的无组织排放，可采用增加冲洗装置、提高清扫频率、露天堆场封闭等措施，均有良好的效果[1]。

1.2 脱硫技术

由于石灰石本身的固硫作用，水泥窑烟气中的SO2含量一直处于较低水平，但随着原料价格上涨以及优质石灰石存量的减少，水泥生产中开始大量用到低品质的石灰石，造成窑尾烟气中的SO2排放超标。随着超低排放标准的到来，仅靠传统的运行模式难以满足超低排放需求，加装烟气脱硫系统很有必要。

目前的主要脱硫技术有湿法、干法、半干法等，其中湿法脱硫在整个环保市场上占比90%，技术成熟、脱硫效率高、运行稳定，针对水泥行业的特点，石灰石膏法是最佳工艺。湿法脱硫设备通常布置在除尘器后部，烟气进入脱硫塔后与石灰浆接触反应，生成副产物含水石膏[2]。石膏能作为生产水泥的原料，具有良好的利用价值。

半干法脱硫也是一种有效的脱硫工艺，分为循环流化床法（CFB）和旋转喷雾干燥法（SDA），优势是不产生废水、对设备磨损小，但脱硫效率略低于湿法。半干法脱硫的副产物为不含水的脱硫灰CaSO3，经氧化后可作为水泥缓凝剂，提高水泥的抗压强度，同样具有较好的经济性。

1.3 脱硝技术

类似于燃煤锅炉，水泥窑烟气中的氮氧化物有80%以上是燃料型NOx，主要来源于挥发分和焦炭中的N 元素，水泥行业NOx排放量占全国工业排放总量的15%，位居排放大户之列。现阶段的水泥行业多采用分级燃烧、低氮燃烧、SNCR脱硝等手段控制NOx排放，在现标准下能做到长时间的达标运行。

根据以往的运行经验，采用“低氮燃烧+SNCR 脱硝”的路线可以将NOx排放量稳定控制在100 mg/m3以内，但与50 mg/m3的超低排放标准仍有一定距离，因此需要加装SCR 脱硝系统，进一步提高脱硝能力。根据催化剂温度区间的不同，可分为低/中/高温催化剂，现阶段脱硝效果较好、运行较稳定的是高温催化剂，也决定了SCR 系统需布置在280～400℃的温度区间内。在进行SCR 脱硝改造时，也应基于业主企业的实际情况，综合考虑脱硝效果、催化剂寿命、对系统热效率影响、场地限制等多重因素，制定最优方案。

与燃煤电厂、煤化工等行业不同，水泥窑烟气的高含尘量会导致SCR 催化剂的中毒、堵塞和冲刷，降低脱硝效率，缩短使用寿命[3]。例如水泥窑尾预热器后的温度在300℃上下，适合SCR 催化剂的运行，但此处烟气含尘量很高，为解决此问题，可采用以下措施：①提高清灰频率，改进清灰方式；②选用大孔径催化剂；③开发抗毒耐磨的新型催化剂；④选用性能可靠的中低温催化剂，调整SCR 布置地点。通过多种方式的协同，实现SCR 的长期稳定运行。

1.4 消白技术

湿法脱硫往往会产生白烟现象。白烟的实质是水雾，湿法脱硫后的净烟气基本上处于饱和状态，含湿量≥10%，除了烟气本身携带的水滴，出现白烟更重要的原因是饱和烟气在烟囱口与大气混合降温冷却时变成过饱和状态，大量的水蒸气凝结成了液态水。烟气消白的标准已经在电力、非电、钢铁等行业大规模实施，未来也可能会推广到水泥行业。

烟气消白技术分为加热法、冷凝法、冷凝再热法、溶液吸收法等，综合考虑消白效率、投资成本、施工难度等因素，认为冷凝再热法是目前可行性最高的方案[4]。具体实施方案是：在湿法脱硫塔前布置MGGH 系统的冷却器，降低进入脱硫塔的烟气温度；经塔内洗涤吸收脱硫后，烟气经过相变冷凝器，使水蒸气冷凝脱出，回收冷凝水；经冷凝后的烟气进入MGGH 系统的再热器，利用余热进行再加热，提高排烟温度，加强烟气的扩散能力，防止白烟产生。

冷凝再热法的另一优势在于，烟气中的水蒸气冷凝成液态水时会将Hg 元素一并溶解带出，兼有脱汞的效果，符合水泥窑控制Hg 元素0.05mg/m3排放量的标准要求和发展趋势。因此冷凝再热法烟气消白技术不仅能带来感官上的改善，更能实际上降低各类可溶性大气污染物（Hg、SO3等）的排放。

2 结语

在超低排放标准的要求下，多种污染物协同治理技术是水泥窑烟气治理路线的发展趋势。水泥生产企业在经过新一轮的环保设备升级改造后，应考虑到能同时实现除尘、脱硫、脱硝、消白、脱汞等多重效果；同时提高环保管理水平和运行人员素质，以应对不断升级的环保政策要求，推动企业的健康运转。