水泥窑炉烟气脱硝及袋除尘一体化技术研究与优化

黄鹏程 林 雪 陈长卿 黄东明 洪亚军

(1.金华职业技术学院， 浙江 金华 321000； 2金华环保设备研究所， 浙江 金华 321000；3金华华东环保设备有限公司， 浙江 金华 321000)

水泥窑炉烟气脱硝及袋除尘一体化技术研究与优化

黄鹏程1林 雪2陈长卿2黄东明2洪亚军3

(1.金华职业技术学院， 浙江 金华 321000； 2金华环保设备研究所， 浙江 金华 321000；3金华华东环保设备有限公司， 浙江 金华 321000)

随着国家环保要求的提高和标准的进一步严格，单独针对水泥窑炉烟气脱硝或除尘的工艺已无法满足现阶段水泥环保领域发展的要求。文章阐述了一种针对水泥窑炉烟气中氮氧化物和粉尘的脱硝除尘一体化治理技术，通过前端SNCR工艺脱硝和后端模块化分室结构除尘的组合，实现两种污染物的治理，不仅降低了企业环保的成本投入，也填补了水泥窑炉烟气污染物一体化治理的技术空白。

水泥窑炉；SNCR脱硝；除尘；一体化技术

水泥是国民经济建设的重要基础原材料，目前国内外尚无一种材料可以替代它的地位。随着我国经济的高速发展，作为国民经济的重要基础产业，水泥工业已经成为国民经济社会发展水平和综合实力的重要标志。目前，我国拥有水泥企业5000多家，水泥产量连续多年位居世界首位，水泥总产量更是达到18.7亿吨[1]。

与此同时，水泥工业氮氧化物的排放总量逐年上升，已是居火电工业、汽车尾气排放之后的第三大氮氧化物排放大户。就水泥工业而言，在大气污染方面的污染物除了水泥窑炉烟气中的氮氧化物之外，还包括粉尘污染，其粉尘排放量占全国工业行业粉尘排放总量的40%左右。因此，对水泥窑炉烟气进行脱硝除尘一体化的综合治理，降低水泥工业氮

氧化物和粉尘的排放，缓解由此引发的一系列环境问题，已经成为亟待解决的环保任务。

1 国内水泥行业窑炉脱硝除尘现状

目前，我国的水泥工业生产线中，以新型干法水泥的比例最高，高达80%。回转窑(即水泥窑炉)则是新型干法水泥生产线的关键技术装备，同样也是水泥行业氮氧化物和粉尘的主要排放源之一[2]。以江山虎球水泥有限公司4500t/d水泥熟料干法生产线为例，结合现场检测数据，其水泥窑炉烟气中的污染物含量及排放标准如表1所示。

表1 水泥窑炉烟气污染物含量及国家标准一览表

虽然国家对水泥行业的环保问题日益重视，水泥生产中的氮氧化物和粉尘排放总量逐年降低，但污染问题仍很严重。在这样的情况下，如何用脱硝除尘一体化技术解决水泥窑炉烟气中的氮氧化物和粉尘排放的问题，不仅关系到我国环保政策的落实和实施，更影响了企业对于环保设备的成本投入，是整个水泥行业烟气治理领域和环保设备研究领域亟待解决的关键技术[3]。

2 脱硝除尘一体化技术工艺流程

衡量脱硝工艺装备性能优劣的三个重要指标分别为脱硝效率、氨逃逸率、对工况系统的影响率；衡量除尘工艺装备性能优劣的三个重要指标分别为出口烟尘浓度、烟尘排放量、除尘效率[4]。因此，针对上述脱硝和除尘的重要指标，工艺流程如下：

含尘和含氮氧化物(NOX)的废气进入混合气进风通道，与还原剂喷枪喷出的还原剂进行初步混合形成混合气，还原剂的流量通过脱硝模块中给料分配系统控制，并通过喷射与检测系统实现还原反应。烟气前端的NOX浓度、烟气温度等参数信号由工艺管理与控制系统负责检测和控制。

在完成脱硝环节后，进入除尘工序。含尘气体进入分室中间风道，由气流分配机构将气流均匀地分配给各个过滤室。含尘气体在进入过滤室时，由挡板的折挡使较大的尘粒在惯性力和重力的作用下直接落入灰斗中，其他尘粒随气流上升进入各过滤室滤袋，经过滤袋过滤后，尘粒被阻流在滤袋外侧，净化后的气体由滤袋内部进入净气室箱体，由出风口排入大气。

3 脱硝除尘一体化技术实施方案

3.1 SNCR烟气脱硝技术方案

水泥窑炉选择性非催化还原(SNCR)烟气脱硝系统的工艺流程如图1所示。

水泥窑炉SNCR烟气脱硝系统主要由四个系统组成：氨水溶液循环系统，给料分配系统，喷射与监测系统，以及工艺管理和控制系统。

(1)氨水溶液循环系统

图1 水泥窑炉烟气脱销工艺流程图

本脱硝方案使用的还原剂为质量分数25%浓度以下的氨水溶液，储存在立式的双层304不锈钢氨水储罐中。当氨水储罐内层存在泄漏现象时，氨水会进入到储罐夹层当中，预先安装在夹层中的液位开关或氨泄漏报警装置会发出报警信号。在储罐附近设有2个氨水泵模块，一个用来从槽车向储罐加注氨水(PMF)，该模块同时还可以用于紧急排水或为罐体维修时作排液准备。另一个用来输送氨水溶液到后续系统(PMR)。在卸氨泵站中，同时设置了氨气回流装置，以便于在氨水卸载过程中产生的氨气得以返回到槽车中去，减少环境污染并保持良好的操作环境。

(2)给料分配系统

该系统是用来测量和控制正常运行时需要的氨水量的组件，被装配在给料分配模块中，这些模块配有一个控制阀和一个流量变送器，用来自动控制到喷枪的氨水溶液总流量。另外，给料分配系统还包括手动阀门、气动控制阀门以及玻璃浮子流量计。可以方便灵活地控制每根喷枪的实际流量，以便于获得更加均匀的流场分布。在分配柜中还设置有压力开关、氨泄漏报警等自动化控制仪表，可以实时监控整个分配柜的运行状态，保障系统安全运行。由于水泥厂使用氨水作为还原剂时可以去掉稀释水，在小规模系统中，还原剂通过给料分配系统进行分配；在较大系统中，通过控制测量模块结合喷射模块分配还原剂。

(3)喷射与监测系统

该系统的功能是实现还原剂与烟气均匀、充分的混合，以及实时监测还原剂与烟气中NOX的反应情况。考虑到喷枪喷嘴的雾化效果对系统脱硝效率的影响，采用机械雾化或空气雾化以提高喷枪的雾化效果。同时喷头的介质雾化角度大于130°，以扩大还原剂喷出时与烟气的接触面积，提高反应率。根据上述情况，进行喷枪的专门设计，可以产生单一或多重喷雾、无角度或带角度以及扇形喷雾。喷枪外部设计有材质为耐热的不锈钢为材料的护套，以应对恶劣的使用环境。对于规模较大的系统，用于控制和监测喷枪的设备可以组装在单独的喷射模块内。小系统则会与给料分配系统结合在一起。

(4)工艺管理和控制系统

工艺管理和控制系统包含三个功能模块：安装在储罐区域的分布式计算机控制模块，安装在给料分配系统中的工艺控制模块，以及安装在泵模块中的泵体运行控制模块。其中，工艺控制模块和泵体运行控制模块以分布式计算机控制模块为基础，属于其附属控制系统。分布式计算机控制模块接收来自炉窑和其附属控制柜的二进制信号和模拟信号，通过换算，为还原反应提供设定值，且和子控制柜以及中控室进行交互控制。同时，分布式计算机控制模块可实现全厂控制系统的通信，接收全厂或者水泥生产线上其他信号，并实时控制工艺参数。除此之外，分布式计算机控制模块还可实现氨水输送模块和给料输送系统的调节和处理功能，并实时记录整条生产线运行过程中的工艺参数变化，生成变化曲线。

3.2 水泥窑尾烟气除尘技术方案

水泥窑尾烟气除尘器主要由过滤系统、清灰系统、PLC 清灰程序系统、箱体和灰斗构成。考虑到除尘器高温的运行工况，在其结构设计上采取钢材受热膨胀伸缩措施，以防止由于焊缝拉裂造成的除尘器漏风、串风等问题。

除尘器采用分室结构，每一个过滤单元相对应设有一个除尘袋室、洁净室、灰斗、进风口和气流分布装置。同时，不同分室之间模块化组合，滤袋下部有较大的空间，使含尘气体在到达滤袋前得到沉降，减轻对滤袋的负担，延长滤袋使用寿命。

考虑到前端脱硝工序出口处的风量仍旧较大，需将风量均分于各分室。为使各室气流分配较为均匀，在进风道的设计中采用气流均化装置。同时，滤袋骨架的纵筋数量根据滤料要求先选择 12、16、24 根纵筋优质钢丝制作，多点焊接自动生产线生产，既保证了滤袋骨架强度，又防止了焊接毛刺对滤袋的影响，减少了与滤袋的摩擦，并采用了镀锌防护措施，延长了滤袋骨架的使用寿命。

(1)水泥窑尾烟气除尘分室结构

水泥窑尾烟气除尘器由32个过滤单元组成，当含尘气体由进风管道进入除尘器中间风道时，气流分布系统将含尘气体均匀地分配给32个过滤单元。随着过滤时间的不断延长，滤袋外侧附积的粉尘不断增加，从而导致袋除尘器本身的阻力也逐渐升高。当阻力达到预先的设定值(1200～1500Pa)时，PLC 清灰控制系统发出信号，首先命令一个喷吹单元的提升阀关闭以切断该室的过滤气流，接着给出指令打开电磁脉冲阀，压缩空气以极短的时间0.1～0.2s，通过喷吹管和特制的喷嘴向滤袋喷入，由于压缩空气的诱导把净气室中大量的净空气吸入滤袋，滤袋面自上而下顺序开始膨胀，并迅速达到极限位置，此时又在滤袋张力的作用下产生反向加速度，这样滤袋产生了高频振动变形，使滤袋外侧所吸附的尘饼变形脱落。在粉尘沉降一定时间后，提升阀打开，此喷吹单元再次处于过滤状态，如此周而复始地清灰→停止→过滤，使收尘器阻力始终处于一定值范围内，实现长期连续运行。

(2)烟气防漏风、串风结构

目前窑尾大型布袋除尘器，因其内部处理的气体温度较高，一般都在200～260℃左右，如除尘器停用检修时，除尘器处于常温状态，温差达到150℃左右，在使用一段时间后，由于温度的变化，导致钢结构变形，使除尘器焊接薄弱部位以及应力集中部位产生裂缝，导致除尘器漏风、串风。由于热胀冷缩而使风道斜板产生拱曲或焊缝断裂，风道气流紊乱或含尘气体外漏，导致排放超标。因此，在立柱与水泥基础之间采用万向滑动支座和风道斜板采用V形折边板构造，如图2、图3。

图2 万向滑动支柱

图3 风道斜板V形折边板结构

除尘器立柱、横梁全部采用矩形方管，箱体侧板采用折弯焊接，风道斜板采用V形折边板构造形成软连接，以吸收钢材变形应力，在焊缝薄弱部位增加节点板以加强其承载能力。

4 结论

水泥窑炉不仅是新型干法水泥生产线的核心装备，也是现阶段水泥行业污染物排放的主要源头之一。在种类众多的污染物中，以氮氧化物和粉尘污染最为突出。因此，国家相关部门针对水泥行业污染物排放，制定了《水泥工业大气污染物排放标准》(GB 4915-2013)等一系列标准，规定NOX的排放限值为400 mg/Nm3，粉尘的排放浓度应≤30 mg/Nm3。

现阶段水泥行业的水泥窑炉烟气排放的治理主要集中在氮氧化物排放浓度上，大多数未将粉尘排放作为治理对象。随着国家政策的收紧，水泥行业的污染物排放标准将进一步降低，而对水泥窑炉中不同污染物的排放检测也将趋于严格。因此，脱硝除尘一体化技术不仅可以在一套工艺流程中解决两种污染物的减排任务，也能在环保装备上为企业降低投入成本，是水泥窑炉烟气排放治理的大趋势。

[1] 金玲,蒋春来,杨金田,等.“十二五”水泥行业氮氧化物控制技术的经济分析[J].环境与可持续发展,2012(5):19-23.

[2] 李晓燕.水泥窑炉SNCR脱硝工艺技术应用[J].中国高新技术企业,2015(14):66-67.

[3] 徐娇霞,丁明,尤振丰,等.玻璃窑炉烟气脱硫脱硝除尘一体化技术探讨[J].玻璃,2013,40(5):43-45.

[4] 吴振山,鲍倩,任鹏程.一种协同除尘的脱硝工艺[J].中国高新技术企业,2015(23):104-105.

Researchandoptimizationofintegratedtechnologyoffluegasdenitrificationandbag-typedustremovalincementkilns

Huang Pengcheng1，Lin Xue2，Chen Changqing2，Huang Dongming2，Hong Yajun3

(1.Jinhua Polytechnic, Jinhua 321000；2.Jinhua Institute of Environmental Equipment, Jinhua 321000；3.Jinhua East China Environmental Equipment Co., Ltd., Jinhua 321000)

With the national environmental protection requirements and standards to further strict, for the cement kiln, flue gas denitrification or dust removal alone has been unable to meet the current stage of development of cement environmental protection requirements. This paper describes a kind of integrated treatment technology for denitrification and dust removal of nitrogen oxides and dust in the flue gas of cement kiln. By combining the front end SNCR process denitrification and the back-end modular partition structure dust removal, two kinds of pollutants are treated. This can reduce the cost of environmental investment of enterprises, and also fill the technology gaps in flue gas pollutants integrated management for cement furnaces.

cement kiln; SNCR; dust removal; integration technology

X701

A

浙江省公益技术研究社会发展项目(2015C33228)

2017-10-25; 2017-11-28修回

黄鹏程(1986-)，男，博士，副教授，研究方向：环保设备，工业机器人，自动控制技术。E-mail：83285908@qq.com