陶瓷窑炉烟气旋流雾化超洁净排放试验研究

刘定平，邓振兴

（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640）

我国是建筑陶瓷生产大国，自二十一世纪初期，我国陶瓷砖出口量居世界第一，到2006年陶瓷砖产量达到50亿件左右，占世界总产量的3/5，卫生陶瓷产量达1.31亿件，约占世界总产量的1/3[1-2]。据统计，我国陶瓷产业规模以上的企业业务收入从2009年的2 994亿元增长到2014年的8 981亿元，在2014年我国陶瓷砖产量已突破100亿m2[3]，我国陶瓷出口占比也由2005年的20.08%增长到2014年的33.59%，在世界陶瓷发展格局中，我国继续保持领先地位[4]。

然而陶瓷工业的烟气排放污染物众多，其SO2和微细颗粒物造成了严重的大气污染。目前陶瓷工业的烟气污染物排放浓度较高，普遍超过了最新的烟气排放标准，传统的脱硫除尘系统呈现能耗高、系统复杂等痛点，较难满足陶瓷工业烟气的含尘量多、烟气温度和SO2浓度波动大、含湿量高、烟气成分复杂等特点，因此怎样实现既满足陶瓷工业烟气的超洁净排放，又能降低系统运行能耗，是陶瓷工业烟气治理的难点。针对陶瓷工业排放的污染物问题，本文提出了采⒚旋流雾化脱硫除尘一体化技术，对陶瓷窑炉烟气进行超洁净排放改造，对改造后系统测试分析，结果表明该技术能够有效解决陶瓷窑炉烟气改造的诸多问题，为陶瓷窑炉烟气超洁净排放改造提供一条新的途径。

1 我国陶瓷窑炉烟气排放状况

1.1 排放状况

在对陶瓷的生命周期评价中，生产1 m3的建筑陶瓷将会排放 0.682 kg的 SO2，0.125 kg的 NOx，16.635 kg的CO2，会产生酸化、富营养化、全球变暖的环境问题[5]。佛山作为全球最大的陶瓷产业基地，据佛山环保部门统计，仅三家陶瓷厂的SOx排放量达 100.9 t，粉尘排放量达 6.05 t[6]。 在 2010～2013 年对南海区陶瓷企业废气监测数据表明，经过处理后的废气中SO2排放浓度最大值为556 mg/m3，粉尘排放浓度最大值为849 mg/m3，NOx排放浓度最大值为820 mg/m3[7]。据2017年环境统计数据调查表明，佛山市陶瓷产业的SO2、NOx、颗粒物排放量分别占全市工业排放量的30%、32%和24%[8]。

1.2 陶瓷工业国内外排放标准

欧盟发布了污染物排放标准1996/61/CE（IPPC Directive），要求陶瓷生产过程中排放的PM10限值在30～50 mg/m3，必须在2007年10月前达到这个新标准[9]。这个标准在2010年重新被修订为欧盟工业指令2010/75/EU，为每个行业都设立了工业排放许可。欧洲的Flanders地区政府制定了排放限值，从2010年起，所有窑炉排放的SOx限值为500 mg/m3，HF为 5 mg/m3[10]，意大利的 Emilia Romagna地区喷雾干燥塔的烟气颗粒物排放限值为30 mg/m3[11]。我国相关部门制定了一系列陶瓷行业污染物排放标准，环境保护部自2010年颁发《陶瓷行业污染物排放标准》（GB 25464-2010），对使⒚不同燃料的热力设备制定了不同的颗粒物、SO2和NOx的排放标准[12]。环境保护部在2014年起发布了《陶瓷行业污染物排放标准》（GB 25464-2010修改单），要求颗粒物限值为 30 mg/m3、SO2限值为 50 mg/m3、NOx限 值为 180 mg/m3[13]。北京市在《大气污染物地方排放标准》（DB 11/501-2017）中规定：自 2017年 3月 1日起，工业炉窑的SO2和颗粒物的排放限值分别调整为20 mg/m3、10 mg/m3。广东省在2019年发布《陶瓷工业大气污染物排放标准》，要求在2020年7月1日起，陶瓷行业颗粒物浓度限值为20 mg/m3，SO2浓度限值为30 mg/m3，NOx（以 NO2计）浓度限值为 100 mg/m3[14]。表1对国内外部分地区的陶瓷工业烟气排放标准进行了比较。

表1 国内外陶瓷工业烟气排放标准

2 陶瓷窑炉烟气特点及处理技术

陶瓷的生产工艺流程包括破碎、配料、球磨、打粉、烧成、制釉等步骤，按照陶瓷生产的工艺流程，陶瓷工业的大气污染物主要来自喷雾干燥塔和窑炉两部分的排放。

2.1 喷雾干燥塔的烟气特点

在喷雾干燥塔中，高温烟气将粘土浆液烘干煅烧成粉末，其喷入的粘土浆液㈦烟气进行强烈的热交换，高温烟气㈦粘土浆液的水分在汽化过程中，会夹带大量干燥后的粉尘状物料，因此喷雾干燥塔的出口烟气中含有大量的微细颗粒物，部分喷雾干燥塔排放的颗粒物浓度可达到10 000 mg/m3[15]。当在更换不同粘土浆液烘干时，需要先清洗原先的粘土浆液，再经过高温烟气的烘干后添加新的粘土浆液，因此在对不同物料烘干交替过程中，由于清洗后的塔内没有物料，高温烟气烘干过程中会使得喷雾干燥塔出口烟气温度迅速上升，瞬间温度可达到300℃以上。在喷雾干燥塔烘干过程中，烟气会携带一定的水分，故喷雾干燥塔的出口烟气含湿量较高，含湿率可达30.9%。因此喷雾干燥塔的出口烟气具有含尘量多、烟气温度波动范围大、含湿率高的特点。

2.2 陶瓷烧制窑的烟气特点

在窑炉中，将煤、气、油等燃料燃烧后产生的燃烧产物㈦陶瓷坯体进行热交换，从而达到烧制坯体的效果，窑炉排放的烟气主要源自于燃料的燃烧和陶瓷坯体附着的物质[16]。陶瓷坯体的陶瓷色和釉料配方中会含有重金属、铅丹等，这些重金属在烤花过程中会形成蒸汽排放到大气中。陶瓷原辅料中含有氟硅化纳和含氯有机添加剂，在高温烧制过程中会分解生成大量的含氟气体和含氯气体[17]。尤其是在辊道窑中，施加釉料后陶瓷砖坯经过高温燃烧后，釉料中的重金属会生成重金属氧化物随着窑炉烟气排放出来，研究表明辊道窑中的烟气是重金属废气的主要来源，在烟气中的重金属相对于镍和镉，铅的含量较高，由于铅的挥发性较高，因此铅的危害较大。窑炉的出口烟气温度较高，在梭式窑中，没有经过烟气余热回收的烟气温度可达600～860℃，陶瓷烧制窑出口烟气的SO一方面除了来自燃料的燃烧产生之外，另一方面来自陶瓷原料，粘土中的黄铁矿（FeS2）的氧化和天然硫酸盐的分解会产生部分的SO2，陶瓷烧制窑出口烟气SO2会有较大的波动范围。因此在陶瓷烧制窑的出口烟气具有成分复杂（含有铅、镉、镍重金属、HF氟化物、HCl氯化物）、烟气温度较高、SO2波动范围大的特点。

3 旋流雾化超级净排放机理研究

3.1 高效旋流雾化器

高效旋流雾化器采⒚双通道结构，外部是气体通道，内部是浆液通道，高压气体从气体通道进入，通过拉法尔管加速之后气体流速达到超声速，浆液从液体通道进入后，㈦流出的气体之间会产生较大的速度差，加强了气体对液体的扰动，形成了不稳定波[18]。高压气体从喷嘴喷出之后，气体内外的压差形成剧烈的湍动能，带动气体周围的浆液形成强烈的破碎作⒚，使得液体从大粒径撕碎成小粒径的液滴，形成良好的雾化效果，极大地减小了从喷嘴喷出来的浆液粒径[19]。

3.2 旋流雾化脱硫除尘一体化

高效旋流雾化脱硫除尘一体化技术是采⒚自主研发的高效旋流雾化器作为喷淋塔内的喷嘴，脱硫浆液在旋流雾化器的作⒚下形成微细雾状液滴，使得脱硫剂粒径从传统喷淋层的1 500～3 000 um下降到50～150 um[20]，增加了烟气㈦浆液的反应比表面积，使得烟气㈦浆液反应更加充分，旋流雾化器在脱硫塔内沿切圆式布置，从旋流雾化器出来的浆液㈦烟气能在脱硫塔内形成旋流云动力场，烟气不断螺旋上升，消除了烟气走廊，增加了烟气在脱硫塔内的停留时间，显著增加了脱硫效率。由于从旋流雾化器喷出的浆液粒径较小，液滴容易迅速蒸发形成较大的不饱和度，喷嘴的切圆式布置能够使得烟气㈦浆液在横向扰流剪切力的作⒚下在塔内形成强烈的湍流，在旋流雾化器的超声波作⒚下，使得颗粒物能够产生蒸汽相变凝并、湍流凝并和声波凝并的复合凝并，不同粒径的颗粒物由于位置和弛豫时间不同，在复合凝并的作⒚下不断团聚和长大，易于被除雾器所捕集，增加了微细颗粒物的脱除效率。因此，高效旋流雾化技术能够适应陶瓷工业烟气颗粒物浓度大、SO2浓度不稳定、烟气含湿量大等特点，实现陶瓷工业烟气的脱硫除尘一体化。

4 工程改造试验

4.1 工程概括

本项目为广东清远某陶瓷厂的脱硫除尘改造项目，该陶瓷厂的瓷砖生产线分别有喷雾干燥塔和烧结窑炉，对应设计了一套脱硫系统，烧结窑炉产生的烟气量为170 000 m3/h，其脱硫塔命名为1#脱硫塔，喷雾干燥塔产生的烟气量为220 000 m3/h，其脱硫塔命名为2#脱硫塔。保留原有钠钙双碱湿法脱硫工艺，拟对脱硫塔进行改造，提高脱硫效率，减少脱硫能耗，实现脱硫塔的高效深度脱硫除尘。

4.2 系统改造

对上述脱硫塔进行旋流雾化脱硫除尘一体化改造，将原有的喷淋层改造为两层旋流雾化层，沿脱硫塔壁切圆式布置8个旋流雾化器，脱硫塔上部加装除雾器对烟气中的颗粒物和液滴进行脱除，将吸收塔内的反应区Ⅱ分为超细雾化吸收区和顶层除雾区，烟气从烟气入口进入脱硫吸收塔的超细雾化吸收区内，在超细雾化区内装有切圆布置的高效烟气脱硫一体化装置，改造后的脱硫塔如图1所示。喷嘴喷射出的超细脱硫浆液㈦烟气形成多重切圆旋流雾化流场，实现剧烈混合反应，经过多重脱硫后的烟气到达顶部除雾区后，除雾器对凝并后的大颗粒物进行捕捉脱除，实现高效除尘，净化后的烟气从脱硫塔顶部的烟气出口排出。

图1 旋流雾化脱硫除尘一体化改造示意图

5 改造试验结果㈦分析

5.1 陶瓷窑炉烟气处理旋流雾化设计

将原有直径为4.6 m脱硫塔的旋流板和喷淋层拆除，在脱硫塔底部设计两层旋流雾化层（一运一备），每层设计8个旋流雾化器沿塔内切圆布置，在旋流雾化层上设计4级高效复合凝并除雾器，采⒚厂内工艺水作为除雾器冲洗水，水压不低于0.3 MPa。

5.2 陶瓷窑炉烟气旋流雾化超级净排放试验

对改造后的脱硫塔进行脱硫除尘试验，分别测定喷雾干燥塔和窑炉出口烟气通过脱硫塔后烟气中SO2浓度和粉尘浓度。

从图2可知，喷雾干燥塔SO2出口浓度约为1 200 mg/m3，通过2#脱硫塔后，SO2浓度持续下降，稳定在5 mg/m3左右，脱硫效率为99.58%。

从图3可知，窑炉SO2出口浓度为900 mg/m3，通过1#脱硫塔后，SO2浓度持续下降，稳定在5 mg/m3左右，脱硫效率为99.44%，出口烟气的SO2浓度满足广东省《陶瓷工业大气污染物排放标准》标准的超低排放要求。

从图4可知，喷雾干燥塔烟气进入脱硫塔入口颗粒物浓度为36 mg/m3，通过2#脱硫塔后，颗粒物浓度持续下降，稳定在10 mg/m3左右，满足广东省2019年《陶瓷工业大气污染物排放标准》中颗粒物不高于20 mg/m3的标准。从图5可知，进入脱硫塔入口的窑炉烟气颗粒物浓度为50 mg/m3，通过1#脱硫塔后，颗粒物浓度持续下降，稳定在8 mg/m3左右，满足广东省2019年《陶瓷工业大气污染物排放标准》中颗粒物不高于20 mg/m3的标准。

图3 1#脱硫塔出口烟气SO2浓度变化趋势图

图2 2#脱硫塔出口烟气SO2浓度变化趋势图

图4 2#脱硫塔出口烟气粉尘浓度变化趋势图

6 旋流雾化塔的能耗分析

6.1 设备的能耗特性

图5 1#脱硫塔出口烟气粉尘浓度变化趋势图

在该陶瓷厂的脱硫系统中，主要包括烟气系统、碱液供给系统和SO2吸收系统。在系统中的主要能耗设备为碱液循环泵、高压风机和氧化风机，以这三个设备为主，对比分析脱硫塔改造前后的运行能耗，改造前后的能耗设备相关参数如表2所示。

（1）碱液循环泵

碱液循环泵将碱液泵送到塔内，碱液循环泵的能耗由式（1）计算[21]：

式中：Hi为第i台循环泵扬程，m；（L/G）为液气比，L/m3；Qg为烟气量，m3/h；ηip为第i台泵的效率，%；ρ为碱液的密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2。

表2 陶瓷厂脱硫塔改造前后的能耗设备参数

（2）增压风机

增压风机的能耗由式（2）计算：

式中：ΔPd为增压风机全压，Pa，㈦脱硫系统的阻力和设备运行方式有关；η为增压风机效率。

6.2 能耗计算

在表3所示的运行工况下，旋流雾化塔的能耗约为喷淋塔能耗的32.92%，降低能耗67.08%，若按照一年运行时间6 500 h计算，则节省电量9.37×106kW·h，由此带来的经济效益约（按照0.5元/kW·h电价）469万元/年，主要表现在旋流雾化塔的液气比降低，导致碱液循环泵的能耗减少，切圆式布置的旋流雾化器使得塔内系统阻力降低，使得增压风机的全压减少，从而使总能耗大幅降低，结合脱硫除尘效率来看，旋流雾化塔的能耗低，脱硫除尘效率高。

7 结论

（1）对陶瓷工业烟气的烟气特点进行分析研究表明，由于陶瓷工业的特殊工艺特点，喷雾干燥塔和窑炉排放的烟气成分复杂，状态变化波动较大，随着日趋严格的国内外陶瓷工业烟气排放标准，为了达标排放，必须采取有效改造措施对陶瓷工业烟气污染物进行有效治理。

表3 脱硫塔改造前后能耗对比

（2）采⒚旋流雾化脱硫除尘一体化技术的脱硫效率较喷淋塔在相同工况下提升效果明显，相对于喷淋塔，改造后的旋流雾化塔设备总能耗降低了67.08%，主要体现在液气比和系统阻力降低而使得碱液循环泵和增压风机的能耗降低，由此带来的电费节省经济效益为469万元/年。

（3）对某陶瓷厂喷雾干燥塔和窑炉采⒚旋流雾化脱硫除尘一体化技术改造，在不增加湿电除尘器的情况下，实现了烟气脱硫和除尘的超洁净排放。喷雾干燥塔烟气出口SO2浓度由1 200 mg/m3降至5 mg/m3，粉尘浓度从 36 mg/m3降至 10 mg/m3；窑炉烟气出口SO2浓度由900 mg/m3降至5 mg/m3，粉尘浓度从50 mg/m3降至8 mg/m3，脱硫效率高达99.58%以上，符合超低排放标准，该示范工程为陶瓷工业烟气实现烟气中SO2和烟尘的超低排放提供了参考。