水泥窑废气污染防治的几个问题
我国的水泥产量连续多年世界第一, 水泥窑对大气环境的污染与防治尤需重视。只有搞好环保,我国的水泥工业才能健康可持续发展, 本文就水泥窑废气污染与防治的几个问题进行讨论。
1 水泥窑有害气体的污染不容忽视
我们通过对华南地区多家水泥厂的调研, 深感水泥窑有害气体的污染问题应引起足够的重视, 表1 为有代表性的几种水泥窑废气的SO2 、NOx 、CO及烟尘浓度与排放量。
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从表1 可见, 水泥窑的有害气体污染不容忽视。水泥窑的烟尘污染因较直观, 易引起人们的重视。而SO2 等有害气体的污染往往易被忽略。
新型干法预分解窑尾废气的SO2 浓度相当低,但NOx 浓度却不低。NOx 与SO2 同样为酸雨的前驱物。表1 中的湿法回转窑废气的SO2 浓度甚高,湿法回转窑的能耗亦高, 被淘汰是必然的。机立窑废气的CO 浓度高, SO2 浓度亦不低, 且目前已普遍加了萤石, 氟的污染亦不容忽视。
2 水泥窑废气的SO2 污染与防治
从表1 可见, 新型干法生产的预分解窑排放废气的SO2 浓度最低。这有几方面的原因: 新型干法窑对原燃料的硫碱等组分, 特别是硫碱比有严格的限制。预分解窑熟料的烧成热耗较低, 当煤的含硫量相同, 则燃料所带入的硫就较少。预分解窑相当部分燃料在分解炉内燃烧, 分解炉温度一般为830～ 930 ℃, 其生料中大部分CaCO3 已分解为CaO , 此温度下的CaO 有较强的吸硫作用。即使有部分预分解窑的窑尾废气不经分解炉而进入悬浮预热系统, 由于气固两相充分接触, 固相中含有相当数量的CaO , 使废气中SO2 大多能被吸收。不少新型干法窑设置了增湿塔, 或在进入收尘系统前喷水, 这均有助于降低废气中SO2 含量。
湿法回转窑料浆含水量多, 蒸发水分需消耗能量, 热耗当然较高。在煤含硫量相同的情况下, 其燃料所带入的硫量就较多。另外, 湿法回转窑内物料主要呈堆积状态, 回转窑内烟气与物料接触不充分, 吸收SO2 的作用也相对较弱。表1 中③、④、⑤号为同一家水泥厂的三台窑。⑤号窑是由湿法回转窑改造为湿磨干烧预分解窑, 经改造后, 其SO2 浓度明显下降。
表1 中⑥、⑦号为同一家立窑水泥厂的两台机立窑, 其原燃料及工艺配方基本相同。编号⑦的机立窑废气SO2 浓度远高于⑥号机立窑。关键是⑦号机立窑仅采用电收尘器除尘, 而⑥号机立窑的烟气处理为沉降室加含碱性废液的水溶液喷淋。尽管采用电收尘器的立窑烟尘浓度较低, 但其作用主要是除尘, 对治理废气SO2 作用不大。而对立窑烟气采用含碱性废液的水溶液喷淋, 对降低废气SO2浓度是有积极作用的。
3 水泥窑废气的NOx 污染与防治
从表1 可见, 新型干法预分解窑或湿磨干烧预分解窑, 其废气NOx 浓度都相当高, 而机立窑废气的NOx 却相当低。
煤燃烧过程中生成的NOx (包括NO 和NO2 )按生成机理分为热力NOx 、燃料NOx 和激发NOx三种, 其中主要是前两种。热力NOx 是由大气中氮在高温条件下与氧反应生成, 形成速度在很大程度上取决于温度、氮在该温度的滞留时间及局部氧浓度。燃料NOx 是由燃料中固有的氮经化学反应转化而成, 其数量取决于燃料中的碳及挥发性氮的成分。激发NOx 是由烃基与大气中氮结合而成。对于水泥窑废气NOx 污染来说, 主要是回转窑废气的NOx 防治。降低水泥窑NOx 的方法有: 注入氨; 将引入分解炉的燃料分级燃烧; 采用窑自动控制降低NOx 排放, 使用低一次风燃烧器, 以及分解炉采用高温燃烧等。
氨注入法主要适用于预分解窑。把氨溶于水,注入预分解窑温度于900～1000 ℃处。在燃烧过程中, 氨首先被OH基活化, 形成NH2 基, 使氧化氮分解形成氮气加水。此法需严格控制氨注入区域温度为900～1000 ℃, 且会使废气CO 排放量稍有增加。
将引入分解炉的燃料分级燃烧法。一部分三次风送入分解炉下部, 以形成还原区; 确保温度为950～1050 ℃, 以保证下列反应进行: NO + C →N+ CO , NO + CO →N + CO2 ; 另一部分三次风进入分解炉上部, 形成确保燃料完全燃烧的氧化区。为控制还原区的温度, 还将倒数第二级旋风筒来的物料分别送入还原区和氧化区。
采用窑自动控制亦是降低NOx 排放量的一个办法。通过对窑尾CO 和NO 值进行比较, 窑的自动控制使过剩空气量降到最低, 同时亦防止CO 值过高, 以控制NOx 排放量。此法可适于各类回转窑, 其中湿法回转窑及悬浮预热器窑这些只在窑头燃烧的水泥窑应用此法效果较明显。
提高燃烧器喷嘴的风速可降低一次风用量, 形成一个初始的贫氧区域, 减少NOx 形成。
进分解炉的热生料设置一个分料阀, 把热生料分别从分解炉的上部与下部进入, 以创造一个高温区。这样一方面有利于燃料的燃尽, 另方面有利于降低NOx 。因在分解炉的温度范围内, 燃料氮化物中的氮与氧生成NO 的反应速度不如燃料氮与NO生成N2 与氧的反应速度随温度提高而增加那样快,从而有利于降低NOx 。
4 水泥窑烟尘的污染与监控中应注意的问题
常会遇到这样的情况: 有的水泥窑烟尘污染严重, 群众反映亦甚强烈, 但年检时其废气排放的含尘浓度远低于平时, 甚至符合国家标准。这说明对水泥厂烟尘监控存在一些值得重视的问题。
首先是收尘设备的运转率问题。收尘器会因各种故障而停止运作; 或收尘器本身的问题, 或其它原因致使收尘设备停止工作, 如进入电收尘器的废气CO 浓度超过警戒值, 电收尘器自动跳停。一些环保意识差的企业问题还相当严重。如有的厂电收尘器质量差, 平时运转时间甚短, 仅作应付环保检测之用。故应有效地监控收尘设备的运转率。
从检测废气烟尘来看, 亦存在一些问题。如某立窑厂1995 年与1996 年的熟料产量基本持平, 生产工艺及收尘设备基本未变。但检测所得的烟尘平均浓度及排放量1996 年明显少于1995 年。1995年烟尘浓度为1004155mg/ m3 , 1996 年为598186mg/ m3 ; 1995 年烟尘排放量为34154kg/ h ,1996 年为9186kg/ h。前后两次的检测人员及仪器相同, 检测的结果相距甚远。究其原因是1996 年检测时已把鼓风量减少至不足1995 年的一半, 使离窑面的烟气量迅速减少, 在此情况下, 不仅离窑面废气的含尘浓度下降, 且因烟气量减少, 烟气于烟道及沉降室等收尘设备内的流速亦下降, 有利于烟尘的沉降, 烟尘排放量大为减少。不过, 这只是虚假数据。故应把水泥窑产量处于正常状态作为检测的必要前提。
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