水泥生产窑尾收尘尾排烟羽问题探讨_王北平.pdf

2016NO2. ISSN1672-9064 CN35-1272/TK ISSN1672-9064 CN35-1272/TK 作者简介：王北平（1973），男，工程师，主要从事环保技术研究和环保设备开发设计工作。 水泥生产窑尾收尘尾排烟羽问题探讨 王北平 （洁华控股股份有限公司浙江海宁314419） 摘要以燃煤为燃料的水泥厂窑尾收尘尾排出可见烟羽现象是水泥厂文明生产和环境质量的新问题。 研究表明，水泥厂 在当前的工艺设备条件下，SO3的排放是影响烟羽颜色和不透明度的重要因素之一。 关键词除尘器烟羽环境保护 中图分类号：X75 文献标识码：A 文章编号：1672-9064(2016)0201903 随着人们环保意识的增强，水泥生产的窑尾除尘一直受 到人们更多的关注。 许多水泥厂都有过这样的经历：窑尾收 尘尾排烟囱，阶段性地可见明显的白烟，烟囱口附近是透明 的，排烟约10多m后，颜色是灰白色的，从不同角度看颜色 有稍许变化。 在线检测和实时测试数据表明，烟囱颗粒物排 放数值并没有超标。 然而，究竟是什么原因导致这种现象的 发生呢？ 且看下面的案例。 经过多次烟气测试，在原料磨停和原料磨开的2种情况 下，颗粒物排放值维持在1215mg/m3之间，磨开转为磨停的 切换过程中，颗粒物排放未出现较大的波动。 同时在线监测 上显示的颗粒物排放数据维持在1222mg/m3之间， 也未发 现原料磨开停切换过程中出现异常波动情况。 从表1、 表2 中不难看出，磨开时烟气含湿量较大，但烟囱观察不到有水 汽出现。 磨停时烟气含湿量略小，但能从烟囱看出有可见物 充冒，这说明烟囱的可见物并不是由水汽造成的，或者说不 是由水汽原因直接造成的。 但是，在磨开与磨停工况下，SO2 的数据变化却非常大，由15mg/m3上升至251mg/m3。 如此大 的变化，使我们不得不联系到SO2与烟囱可见物的关系。 1烟羽 2000年， 在美国电力公司Gavin电厂首次出现烟羽现 象。 该厂在总容量为2600MW的多个机组上安装了SCR装 置和湿法FGD装置后，烟囱排烟由原来几乎看不到的烟羽， 改变为较为浓厚的蓝色、黄色烟羽，对电厂的景观产生不良 的影响。 随着越来越多的SCR装置和湿法FGD装置的投 运，我国部分水泥厂、电厂也出现了类似的现象。 烟囱排放出现可见烟羽的主要原因是烟囱排出的烟气 中含有硫酸的气溶胶。烟囱排出的烟气中由于亚微米颗粒粉 物的存在，使得H2SO4以亚微米颗粒粉物作为凝结核，加强 了凝结过程。硫酸气溶胶的粒径非常小，对光线产生散射，由 于颗粒的尺寸和可见光的波长接近，属于瑞利散射。 瑞利散 射的特点是，散射光的强度与波长的4次方成反比，因此短 波的蓝色光线散射要比长波的红色光线强许多，最终使得烟 囱在阳光照射的反射侧，排烟的烟羽呈现蓝色，而在烟羽的 另一侧（透射侧）呈现黄褐色。 2影响烟羽的因素 影响烟羽颜色和不透明度（浊度）的主要因素是，气溶胶 颗粒粒径的大小和浓度；太阳光的照射角度；烟囱的排烟温 度；大气环境条件。 在大多数的情况下，尤其是H2SO4气溶 胶、水、亚微米颗粒物同时存在时，凝结是主要的生成机理。 烟羽的浊度主要受到烟气中可凝结物和亚微米飞灰浓度的 影响。 当H2SO4浓度较低或中等时，亚微米烟尘的粒径分布 对烟羽的浊度有明显的影响，主要是由于这些颗粒起到了汽 相H2SO4凝结中心的作用。 因此，在水泥厂建设了满足环保 要求的高效除尘器、SCR脱硝装置和烟气脱硫装置后， 在无 法进一步降低亚微米颗粒物排放浓度的情况下，除由于烟羽 中水蒸汽凝结所造成的白色烟羽之外，SO3的排放成为影响 书书书 表 摇某水泥厂 窑尾除尘器尾排测试情况（ 磨开时） 项目 联合操作 （ 动压） （ 静压） （ 温度） （ 流速） （ ） （ 烟气量） （ 万 ） （ ） （ ） 含湿量 含氧量 颗粒物排放浓度 （ ） 书书书 表 摇某水泥厂 窑尾除尘器尾排测试情况（ 磨停时） 项目 联合操作 （ 动压） （ 静压） （ 温度） （ 流速） （ ） （ 烟气量） （ ） （ ） （ ） 含湿量 含氧量 颗粒物排放浓度 （ ） 研 究 与 探 讨 19 2016NO2 ISSN1672-9064 CN35-1272/TK ISSN1672-9064 CN35-1272/TK 烟羽颜色和不透明度最主要的因素。 在大多数情况下，当烟 气中硫酸气溶胶的浓度超过1010-6时，会出现可见的蓝烟、 黄烟烟羽，且硫酸气溶胶的浓度越高，烟羽的颜色越浓、烟羽 的长度也越长，严重时甚至可以落地。 3水泥工艺中的硫 （1）原料硫。 水泥生产所用原料中的硫化物大部分为黄 铁矿和白铁矿，2者均为FeS2，还有一些单硫化物（如FeS）。 原料中的硫酸盐主要包括石膏（CaSO42H2O）和硬石膏（Ca- SO4），这2种矿物在低于烧成带温度下很稳定。 原料中存在 的硫酸盐大体上都会进入窑系统。硫化物（比如硫铁矿）会在 500600发生氧化生成SO2气体， 主要发生在第二级旋风 筒。 （2）燃料硫。 燃料中硫的存在形式和原料中的一样，有硫 化物、硫酸盐还有有机硫。燃料在分解炉或者回转窑燃烧。分 解炉存在大量的活性CaO，同时分解炉的温度正是脱硫反应 发生的最佳范围，因此烧成带产生的SO2气体可以在分解炉 被CaO吸收或者在过渡带和烧成带与碱结合生成硫酸盐。 也就是说在正常情况下， 燃料中的硫很少会影响到硫的排 放。 但是以下这些情况出现例外：燃料的燃烧是在还原状 况下进行的；生料易烧性很差，烧成带温度被提得很高； 硫碱比明显偏高。 4SO3的产生及气溶胶的形成 （1）SO3形成的主要途径。SO3的生成非常复杂，主要取决 于窑系统的燃烧、燃料成分、运行参数、脱硫、脱硝设施运行 状况等。 燃煤在燃烧过程中，几乎所有的可燃性硫都被氧化 成为气态SO2和SO3，其中绝大部分是SO2，仅有1%5%的 SO2会进一步氧化成SO3。 在窑系统420600的温度范围 内，部分SO2在氧化铁的催化作用下生成SO3。SCR中以TiO2 为载体、V2O5或V2O5-WO3、V2O5-MoO3为活性组分的催化 剂，具有较高的脱硝效率，但同时也促进了SO2向SO3的转 化，其转化程度取决于催化剂的配方和SCR的运行工况。 一 般来说， 对于烟煤每层催化剂SO2的转化率约为0.25% 0.5%，对于低硫次烟煤每层的转化率约为0.75%1.25%。 因 此， 在有23层催化剂的SCR系统中，SCR出口烟气中SO3 的浓度会比入口增加约50%。 （2） 气溶胶在湿法脱硫中的生成。 当含有气态SO3或 H2SO4的烟气通过湿法烟气脱硫系统时，由于烟气被急速冷 却到酸露点之下，且这种冷却速率比气态SO3或H2SO4被吸 收塔内吸收剂吸收的速率要快得多，因此，SO3或H2SO4不仅 不能有效脱除， 而且会快速形成难于捕集的亚微米级的 H2SO4酸雾。 一般来说，酸雾中颗粒较大的雾滴是可以被吸 收塔除去的，但是对亚微米级的雾滴，吸收塔则无能为力，形 成的亚微米级的雾滴只能通过烟囱排入大气。 随着环保法规的日趋严格，水泥厂为了有效地降低烟气 中SO2和NOx的排放量，遏制酸雨的形成，纷纷建设了烟气 脱硫及脱硝装置。 欧美国家水泥企业对SO2排放的关注早于中国企业。 按 照GB4915-2013水泥工业大气污染物排放标准 规定，自 2015-07-01起， 现有水泥窑及窑磨一体机排气筒中的SO2 最高允许排放浓度为200mg/m3。我国众多水泥企业SO2减排 任务艰巨，一些企业每年SO2排污费用高达几百万元。 水泥生产线降低SO2排放的措施很多， 主要分为3 类： 水泥生产线自身的SO2脱除、改变水泥生产工艺和采取外加 的SO2脱除技术。 水泥窑系统中存在合适的条件可以脱除 SO2，脱除效率与生料硫碱比、原料中硫的存在形态有很大关 系。 同时如果生料磨采用预热器废气作烘干热源，会进一步 脱除5070的SO2。 从工艺角度来讲，控制烧成带的CO、 O2含量及火焰形状有利于降低SO2排放。改变原料硫含量和 调节硫碱比均可以降低SO2排放，但改变原料通常在经济上 是不可行的。 5水泥工艺自身的脱硫 众多因素影响着水泥生产线各工艺的脱硫效果，例如脱 硫剂、水含量、反应面积和停留时间等。CaO和Ca(OH)2的脱 硫效果优于CaCO3，CaCO3在温度低于600的情况下，如果 没有水的作用，脱硫效果很差。与长窑相比，预热器窑和预分 解窑中原料和气体在旋风筒和风管中的接触要充分的多，因 此SO2排放量要低得多。 一般而言，水泥窑系统对原燃料带 入硫的脱除率超过50。 （1）生料磨和除尘器。 生料磨中石灰石（CaC03）持续产生 新鲜表面，同时粉料有较长的停留时间；另外立磨中气体温 度通常已经降到200以下， 因此相对湿度较高。 尽管较低 温度会降低脱硫反应速率，但考虑到参与反应的物料拥有巨 大的反应面积、较长的停留时间，同时水蒸气也会促进脱硫 反应进行，立磨中硫的脱除率还是很可观的。Goldmann的研 究表明，采用立磨可以脱除大约50的SO2，其脱硫产物是 Ca(HSO3)2，入窑后会被氧化生成H2SO4和CaSO4。Rose对比 了生料磨开和停情况下的SO2排放浓度，数据表明，生料磨 可以脱除超过61的SO2。 上面这些结论主要针对立磨，当 采用球磨机的时候，脱硫效率降低，主要受到球磨机中含硫 气体和生料的接触程度的影响。除尘器中气体和粉料紧密接 触以及相对湿度较高，也可以脱除一小部分硫。 （2）窑系统。预热器。 和生料磨相比没有新鲜的CaCO3 表面产生，CaO和Ca（OH）2含量较低，湿度和温度较低，这几 方面综合作用的结果是， 预热器的上面几级旋风筒 （300- 600）的脱硫效率很低。分解炉。 分解炉是干法脱硫发生 的理想场所。 从热力学和动力学角度来讲，新生成的活性较 高的CaO很容易和SO2发生反应。 分解炉和下面几级旋风 筒温度范围在800950，脱硫反应可以很好地进行。 温度 过高或者过低，都不利于该反应的进行。 另外，烟气中过剩 O2浓度、CO浓度都会影响CaSO4的分解，从而对分解炉脱硫 效果产生影响。 缺氧会增加分解炉和上级预热器脱硫的难 度。 尽管还原气氛对干法窑SO2排放的影响程度远没有湿法 窑或者半湿法窑那么明显，硫酸盐沉积导致干法窑窑尾上升 管道和旋风筒的结皮带来的操作问题更值得关注，但是通过 对窑尾O2、CO浓度以及C4下料SO3含量之间的相互关系研 究， Lowes发现在硫碱比为1的情况下， 将窑尾烟气O2含量 研 究 与 探 讨 20 2016NO2. ISSN1672-9064 CN35-1272/TK ISSN1672-9064 CN35-1272/TK 研究重点是如何在保持高效的同时，降低系统的复杂程度。 （2）循环工质。目前，适用于海洋温差能利用系统的工质 主要有NH3和R22，而氨的热力性能远远优于R22，但是氨 具有毒性且易燃，故它虽然是目前最适于海洋温差能发电系 统的工质，但在实际运用时依旧存在极大的不足。 寻找一种 低沸点且安全、环保的工质是下一阶段努力的重点。 （3）换热器。系统对换热器材料的高强度、耐腐蚀和轻型 化的要求较高， 且海洋生物的附着会影响热交换器的性能， 这些方面均有待于进一步研究及提出解决途径。 （4）冷水管。 应用于海洋温差能发电的冷水管需确保其 管径、管长、强度、保温性能符合需求，而这些问题还未完全 解决。 （5）氨透平的密封。氨气具刺激性气味且有毒，故应当尽 量避免整个循环系统中氨的泄露。氨透平是带动电机高速运 转的设备，要防止氨气泄露，必须保证氨透平内静密封以及 其与电动机连接处的轴端密封的密封特性。 4结语 海洋温差能发电在原理上、 技术上都被证明是可行的， 但至今仍没有一个示范性商业电站投入运行，其首要原因是 经济性问题。 由于海洋热能处于海洋环境，其建设费用和能 量传输费用比其他可再生能源利用都要大得多，导致暂时还 不具备市场竞争力。但海洋温差能也有许多优点是其它能源 无法比拟的：海洋温差能受时间季节的影响不大，发出的 电力连续稳定。与太阳能利用相比，不需储能系统，经济性更 佳。和并网的风力发电比起来，它不会增加电网调峰的负担。 海洋温差能电站的“容量系数”可达到100%，大大高于太 阳能发电。一些深海区中的岛屿就地利用温差能提供电力 和淡水在经济上具有较大竞争力。故海洋温差能发电技术在 循环、工质、效率、电站选材及造价、经济性、环境等问题上均 有待进一步探索研究。 其中研究重点主要有：热力循环的高 效性及系统简单化、工质的热物理性质及安全环保性、热交 换器的高强度及耐腐蚀性、冷水管的强度及保温性、氨透平 的密封性。 参考文献 1王迅，李赫，谷琳.海水温差能发电的经济和环保效益.天津：天津大 学机械工程学院，2008 2陈凤云，刘伟民，彭景平.海洋温差能发电技术的发展与展望.绿色 科技，2012，11（11） 3朱彧.海洋温差能发电初露曙光.中国海洋报，2012-09-07（3） 4Robert L.Waid，The Mini-OTEC Test，IEEE，1979 5岳娟，刘伟民，张理，等.单工质朗肯循环海洋温差能发电系统优化 研究.海洋技术学报，2014，8，33（4） 6唐黎标.日本海洋能发电，太阳能，2005，（3） 7Lennard D E.The viability and best locations for ocean thermal energy conversion systems around the world.Oceanographic Litera2ture Re- view，1996，43（1） 8E.Saris，W.Scholten，D.Kerner，and L.Lewis，Overview of international ocean energyactivities.in Proc.Int.Conf.Oc.Energy Recovery，Honolu- lu，HI，1989 9D.E.Lennard，Ocean thermal energy conversion-past progress and fu- ture prospects，EEPROCEEDINGS，1987，Vol.（134） 10苏佳纯，曾恒一，肖钢，等.海洋温差能发电技术研究现状及在我 国的发展前景.中国海上油气，2012，8，24（4） 11陈恩鉴.国外海洋能研究开发的现状及展望.新能源，1995，17（1） 12刘伟民，刘宇中，于凯本，等.海洋温差能发电设备利用的现状与 发展 （A）中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术 论文会文集 ! （上接第18 页） 从2降低到1.01.5，会使SO2排放增加（50800）10-6。 再者，热生料在下面2级旋风筒和连接风管中的分布也会影 响到脱硫效率。Schmidt曾经发现由于上述原因，1条带多筒 冷却机的预热器窑SO2排放值特别高。 当物料分布情况改善 后， SO2排放量大大降低。 最后，生料经过特定温度范围（易 于脱硫反应进行的温度范围）的时间长短对分解炉脱硫效果 有着重要的影响。 该温度范围与喂入生料的组分、颗粒分布 以及窑气中CO2含量相关。前过渡带。 脱硫反应在温度高 于l050后难以进行，因此前过渡带不再有利于石