超高温除尘技术在水泥行业应用的探讨
2019-12-19盛显宗胡海波王涛
盛显宗 胡海波 王涛
青州中联水泥有限公司 山东潍坊 262500
1 水泥行业高温烟气治理现状
水泥生产过程中会产生大量高温烟气（300～450℃），其中主要污染物为粉尘、NOX、SO2等。对烟气中的粉尘，一般采用降温后进入袋除尘器的方式进行减排。在没有余热利用设备的系统中，不仅浪费大量的余热资源，降温系统还需额外消耗大量能源[1]。在有余热利用设备的系统中，当余热利用系统检修或出现“跑黄料”、高温风机调停等情况时，为了避免袋除尘器“烧袋”，一般会增加喷水降温设备或空气冷却器等应急降温装置。应急降温系统不仅提高了投资成本，占用了土地，而且增加了整个工艺系统的复杂度及运维成本。更需要注意的是，降温设备绝大部分时间处于闲置状态，造成了资源的浪费。
烟气中的氮氧化物（NOX）减排分为以低氮燃烧、分级燃烧技术为主的燃烧过程减排和以SNCR脱硝技术为主的燃烧后减排。低氮燃烧脱硝和分级燃烧脱硝效率一般＜30%，因此，在排放标准不断提高的条件下，燃烧后的脱硝必不可少。目前，国内水泥厂燃烧后的脱硝基本采用SNCR技术。当脱硝效率控制在50%～70%时，氨氮比高达1.4-1.7，70%的脱硝效率无法满足更高标准的排放要求，且过量喷氨会导致生产成本增加和环境的二次污染。
针对水泥行业NOX的超低排放指标（NOX≤100mg/m（标）），只有使用脱硝效率更高的3 SCR技术可以满足要求。SCR已经在火电行业超低排放中取得成功，但同时也存在一些问题，如粉尘导致催化剂中毒、堵塞、磨损等。在水泥行业，窑尾粉尘浓度高，且具有一定粘性，SCR催化剂工作环境比火电行业恶劣很多，使得SCR技术在水泥行业的应用受到限制[2]。从欧洲水泥工业应用SCR技术的经验来看，高粉尘浓度会使催化剂中毒，不仅使脱硝效率降低，也大幅缩短了催化剂使用寿命，NOX排放只能控制在200mg/m（标）以下，催化剂仍需频繁3更换，中毒的催化剂仍需修复[3]。因此，在SCR脱硝之前，进行高温除尘，显得尤为重要。
2 高温除尘技术
水泥行业应用的高温除尘技术主要有旋风除尘器技术和静电除尘器技术。旋风除尘器除尘效率低，只能用于预除尘。静电除尘器运行成本和维护要求高，且其除尘效率受粉尘比电阻、高压电源及控制系统等多种因素的影响很大，在高温、高浓度粉尘的情况下，静电除尘器常常无法高效、稳定地运行。目前，国内外的陶瓷纤维和金属纤维滤料在800℃以下具有良好的强度、耐腐蚀性和高过滤精度，可满足高温粉尘的超低排放要求，且已成功应用于工程项目中。采用陶瓷纤维和金属纤维滤料作为过滤介质的袋式除尘器是高温除尘系统的最佳选择。
3 高温除尘技术在窑头改造的应用探讨
针对常规的窑头工艺系统，我们提出了一种窑头电除尘器改造技术和设备方案。该方案在保证系统可靠稳定运行的前提下，简化了工艺流程，减少了设备及占地面积，降低了系统运行维护费用，提升了总体经济效益。窑头高温电改袋有不改变原工艺系统而直接将原电除尘壳体改为高温袋除尘器（即直接电改袋工艺）和电改袋后将余热锅炉后置两种改造方式。
直接电改袋方案与普通电改袋方案在本体改造方面类似，但不需增加其他工艺设备，施工、安装更为简单，整个系统稳定运行的可靠性更高，投资和综合运行成本更低。
高温改造后将余热锅炉后置，窑头高温含尘烟气直接进入改造后的高温除尘器除尘，洁净高温气体再进入余热发电系统进行余热利用，最后通过烟囱排出。当余热发电系统离线时，高温除尘器出口的洁净高温气体可直接由高温风机引入烟囱排出。
锅炉后置改造方案具有以下优点：
（1）高温烟气先进入高温除尘器除尘，再进余热发电系统，可消除粉尘对余热发电系统的磨损、堵塞，降低余热发电系统的运行维护成本；同时可消除锅炉内部积灰，提高锅炉热效率和废气余热的利用，提高系统经济效益。
（2）窑头高温气体直接入除尘器，再进入余热发电系统，省去了旋风除尘器或干扰式分离器，减小了系统阻力。
（3）除尘后的高温气体用于煤磨，可省去煤磨热风用除尘器，可提高煤粉燃烧效率，减少能源消耗。
（4）简化工艺系统后，设备节点减少，减少了系统漏风点，简化了工艺操作，提高了可靠性，此外，还节约了厂区空间。
4 高温除尘技术在窑尾改造的应用探讨
针对窑尾SCR脱硝，我们提出了一种在余热锅炉之前，增加高温除尘器和SCR反应器，先高温除尘，再SCR脱硝的改造方案。本方案优点：使水泥行业可以采用SCR脱硝技术或SNCR+SCR脱硝技术，实现脱硝效率90%以上，满足NOx的超低排放要求。经除尘后的高温烟气通过SCR催化剂，催化剂基本上不受粉尘影响，可提高脱硝效率，减少催化剂用量，大幅提高催化剂使用寿命。高温烟气经除尘脱硝后，进入后级余热锅炉，可大幅减少余热锅炉磨损、管壁积灰，减少设备维护工作和维护资金；可提高换热效率，保证设备长期高效运转。
5 结语
水泥生产过程中受高温、高浓度粉尘影响，窑头面临袋除尘器“烧袋”风险和余热锅炉磨损的问题，窑尾面临SCR技术应用受限的问题，采用陶瓷和金属纤维滤料的高温袋除尘技术，可高效、稳定地解决以上问题，带来很大的经济效益和社会效益。
