浅议煤矸石烧结砖厂隧道窑废烟气治理技术.docx

本栏编辑：孙国凤浅议煤矸石烧结砖厂隧道窑废烟气治理技术王小萍 （北京建都设计研究院有限责任公司，北京100123）摘要：通过对几种典型湿法脱硫技术的比较，结合工程实例，分析了煤矸石烧结砖生产线、隧道窑焙烧过程中废烟气污染物的排放状况，提出了相应的治理措施，以使煤矸石烧结砖厂窑炉废烟气达标排放。关键词：煤矸石；烧结砖；隧道窑；废烟气；治理中图分类号：TU522.0 文献标识码：A 文章编号：1001-6945（2012）04-0016-05Desulphurization technology for flue gas from tunnel kilnin fired coal shale brick factoryWANG Xiao-pingAbstract：The paper puts forward the desulphurization technology for flue gas from tunnel kiln in fired coal shale brick factory through comparison of a few wet desulphurization technologies.Key Words：coal shale，fired brick，tunnel kiln，gas flue，measures随 着 国 家 对 环 境 保 护 的 日 益 重 视 ，环 境 保 护 执法力度的加强，煤矿排出的采矿副产品煤矸石的处 理已成为各地政府部门非常关注的问题。近年来， 全国各地建起了不少大型或中型的煤矸石烧结空心（多孔）砖生产线。特别是几个产煤大省，用烧结空 心（多孔）砖生产线处理煤矸石的企业越来越多，发 展速度也很快，而且大多建在产煤城市的周围。这 些生产线即靠近原料，又靠近市场；即为城市处理了 堆积如山的工业固体废弃物，又促进了当地墙材的 革新。但是，在煤矸石砖烧结过程中排放的废烟气， 若不经过脱硫、除尘处理，直接排放到大气中，对当地 环 境 造 成 了 一 定 程 度 的 污 染 ，其 中 SO2 的 危 害 更 重。SO2 是酸雨形成的主要原因，酸雨使森林枯萎，土壤和湖泊酸化，植被破坏，粮食减产，金属和建筑材料被腐蚀。有研究表明我国每排放 1 t SO2 造成的 经 济 损 失 约 2 万 元 。 同 时 空 气 中 的 SO2 还 可 形 成 硫酸酸雾，对生态环境和人身健康危害更大。虽 然 选 用 含 硫 量 低 的 煤 矸 石 原 料 ，采 用 隧 道 窑 焙烧设备的砖厂，生产过程中排放的废烟气可基本 满足 GB 9078-1996工业炉窑大气污染物排放标准的要求，但随着国家环境保护“十二五”规划的颁布，对环境保护提出了更加严格的要求，国家将实施 主要污染物排放总量控制制度，继续把化学需氧量、SO2 排放量作为约束性指标，同时把氮氧化物和氨氮 列入约束性指标，指标的减排幅度是 8 %10 %。新规划进一步明确了“十二五”期间要坚持源头预防， 综合推进，强化结构减排，落实工程减排，完善监管 减排，推行清洁生产，降低产污强度，促进经济发展 方式转变。这充分说明我国的排放标准在未来几年将 更 为 严格。各地主管部门也相继提高了 SO2 的排 污 费 征 收 标 准 ，由 2009 年 的 0.95 元/kg 提 至 目 前 的1.26 元/kg，这 将 使 大 多 数 煤 矸 石 烧 结 砖 厂 面 临 烟 气 治理的严峻问题。1砖瓦行业烟气排放及治理的特点烟 气 成 分 复 杂 ，废 气 中 以 无 机 污 染 物 为 主 。 制 砖用的原料煤矸石中不同程度地含有硫、氟等，在焙烧 过程中可逸出有害气体 SO2、HF、NOX、CO、HCl 等。 其 主 要 污 染 物 是 SO2 气 体 ，因 此 烟 气 治 理 重 点 是 脱硫。烟气中尘的含量相对较低，一般为 200 mg/Nm3 2012Brick & Tile 16500 mg/Nm3 ，接 近 GB 9078-1996工 业 炉 窑 大 气 污 染物排放标准的要求，在湿法脱硫过程中可以将尘的 含量降低至国家标准以下，不用单设除尘设备。一般大、中型砖厂为 24 条隧道窑，烟气总排放 量大，治理难度大。砖瓦行业的特殊性是产品附加值低、利润低。由 于资金紧张，且环保设备的投资及运行费用较高，故企 业对污染物治理的积极性不高。上述因素，致使环保设备厂对砖瓦行业烟气污染 治理也不够重视，缺乏针对砖瓦行业特性的投资少、运 行费用低的烟气治理设施。成硫酸铵。该技术的主要优点是脱硫剂利用率高和脱硫效率高，且可以生产副产品。主要缺点是生产 成本高、易腐蚀、净化后尾气中含有气溶胶、氨挥发 使得吸收剂的消耗量增加、产生二次污染等问题。2.3 钠碱法喷淋脱硫技术该处理工艺采用 NaOH 作吸收剂，吸收 SO2 形成 Na2SO3 ，对烟气进行脱硫除尘，使之达标排放。该技术具有高吸收效率、液气比低、其吸收液无结垢堵塞的风险、运行稳定、投资低等优点；其主要缺点是治 理过程需用 NaOH 作吸收剂，生产成本昂贵，仅适用 于 处 理 烟 气 量 在 6000 Nm3/h60 000 Nm3/h，初 始 烟气中 SO2 浓度1 500 mg/Nm3 的工况。一般含硫量大 于 1 %的煤矸石烧结砖厂不宜采用此方式进行烟气脱硫处理。2国内外 SO2 污染物控制技术SO2 控制技术总共达 200 余种，归纳起来可分为三大类：燃烧前脱硫，如洗煤、微生物脱硫；燃烧中脱硫，如工业型煤固硫、炉内喷钙；燃烧后脱硫，即烟气 脱硫（FGD）。FGD 法是世界上唯一大规模商业化的脱硫技术,主要是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中的 SO2 ，并使 其转化为较稳定的硫化合物。FGD 技术种类繁多，但是真正工业化的只有十几种。FGD 技术按脱硫后产 物的含水量大小可分为湿法、半干法和干法；按脱硫 剂是否再生分为再生法和不可再生法；按脱硫产物是 否回收分为回收法和抛弃法。其中湿法脱硫技术应 用约占整个工业化脱硫装置的 85%左右，主要有以下 几种。2.1 湿法石灰石/石灰烟气脱硫技术该技术是利用成本低廉的石灰石或石灰作为吸收剂吸收烟气中的 SO2 ，是一种低成本、高效率的脱硫 方法。但石灰（石灰石）难溶于水，与 SO2 反应过程较慢，在脱硫中需要极大的持液量，当要求达到 90 %以上的脱硫效率时，其液气比至少需达到 8 以上，导致 增加设备成本和消耗大量的能源，不适合砖瓦行业使 用。由于常规的石灰（石灰石）法投资及设备维护费 一般厂家无法接收，故我国的中小型锅炉及窑炉采用 的都是简易石灰法，即省去了常规石灰法中的很大一 部分设备。这样的石灰法脱硫效率会下降，一般在70 %左右，另外更易出现设备结垢、堵塞现象，影响了 设备的正常运行。2.2 氨法烟气脱硫技术该技术采用氨作为 SO2 的吸收剂，氨与 SO2 反应 生成亚硫酸铵和硫酸铵，随着亚硫酸氢铵比例的增加 ，需 补 充 氨 ，而 亚 硫 酸 铵 会 从 脱 硫 系 统 中 结 晶 出 来。在有氧气存在的情况下还可能发生氧化反应生2.4双碱法（NaOH+Ca(OH)2）脱硫技术为了克服石灰/石灰石技术容易结垢和堵塞及氨法 、钠 碱 法 生 产 成 本 昂 贵 的 缺 点 ，发 展 了 双 碱 法（NaOH+Ca(OH)2）脱硫技术。该技术直接参与吸收塔 内脱硫反应的是溶解度高、反应速度快的 NaOH，其生成 物 Na2SO3 和 NaHSO3 又 通 过 苛 化 反 应 ，再 生 成 了 NaOH。因此最终消耗的是廉价的石灰。该处理技术具有以下优点：用 NaOH 脱硫，循环水基本上是 NaOH 的水溶液， 在循环过程中对水泵、管道、设备均无腐蚀与堵塞现 象，便于设备运行与保养；吸收剂的再生和脱硫渣的沉淀发生在塔外，这样 避免了塔内堵塞和磨损，提高了运行的可靠性，降低了 操作费用；钠基吸收液吸收 SO2 速度快，故可用较小的液气 比，达到较高的脱硫效率，一般在 85 %以上；适用性广，对高浓度 SO2 及大排量的烟气也有较 好的治理效果；对脱硫除尘一体化技术而言，可提高石灰的利用 率。该法的主要缺点是循环沉淀池占地面积大，投资 费用较钠碱法高。2.5几种典型湿法脱硫技术特点的对比几种典型湿法脱硫技术特点对比表，见表 1。3工程实例以某二类区煤矸石烧结砖厂为例，分析了该生产 线隧道窑焙烧生产过程中产生的烟气对周围大气环 境造成的污染程度，并详细论述了所采取的有效治理 方案。 2012Brick & Tile 17技 术 交 流2012 年第 4 期表 1 几种典型湿法脱硫技术特点对比脱硫方法脱硫效率液气比能耗脱硫投资费设备占地面积脱硫成本运行状态脱硫产物简易石灰法氨法 钠碱法 双碱法75%90%90%85%3112很大较小 较小 较小较低高 低 较高大较大 小 较大低高 高 较低易堵赛良好 良好 良好易处理难处理 较难处理 易处理3.1 项目概况3.1.1 生产规模年产 12 000 万块（折普通砖）煤矸石烧结空心（多 孔）砖生产线。3.1.2原料消耗及化学成分、原料成分分析 生产线原料为混合煤矸石。其中：从原煤洗选过程中排出的洗矸占 25 %，矸石山上经过自燃后的过火 矸占 75 %，年消耗煤矸石混合料 243 408 t，其中洗矸60 852 t，过火矸 182 556 t。根据原料成分分析，洗矸含 硫量为 1.15 %、发热量为 3 380.25 kJ/kg，过火矸含硫量 为 0.7 %、发热量为 1 362.12 kJ/kg。原料的化学成分分 析见表 2。表 2 原料化学成分分析表/%3.2污染源从生产过程可知，该厂在运行时一般污染源有粉尘、固体废物及噪声。主要污染源来自于隧道窑焙烧过程中的废烟气。3.3 污染源治理方案3.3.1一般污染源治理方案 原料破碎工段产生的粉尘可以通过袋式收尘器处理，其除尘效率97 %；收集下的粉尘，切条、切坯工 序产生的废泥条，干燥焙烧工段产生的废砖等固体废 物均可回收利用作为制砖的原料；破碎机、搅拌机、空 压机、真空泵、风机等设备运行时产生的机械噪声，可 以通过在设备基础底座安装减振垫、加装隔声罩、安 装消声器等措施降低其对厂界噪声的影响。3.3.2 主要污染源治理方案隧道窑烟气污染物排放量 该生产线为全内燃焙烧，利用煤矸石原料自身的热值即可满足生产过程中所需的热耗，不需添加其他燃料，产生的污染物主要是 SO2、烟尘。由煤矸石原料的消 耗量，洗矸、过火矸的含硫量，洗矸、过火矸的可燃硫分别按 80 %和 20 %计，隧道窑的烟气量为 112 000 Nm3/h，可 估算隧道窑 SO2 的产生量和排放浓度，估算结果见 表 3。原料名称烧失量 SiO Al O Fe O CaO MgO SO K O Na O TiO22 32 33222洗矸 18.78 58.41 13.04 5.12 0.52 0.63 0.15 1.35 0.38 0.85过火矸 14.80 54.58 14.81 10.23 1.20 1.11 0.058 1.26 0.62 0.763.1.3生产工艺过程该生产线原料制备采用二级破粉碎加过筛处理 及侧式陈化库工艺；成型采用硬塑挤出成型、机械自 动化码坯工艺；干燥、焙烧采用全内燃、双通道隧道干 燥室、大断面隧道窑一次码烧生产工艺。表 3隧道窑烟气中 SO2 产生状况原料名称原料量/t/a烟气量/Nm3/h烟气出口温度/SO2 排放量SO2 浓度/mg/Nm3排放标准/mg/Nm3t/at/dkg/h洗矸过火矸 合计608521825562434081119.7511.21630.93.391.554.94141.3864.55205.92112000801201839850隧道窑烟气中烟尘产生量见表 4。 表 4 隧道窑烟气中烟尘的产生状况 隧道窑烟气治理措施经过多方调研、咨询、对比，结合砖瓦行业的特殊性，要求环保设备投资及运行费用较低，运行稳定， 并获得较高的脱硫率等，该厂决定采用双碱法脱硫 技术处理隧道窑焙烧过程中排放的不达标废烟气。.1双碱法烟气处理工艺流程。 双碱法烟气处理工艺流程，见图 1。.2烟气处理工艺过程简述a.烟气二步脱硫、除尘及二次脱水过程排放量浓度mg/Nm排放标准3t/at/dkg/hmg/Nm3kg/h4691.4259.25002003.5由以上表 3，表 4 可见，隧道窑焙烧过程排放的废烟气中 SO2 的指标严重超标，烟尘的指标也超标准， 必须选用高效治理设施对其进行治理，实现达标排放。 2012Brick & Tile 182012 年第 4 期技 术 交 流从脱硫塔排出的酸性洗涤液在排水灰沟自动与碱液搅拌罐流出的石灰乳混合，在流动过程中发生复分 解反应，生成半水亚硫酸钙沉淀和氢氧化钠。洗涤液再生反应:2NaHSO3+C（OH）2=Na2SO3+CaSO3 1/2H2O+3/2H2O Na2SO3+Ca(OH)2+1/2H2O = 2NaOH+CaSO31/2H2O Na2HSO3+Ca(OH)2 = 1/2H2O+CaSO31/2H2O+NaOH同时在排水灰沟中布设曝气装置，氧化风机将压缩空气送入排水灰沟，使得洗涤液中生成的半水亚硫 酸钙氧化为半水硫酸钙，氧化反应如下：CaSO3 1/2H2O+1/2O2 = CaSO4 1/2H2O 洗涤液中再生得到的 NaOH 可重复使用，需要说明的是因为烟气中有大量氧气且温度较高，而 SO2 浓 度较低，因此副反应会较多，正常运行时需要补充一定量的 NaOH 维持其浓度，保证洗涤液在进入离心泵前pH 值为 78。 c.半水硫酸钙（脱硫石膏）回收 含半水硫酸钙和灰渣的洗涤液在循环沉淀池沉淀下来，最后通过人工清理，半水硫酸钙可作为建材原料 回收，灰渣清理后外运。循环沉淀池需要有足够的面 积，否则洗涤液的径流速度过快，造成沉淀物随泵的运 转进入设备，容易产生积垢堵塞现象。 隧道窑烟气治理参数图 1 双碱法烟气处理工艺流程为使 SO2 的吸收溶解最大化，从隧道窑排出的高 温烟气首先进入降温喷淋洗涤器，由喷淋洗涤液对烟气进行降温处理。降温喷淋洗涤器内部布置 25 个螺 旋不堵塞喷嘴，洗涤液通过喷嘴形成 2 mm4 mm 直 径的小液滴，成 120的实心锥形运动轨迹喷射，小液 滴充满洗涤段内部空间，烟气中的烟尘颗粒被大量的小水滴碰撞捕获，同时吸收、溶解部分 SO2 ，完成一步 脱硫、除尘。从降温喷淋洗涤器出来的烟气夹带着洗涤液进入 高效洗涤器后，由于气、固、液三相混合物不断改变运动的速度和方向，形成湍流状态，洗涤液对 SO2 和烟尘颗 粒进一步洗涤净化，并将烟气中小于 10m 的尘粒进行捕获净化，据设备厂家提供的资料，经过二步脱硫除尘 后，脱硫效率可达 85 %以上，除尘效率可高达 98%以 上。SO2 吸收反应原理： SO2 + H2O = H2SO3H2SO3 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O H2SO3 + Na2SO3 = 2NaHSO3当气、固、液三相混合物进入排污脱水箱后，由于惯性力和重力作用使绝大多数洗涤液从烟气中分离出 来，随后烟气经脱水箱中的脱水板进行一次脱水，最后 由高效脱水器第二次脱水，使烟气中绝大多数液、固态 物质得以分离出去，从而达到烟气高效率净化的目的， 净化后的烟气经过增压风机进入烟囱达标排放。b.洗涤液制备、循环过程3生产线小时烟气处理量：112 000 Nm /h；洗矸含硫量：1.15 %； 过火矸含硫量：0.7 %； 脱硫效率：85 % 95 %； 除尘效率：98 %； 液气比：2 L/G； 烟气含湿量：8 %；烟气进口温度：80 120 ； 烟气出口温度：60 ； 设备阻力：1 000 Pa1 200 Pa。烟气治理效果 烟气治理前后污染物排放状况，见表 5。表 5烟气治理前后污染物排放状况排放量 t/d排放浓度 mg/Nm3 排放标准污染源 污染物治理前 治理后 治理前 治理后 mg/Nm3隧道窑SO21630.9244.61839275.7850 烟气 烟尘 444 8.88 500 10 200 4经济技术指标分析4.1经济效益分析a.运行费用，见表 6。 2012Brick & Tile 19技 术 交 流2012 年第 4 期表 6 运行费用的条件，具有良好的环保效益和社会效益。5 结语双碱法脱硫、除尘技术和设备是可靠的，也是可行 的，该系统设备正常使用寿命达 20 年以上。对高浓度SO2 及大排量的烟气也有较好的治理效果，脱硫效率在85 %以上。年可减少 SO2排放 1 386.27 t。按目前排污费 收费标准 1260 元/t，年节省支出 174.67 万元，经济效益尚可，随着国家环保力度的加大，该项效益会更加突出。 若当地有工业废碱，一方面可解决碱性废液的排放问题；另一方面减少本系统的运行费用。 总之，煤矸石烧结砖的生产解决了矸石山占地、污染环境的问题，在变废为宝，解决禁粘后新型墙材接替 使用的同时，也对职工身体健康、生态环境、生产设备 及厂房的使用寿命等带来了一定的负面影响，但只要 在政府相关部门的重视和支持下，坚持在砖瓦行业推 广烟气脱硫除尘技术，就可将煤矸石砖生产过程中SO2 对职工身体健康、设备损坏、环境污染的危害降到 最低。同时也希望环保设备厂家不断创新、研发出更适合砖瓦行业特性的投资省、运行稳定、运行成本低的 高性价比烟气治理设备，使脱硫技术在砖瓦行业得到 广泛应用，共同减轻环境污染，促进行业发展。收稿日期：2012-03-06名称单价小时耗量小时费用备 注石灰烧碱200 元/t2000 元/t0.5 元/kWh0.5 元/t1500 元/月人180 kg6.3 kg20 kWh3 t2 人/班36 元12.6 元10 元1.5 元12.5 元脱硫剂电耗水耗 人工 运行费用 可脱除的 SO72.6 元/h0.175 t/h415 元/（t SO2）221 元/h2脱硫单位成本节省的排污收费注：SO2 排污费收取标准：1260 元/tb.经济效益分析 隧道窑烟气脱硫系统满负荷运行时，每小时脱硫量为 0.175 t，运行费用 72.6 元/h，免交排污费 221 元/h。4.2 环境效益分析该厂隧道窑废烟气治理项目的实施，可使烟气中SO2、烟尘排放量大幅降低，每年减少 SO2 排放 1 386.27 t， 烟尘排放 435.12