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      煤矸石燒結磚窯煙氣處理技術研究及展望

      2020-07-08 09:46:02李祖良
      中國科技縱橫 2020年6期
      關鍵詞:石灰石煙氣

      李祖良

      摘 要:本文簡要分析了煤矸石燒結磚窯及其煙氣的特點,并據(jù)此對《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標準》進行了解讀。介紹了干法、濕法脫硫工藝以及除塵工藝的技術特點,結合煤矸石磚窯煙氣特點,對工藝進行了簡要分析,提出了工藝選擇建議——石灰石-石膏濕法脫硫聯(lián)合濕電除塵工藝,并有針對性地調整工藝細節(jié),更好地適應煤矸石磚窯煙氣。為煤矸石磚廠合理選擇煙氣處理工藝及設備提供參考。

      關鍵詞:煤矸石磚窯;煙氣;石灰石-石膏濕法;濕電除塵

      中圖分類號:TU522 文獻標識碼:A 文章編號:1671-2064(2020)06-0154-02

      0引言

      煤炭是我國主要的能源資源,在我國能源消費占比高達70%。大量煤炭被開采消費,而隨煤炭被開采出來的煤矸石卻因不足30%的利用率被堆積起來,積存高達數(shù)十億噸,煤矸石山成為了煤礦的標配。煤矸石在堆積過程中,因風化揚塵、雨水淋洗、氧化分解等問題,對大氣、水體、土壤等都有嚴重的污染,同時也是巨大的安全隱患[1]。

      為解決煤矸石問題,我國多年來一直倡導、鼓勵煤矸石制磚行業(yè)的發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示,中國約有8萬座磚窯,年產(chǎn)磚量高達3400億塊,占全世界產(chǎn)量的44%以上[2]。粘土實心磚被禁止使用后,煤矸石磚廠的數(shù)量迅速上升,占據(jù)了相當可觀的市場份額。煤矸石制磚已經(jīng)成為我國煤矸石的重要消耗途徑。

      煤矸石磚廠煙氣因污染物濃度較低,過去很少受到重視,悄悄地污染著環(huán)境。近年來,隨著環(huán)保要求日益嚴格,磚瓦窯爐煙氣也受到了廣泛關注。相較于粘土磚,煤矸石磚生產(chǎn)過程中耗能少、節(jié)約粘土,具有非常好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。因此,解決煤矸石磚廠的煙氣污染問題,不僅是維護了企業(yè)效益,更是在多方面維護了社會效益[3]。

      1煤矸石燒結磚窯煙氣的特點

      為充分利用能源,我國大部分煤矸石燒結磚廠都從焙燒窯窯尾抽取余熱,對磚坯進行干燥。此過程中漏風、風機選型等問題,導致煙氣過量系過高,達到了10以上,致使折算系數(shù)很大,對污染物的檢測值影響很大,導致其波動大、穩(wěn)定性差[4]。

      煙氣經(jīng)干燥窯后,因被空氣稀釋及濕磚坯中的水分吸熱蒸發(fā),煙氣溫度降到40-50℃,并攜帶接近飽和的水分。低煙溫降低了脫硫反應的效率,同時對煙道及脫硫設備具有較大的腐蝕性,是磚廠煙氣處理的難點之一。

      煤矸石中含有約5%的CaO,具有一定的脫硫能力。數(shù)據(jù)顯示,1000℃焙燒的煤矸石固硫率在41%左右。而煙氣經(jīng)過干燥窯時,與濕磚坯也發(fā)生反應,進一步降低了煙氣中的SO2。因此,煤矸石磚廠煙氣的硫含量一般不高,但因氧含量過高,煤矸石磚廠脫硫壓力依然很大。

      磚窯的煙氣中顆粒物含量一般較低,看似易于達標,但因氧含量過高,顆粒物實際已經(jīng)成為磚瓦行業(yè)煙氣處理中最大的難點。

      煤矸石燒結磚的焙燒溫度在1000℃左右,遠低于氮氧化物生成需要的1400℃,因此煙氣中氮氧化物一般較少。此外,煙氣還有少量的氟化物,一般通過脫硫工藝去除,不做單獨處理。

      2磚瓦行業(yè)排放標準的解讀

      2013年,中國環(huán)保部發(fā)布了《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標準》(GB29620-2013),標準要求,2016年7月1日后現(xiàn)行企業(yè),人工干燥及焙燒窯的煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別在基準過量空氣系數(shù)為1.7(基準含氧量8.6%)的條件下不高于30mg/m3、300mg/m3、200mg/m3。該標準被稱為史上大氣污染物排放標準。

      相較于歐美以及日韓等發(fā)達國家,該標準不僅限值更低,而且基準含氧量更是僅有發(fā)達國家的50%左右。實際氧情況下,我國的磚瓦窯爐排放限值僅為歐美發(fā)達國家的15-25%,史上最嚴大氣污染物排放標準名不虛傳。

      該標準的排放限制折算成含氧量18%的條件后,分別為7.1mg/m3、71.4mg/m3、47.6mg/m3,這與電廠的超低排放標準已經(jīng)非常接近。因此,簡單的煙氣處理工藝很難滿足磚廠的需求,必須要配備完善的脫硫除塵系統(tǒng)。

      3煙氣脫硫工藝

      3.1干法煙氣脫硫

      干法煙氣脫硫工藝是指利用固態(tài)吸收劑去除煙氣中二氧化硫等酸性氣體,脫硫反應和產(chǎn)物處理均在干燥狀態(tài)下進行的工藝。干法脫硫工藝一般具有投資少、占地面積小、過程無白煙、無污水等優(yōu)點。近年來,迫于煙氣消白的壓力,越來越多的企業(yè)優(yōu)先選擇干法脫硫工藝。其中SDS干法脫硫工藝和觸媒陶瓷管脫硫除塵脫硝一體化技術因其超過90%的脫硫效率受到廣泛關注。

      SDS干法脫硫工藝以碳酸氫鈉為脫硫劑,脫硫劑在150-250℃的高溫煙氣作用下分解出高比表面積的活性Na2CO3,與煙道內(nèi)煙氣中的SO2充分接觸發(fā)生反應,脫硫后的顆粒產(chǎn)物隨煙氣進入袋式除塵器進行除塵凈化。該工藝脫硫效率高、除塵效率好,但是對煙氣溫度要求高,無法應用于磚瓦行業(yè)。而觸媒陶瓷管脫硫除塵脫硝一體化技術需要更高的反應溫度,同樣無法應用。爐內(nèi)噴鈣法、荷電干式噴射脫硫法等傳統(tǒng)的干法脫硫技術,由于脫硫效率較低,同樣不適合磚瓦行業(yè)。

      3.2濕法脫硫

      濕法煙氣脫硫工藝是指使用液態(tài)吸收劑去除煙氣中二氧化硫等酸性氣體,脫硫反應和產(chǎn)物處理均在濕狀態(tài)進行的工藝,主要有鈉堿法、雙堿法、以及石灰石-石膏濕法等,具有反應速度快、脫硫效率高等優(yōu)點。

      3.2.1鈉堿法

      鈉堿法以氫氧化鈉直接作為脫硫劑,氫氧化鈉溶液通過噴淋霧化與煙氣中的酸性氣體充分接觸反應,實現(xiàn)脫硫脫酸。堿法脫硫速度快、效率高,具有脫硫設備少、占地面積小,漿液不結垢等特點。但由于氫氧化鈉耗量大,價格昂貴,鈉堿法僅適用于低煙氣量、人工控制脫硫為主的情況下,無法應對磚廠的煙氣量。

      3.2.2雙堿法

      在鈉堿法的基礎上,利用石灰石或熟石灰與Na2SO3的反應將NaOH還原再生,即雙堿法。雙堿法運行過程中,氫氧化鈉循環(huán)使用,實際消耗的是鈣堿,大大降低了脫硫劑的成本。雙堿法的脫硫效率高,成本相對較低。但是反應過程中,副產(chǎn)物硫酸鈉較難再生,依然需要向系統(tǒng)中不斷補充鈉堿[5]。

      由于石膏和硫酸鈉的累積,漿液循環(huán)池需定期外排漿液,雙堿法系統(tǒng)一般不配備排膏系統(tǒng),需進行人工處理,影響脫硫系統(tǒng)持續(xù)運行。雙堿法脫硫系統(tǒng)的自動化程度低,人工補充氫氧化鈉和熟石灰,系統(tǒng)穩(wěn)定性差,設備管道易堵塞,脫硫效果波動大,不能滿足在線連續(xù)監(jiān)測的要求。雙堿法對企業(yè)管理和工人專業(yè)能力要求高,一般磚瓦企業(yè)難以滿足。

      3.2.3石灰石-石膏濕法

      石灰石-石膏濕法脫硫工藝是目前應用最廣泛的脫硫工藝,占全世界已建固定污染源脫硫系統(tǒng)的90%以上。在目前煤炭資源消費及排放標準的形式下,石灰石-石膏濕法脫硫工藝依舊是最具有市場的脫硫工藝[6]。

      石灰石漿液通過循環(huán)泵從吸收塔塔釜送至塔內(nèi)噴淋系統(tǒng),霧化逆流與煙氣接觸,脫除煙氣中的SO2,通過向塔釜漿液中鼓入空氣將亞硫酸鈣氧化成硫酸鈣。

      石灰石-石膏濕法脫硫過程中化學反應主要發(fā)生在SO2和石灰石之間,脫硫產(chǎn)物為CaSO4和CO2:

      CaCO3+SO2+1/2O2→CaSO4+CO2

      該系統(tǒng)自動化程度高,人工操作難度低,能夠穩(wěn)定可靠地運行達標,時間可利用率高達95%以上,符合當下在線連續(xù)監(jiān)測的要求。石灰石-石膏濕法主要的問題是脫硫石膏較難妥善處理。

      崔林研究證明,煤矸石磚原料中加入1.2%的脫硫石膏,所得燒結磚各項指標均符合標準[7]。在煤矸石燒結磚生產(chǎn)窯爐脫硫工藝中,將脫硫石膏作為制磚原料,可完成副產(chǎn)物的自我消化,實現(xiàn)零外排。因此,石灰石-石膏濕法脫硫工藝較適合煤矸石燒結磚窯煙氣的脫硫處理。

      4煙氣除塵工藝

      煤矸石燒結磚窯煙氣中的含塵量不高,經(jīng)過濕法脫硫,粉塵基本被截留在脫硫漿液中。但是煙氣仍夾雜著以水分中的粉塵及硫酸鹽為主的二次顆粒物。因此,煤矸石燒結磚窯煙氣的除塵工藝需設置在脫硫塔后。常見的除塵工藝主要有機械除塵器、袋式除塵器以及電除塵器。

      機械除塵器是通過機械力進行除塵的,對大顆粒粉塵具有較好的捕捉性能,對細小粉塵的捕捉能力不強,除塵效率不高。

      袋式除塵器利用多孔濾料去除粉塵,除塵效率非常高,適合去除細小粉塵。但是對煙氣中的水分較為敏感,磚廠高濕度煙氣會導致濾料上粉塵板結,影響除塵效率。

      靜電除塵器通過高壓電暈使煙氣中的顆粒物荷電,利用電場力將顆粒物吸附在陽極板上,實現(xiàn)煙氣除塵。除塵效率可達99%以上,阻力小,煙氣適應性強。其中,濕電除塵器能夠適應高濕度煙氣,能夠去除水滴、氣溶膠等細微顆粒。

      綜上所述,相比機械除塵器和袋式除塵器,濕式靜電除塵器更適合濕法脫硫塔出口這種濕度大、顆粒細小的煙氣。

      5總結與展望

      煤矸石燒結磚窯的生產(chǎn),對處理煤矸石具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。因此,建設可靠的煙氣處理系統(tǒng)保證其正常運行,具有深遠的意義。

      根據(jù)《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標準》要求,一般煤矸石磚窯的煙氣中氮氧化物已達標,無需處理。而脫硫和除塵效率則需達到85%左右,甚至更高。

      石灰石-石膏濕法工藝脫硫效率高、脫硫副產(chǎn)物可內(nèi)部消化、系統(tǒng)自動化水平高、人工操作難度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性高以及時間可利用率高。相比干法脫硫、鈉堿法及雙堿法,更適合當下煤矸石磚廠煙氣在線連續(xù)監(jiān)測的需求。

      鑒于磚廠煙氣除塵效率要求比較高,煙氣處理系統(tǒng)除設置必要的脫硫系統(tǒng)外,適合的除塵系統(tǒng)也必不可少。針對濕法脫硫系統(tǒng)出口的煙氣溫度較低、濕度大的特點,濕電除塵工藝較適合煤矸石磚廠。因此,石灰石-石膏濕法脫硫工藝聯(lián)合濕電除塵工藝是較為適合煤矸石燒結磚廠的煙氣處理工藝。

      煤矸石燒結磚窯煙氣中污染物含量都比較低,但是因其氧含量過高,導致需要非常高的脫除效率。因此,煤矸石磚廠處理煙氣的首要重點應是加強管理,減少漏風,降低煙氣中氧含量,必要時可以改進制磚工藝。

      參考文獻

      [1] Hu ZQ.Pollution generation,migration and in situ control measures on coal refuses[J].Procedia Earth and Planetary Science,2009(1):1-5.

      [2] Chen YC.Stack and fugitive emissions of major air pollutants from typical brick kilns in China[J].Environmental Pollution,2017(MAY):421-429.

      [3] 鄧一兵.煤矸石的綜合利用-制磚[J].能源與環(huán)境,2009(3):121-122.

      [4] 邵三虎.燒結磚廠煙氣凈化處理[J].磚瓦世界,2015(2):32-37+41.

      [5] 陳榮生,陳蕾.燒結磚煙氣凈化工藝的認識[J].磚瓦,2016(11):36-41.

      [6] Iztok.Technology Optimization of Wet Flue Gas Desulfurization Process[J].Chem.Eng.Technol,2007(2):220-233.

      [7] 崔琳.脫硫產(chǎn)物的特性及綜合利用研究[D].濟南:山東大學,2005.

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