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砖瓦隧道窑除尘难以达标的原因分析及达标应采取的应对措施

添加时间:2019-03-15 10:47:57   浏览次数: 次    【 】   打印   关闭窗口

文献:《砖 家》 2016年10月 总第26期  文章来源:西安市窑炉设备研究所   作者:邵三虎

GB29620-2013《砖瓦工业大气污染物排放标准》从2016年的7月1日起,开始实施表2 的限值。同时,国家在环保上加强了管理力度,很多地区对砖瓦企业要求必须严格执行标准。不能达标排放的企业就必须停产。现在许多砖瓦企业虽然都已经安装了湿式脱硫除尘装置,但基本都做不到达标排放。所以今年因环保不达标被迫停产的企业不少。本文对砖瓦企业隧道窑难以达标的原因作一些粗浅的分析,并提出一些可以达标的技术方案,供同行们探讨。

1、烟气中氧含量对检测结果的影响:

环境监测部门在砖厂检测时,需要检测烟气中的氧含量。氧含量的检测,是为了防止稀释排放的一种监测手段。因为燃料煤的燃烧,实际上是一个剧烈的氧化过程,空气在参与燃烧以后,理论上空气中的氧气会完全消耗掉。所以,如果检测出的氧含量高,说明烟气中掺入的干净空气多了。为了能够准确地反映烟气的实际净化情况,需要把这部分干净空气从检测结果中剔除。氧含量的检测和折算系数的设定就是为了排除稀释空气对烟气检测结果的影响而设置的。

理论上讲,窑炉内污染物的总量是燃料煤在燃烧后产生的以及原材料中的某些成分在经历物理化学反应后释放出来的,和掺入的过量空气没有关系。氧含量的检测和折算只是真实地反映了烟气的实际污染情况。只是剔除了稀释空气对检测结果的干扰和影响。折算后所得的结果是烟气污染的实际情况。如果掺入的过量空气多了(即氧含量高了),污染物的实测值会减小,掺入的过量空气少了(即氧含量低了),污染物的实测值就会变大。因为这部分污染物的总值是固定的,无论是氧含量高还是氧含量低,它折算后的最后结果应该是基本一致的。

所以,氧含量的检测及折算系数的确定,对由燃料煤燃烧以及坯体原材料物理化学反应所产生的污染物,会排除稀释空气的影响,得到一个准确的污染物数值。但由于砖瓦窑炉本身运转时过量空气系数大,氧含量高的特殊性,致使折算系数很大。对烟气中的那些不是由于燃料煤产生污染物,会把检测数值放大,使得部分污染物的检测数值受到影响。例如颗粒物和氟化物。

烟气中氧含量对检测结果的影响:1)、对完全由燃料煤产生的污染物影响较小或几乎没有影响,例如SO2,NOx。稀释空气的掺入对实测结果的影响不大。2)、对不完全是由燃料煤燃烧形成的污染物,例如颗粒物和氟化物,有较大的影响。

目前看,对烟尘颗粒物的影响最大。原因是烟气中的颗粒物不完全是由燃料煤燃烧产生的,砖瓦窑炉中还有其他原因也会产生颗粒物污染。这些污染物和燃料煤燃烧所形成的烟尘颗粒物一并被作为烟气的颗粒物被氧含量折算放大了。其次是氟化物,目前环保部门大多没有把它列为主要监测物,所以目前得到的实测数据较少。但可以肯定的是,氟化物不仅燃料煤中有,某些地区的黏土、页岩原料中及地下水中还含有较高的氟化物。还有一些地区是高氟水区,例如陕西关中的北部地区就是高氟水区。这些地区烟气中所检出的氟化物不仅含有燃料煤产生的氟化物,还有黏土原料产生的氟化物,这些地区的砖瓦窑炉氟化物如果进行氟化物检测肯定是超标的。

2、隧道窑所排烟气中为什么颗粒物难以达标:

难以达标的原因:1)、砖厂的脱硫除尘设备简陋,不能达到升级后的标准要求;2)、砖瓦窑炉中,颗粒物的污染源不仅仅是燃料煤,还有烧成过程及干燥过程都会产生新的颗粒物;3)这些非燃料煤产生的污染物被折算系数放大了。

1)、砖瓦企业因在烟气净化这个问题上处于刚刚起步阶段,加之整个行业对环保问题重视不足,导致砖厂的脱硫除尘设备大都比较简陋,配套不足,难以满足新标准的要求。

目前大多数砖厂安装的都是一个单级的湿法脱硫除尘装置,比较简陋。如果与电力行业或锅炉行业来比较的话,可以说是非常简陋。虽然说湿法脱硫除尘器兼有除尘、脱硫及脱氟三大功能,但应该指出的是,湿式脱硫除尘装置的除尘效果是有选择性的。对于粉碎设备等产生的粉尘,除尘效率较高,而对于燃料煤燃烧后产生的烟尘颗粒物,其除尘效率较低。据电厂及锅炉行业的研究结果,水膜除尘对于烟尘的脱除效率仅为50%左右,且对微米级的烟尘细颗粒物的脱除效率还不足20%。(参考文献1,2)。锅炉行业的烟气排放标准,颗粒物的限值是50mg/m3,基准氧含量是9%,比砖瓦行业的颗粒物限值30mg/m3,以及基准氧含量8.65%都要松一些。即使这样,锅炉行业仅使用湿法脱硫除尘一级尚不能满足达标的要求。那么砖瓦行业中仅用一级简陋的湿法除尘脱硫器如何能够达到目前的高标准呢?北方取暖区的同仁们都能看得到,冬季取暖用的燃煤锅炉大都采用的是一级布袋除尘和一级湿法脱硫的标准配置。电厂锅炉以及热力站锅炉的烟气处理系统则更为复杂。电力行业现在已经提出超净化排放和零排放的概念。为了消除烟气中的烟尘颗粒物,除了布袋除尘器,还有高压静电除尘器,电袋复合除尘器,湿式电收尘器等多种收尘手段及设备。当然还必须配有脱硝系统等。所以,砖瓦企业不要指望只用一台简易的湿式除尘脱硫器就能达到现行标准的要求,必须有提高脱硫尤其是除尘水平的打算,增加烟气净化系统的投资预算。2013年9月,砖瓦排放标准发布时,环保部新闻发言人就曾提出,砖瓦企业的环保投资应占到砖厂总投资的12%左右(参考文献3),而现在砖瓦企业中,有几个在环保方面的投资能达到总投资的12%呢?

2)、砖瓦企业中颗粒物污染源不仅是由燃料煤燃烧后产生的

因为砖瓦窑炉是以煤及煤矸石等为主要燃料的,所以标准中所列的污染物数值是以燃料煤燃烧后产生的污染物制定的。有很多砖瓦行业内的人士认为,烧结砖大多数采用内掺燃料的形式,燃料煤燃烧后的灰分及灰渣被红砖固定下来了,基本不会产生烟尘颗粒物。即使有一些颗粒物,也会在干燥室中被干燥过程中的砖坯所吸收。所以在烟气处理中,基本上都是以脱硫为主,认为颗粒物不会超标。这个认识是有一定道理的。因为内掺燃料的原因,砖瓦企业所排的烟气中,基本见不到未燃烧尽的颗粒物,见不到黑烟。冬季取暖的燃煤锅炉,烟气如果处理不好,附近会见到漂散的黑灰,或是未燃烧尽的黑色煤渣。而在砖瓦厂所排的烟气是见不到这种污染物的。这个认知有一定道理,但是不全面。对于燃料煤中的挥发分在燃烧中产生的细微颗粒物及气溶胶颗粒物是砖坯固定不了的。而恰好是这种细微颗粒物和气溶胶颗粒物在目前的湿法脱硫除尘系统中的去除效果不佳。

砖瓦窑炉在焙烧过程中,颗粒物的来源不仅是燃料煤燃烧后产生的,制砖原料在焙烧转化在砖的过程中,也会产生颗粒物。这一现象的严重程度因烧结砖原料不同而有很大差异,在有些砖厂的脱硫液沉淀池中可以发现许多红色的砖灰颗粒物沉淀,就是这一现象的证明。

烧结砖瓦隧道窑的颗粒物,来源主要有5个方面,1、燃料煤燃烧后产生的烟尘颗粒物;2、砖坯在烧结成砖的过程中产生的颗粒物,3、窑车,砖坯以及烟道漏风带入的灰尘颗粒物;4、烟气在进入干燥过程中,烟气中的三氧化硫,氮氧化物与砖坯中脱除的水分形成的气溶胶颗粒;5、湿法脱硫除尘过程中,因除雾不尽,随烟气排出的残余水分中所含的烟尘及石膏结晶物(即石膏雨)。这5种颗粒物中,前三种是烧结过程中产生的原始颗粒物,后二种是在干燥和脱硫过程中产生的二次污染物。

3)、生产工艺过程中的二次污染物经折算系数放大而形成超标现象

二次污染物的产生,不是原始烟气产生的,例如湿式脱硫除尘器所排出的石膏雨,它的大小是由湿式脱硫工艺产生的,是决定于工况风量的,这一污染物会被砖瓦窑炉的折算系数放大,而形成超标现象。

石膏雨现象是湿式脱硫除尘器在工作时,会有一部分水分因除雾不净与烟气一同排出,而这部分水分会含有脱硫液中的碱性物质的结晶物(石膏)以及液体中所夹带的被湿式除尘除下来的夹杂在水中的烟尘颗粒物,这些颗粒物的数值与工况风量有关。它们是脱硫过程中和干燥过程中产生的颗粒物,不是燃料煤在燃烧时产生的。因为这些污染物的量是跟工况风量有关的,所以这些颗粒物会被折算系数放大。

电厂锅炉在运行时,一般在烟气排放后的氧含量较低,折算系数仅为一点几倍,很少会出现2倍以上,而砖瓦隧道窑的折算系数甚至可能高达十几倍。那么,同样是由湿式脱硫器产生的二次污染为3mg/m3的话,电厂排烟时,还不会超过超低排放的标准,而砖瓦窑炉的烟气按折算就已经超过30mg/m3的限值了。

3、几种砖厂适用的烟气净化设备的性能特点  投资及运行成本简析。

根据以上分析,目前砖瓦企业应加强烟气净化设备的配置,其重点应放在除尘上。下面介绍几种常见的,比较适合于砖瓦行业选用的除尘设备的性能和特点。

(1)布袋除尘器:是目前国内各行业中应用最广泛的除尘设备。效率高,效果好。可过滤掉烟气中的较大颗粒物,有些材质的布袋还兼有吸附细微颗粒物的功能。通常作为烟气从锅炉中出来后的首道除尘设备。该设备投资相对较小,处理每万M3风量的设备投资约为5万元左右。系统风阻约为1500Pa,略大于砖瓦隧道窑的全部系统风阻。每万M3风量的风机电耗大约为11~15kw。每万M3风量约需布袋160M2,如果使用常用的D130×2450的布袋,每万M3风量约需配置160个布袋。缺点是对潮湿气体的适应性差,如烟气潮湿会造成布袋糊袋,影响使用效果。目前已有一些厂家研制出了不糊袋的湿式除尘布袋,但效果还有待长期运行的验证。

布袋除尘目前在砖瓦轮窑及烟气分离的隧道窑上已经开始应用,把它作为脱硫的前置除尘器,已经取得了较好的效果,但缺点是排烟风机的功率增大的比较多。

(2)高压静电除尘器,特点是吸附性除尘,有利于去除烟气中的细微颗粒。但对烟气温度及所含烟尘的荷电能力有一定的要求,除尘能力在一定程度上受到限制。系统阻力较小,风阻约为300~500Pa,仅为布袋除尘的三分之一到五分之一。风机电耗相比于布袋除尘要小的多,但高压放电要消耗一部分电能。常规的高压静电除尘器投资成本约每万M3风量为7~8万元左右,略高于布袋除尘。运行成本每万M3风量的风机电耗大约为3~5kW.放电消耗大约为5~10kW。每万M3风量的运行成本总电耗基本与布袋除尘器相当。

(3)电袋除尘器:是上面两种除尘器的结合,作用互补。烟气经过高压静电和布袋除尘两级处理,既用静电吸附了细微的颗粒物,又用布袋过滤了较大颗粒的烟尘。是一种具有双重作用的高效除尘设备。每万M3风量的运行成本大约相当于1.5倍的布袋除尘器,总风阻约为1600Pa。但其作用却相当于布袋与高压静电两种除尘器的总和。

(4)水膜除尘器:在砖厂应用时,基本是脱硫除尘一体机,一个湿法脱硫除尘器可达到脱硫除尘双重效果。对较大的颗粒物有较好的除尘效率,去除率可达80%~90%,但对烟尘颗粒物的去除效率大约是50%,对微米级的细微颗粒物去除率仅为20%左右。由于在脱硫液中有石膏等碱性物质的结晶会随未脱尽水分的烟气排出,会造成石膏雨的二次污染。所以仅用湿法脱硫除尘一体机虽可完成除尘和脱硫双重功效,可达到标准中表1的标准限值。但在砖瓦隧道窑中,因二次污染物在检测时会被折算系数放大,难以达到表2的标准限值。设备的总风阻依据各厂生产的内部结构不同,相差很大,一般在800到1600Pa之间,按平均800Pa来计算的话,每万M3风量约需增加风机电耗6kW左右。脱硫液循环因各厂的液气比不同,相差也很大。如果按液气比按1来算,每万风量,约需10立方的水,水循环的动力消耗约为每万风量2KW。

(5)湿式高压静电除尘器,是一种高效的超净化设备,可适用于高湿度,高酸度的烟气除尘,对砖瓦企业的由干燥室排出的湿烟气尤其适合。是目前电力行业超净排放的首选设备。它来源于硫酸生产行业中的硫酸气液分离器。现较广泛地应用于电厂及大型取暖锅炉的超净排放。但投资较大,每万M3风量的的设备投资达10~12万元,系统风阻小,仅为300Pa左右。电力消耗主要是高压放电消耗,每万风量的放电消耗大约为7-8kW.可用于湿式脱硫后的再净化处理。湿式电收尘器已经开始在砖瓦企业应用,也取得了明显的达标效果。但因造价高昂,使许多砖厂老板拿不定主意。

山西砖厂湿式静电除尘器烟气量100000m3/h,设计气速为1m/s。

山西砖厂湿式电除尘器烟气量不大于100000m3/h,设计气速为1m/s。

(6)湍流式管束除尘器,也是目前电力行业应用的一种高效除尘超净排放设备。它的工作原理是湿式净化器的一种累加及延伸应用,据报道其除尘效果较好,但必须是在已经初步净化后的烟气中应用。有除尘除雾双重功能。目前在电力行业已有初步应用,但使用效果有一定的争议,业内专家对它的实际应用有不同看法。

(7)组合式湿式脱硫除尘器,一种新开发的新型湿式除尘脱硫装置,兼有除尘及脱硫功能,其中的除尘效果得到了加强。根据目前测定,对烟尘脱除率达到了80%以上。在满足进口烟尘浓度的条件下,完全可以达到超净排放的效果。但目前使用范围还待进一步确定。

4、适合于砖厂可以达到目前标准的烟气净化方案

下面介绍三种砖瓦企业可达到目前标准的技术方案,并以目前应用较多的3.8m断面,日产30万块砖的两烘两烧隧道窑为例,简单作一个设备投资,运行成本的估算。

1)、窑炉结构及工艺不变,对所排烟气进行超净排放处理

其工艺路线为:从干燥室尾部排出的废气,由风机送入湿式脱硫除尘器,经脱硫及水膜除尘后,再进入湿式高压静电除尘器,进一步脱除烟尘及含尘水雾。最大的特点就是可以吸附烟气中的微米级的细微颗粒物和经过湿式脱硫除尘器后的二次污染物。可以最大化的净化烟气,可作到超净排放。因为从干燥室排出来的废气本身就是高湿气体,而高湿气体有较好的荷电能力,可以提高湿电的除尘效率。这个工艺路线,可以把烟气中的颗粒物的工况含量降到3mg/m3以下,完全可以在窑炉工艺不变的情况下达到现行标准的要求。缺点是投资和运行成本均较高。

对于一个日产30万块砖的3.8m左右断面的两烘两烧隧道窑来说,需处理的风量为28~32万M3/h。湿式除尘脱硫的设备投资约需56万元左右,湿式电收尘器的设备投资约需280万元左右。烟气净化设备的总投资约为350万元左右。运行成本:设备的总风阻大约在1200Pa。风机消耗约需增加160kW.。脱硫成本因和燃料煤的含硫量有关,这里就不作估算了。

2)、窑炉改造:烟热分离。对所排的烟气进行超净排放处理

因砖瓦隧道窑大多采用了利用烟气的残余热量和窑尾的冷却余热来干燥砖坯。使窑尾余热这一部分本不需要进行净化处理的气体掺入烟气去进行处理,增加了烟气的处理投资和烟气处理成本。在对烟气净化处理没有要求和要求不高时,因其热量利用和节能的原因而得到了广泛的应用。而现在环保政策的高压情况下,为了达到超净排放的要求,需对所排的混合烟气进行净化处理。这一作法不再是节能的举措,而是增加了运行成本及投资成本。成为了一笔不划算的买卖。

关于烟热分离,就是在隧道窑上不再使用烟气去干燥砖坯,而是只用余热去干燥砖坯,烟气则直接送入烟气净化系统去进行净化处理。这样作的好处主要有2点,一是烟气处理量可以减小一倍以上,以上节举例的3.8m断面,二烘二烧的隧道窑为例,需进入烟气净化系统的烟气量由28~32万M3减少到14~16万M3。那么同时应用高档的超净处理工艺,脱硫除尘系统的设备投资可以减少一半,即由原需350万左右降到160万左右。风机消耗的增加也由160kW下降到80kW左右;第二个好处是,烟热分离以后,所处理的烟气中没有掺入余热空气,这部分烟气的含氧量将大大下降。折算系数就会变小。同时烘干过程不再有SO3与NOx与水分形成的气溶胶颗粒物,同时对因脱硫液除雾不净形成的二次污染的放大系数也将大大缩小。

3)、窑炉改造,烟热分离,对所排烟气用组合式脱硫除尘器进行净化处理。

由于烟热分离后,烟气的处理量大大降低,氧含量也会大大降低,折算系数变小,对烟气处理的要求也就变得比较相对简单一点了。对一些地区由非煤产生的颗粒物较少的砖瓦企业,窑炉结构上采用了烟热分离的方法之后,对烟气的处理也就要求不那么高了。使用较低造价的组合式脱硫除尘器,也可以作到达标排放。

具体工艺是,从窑里焙烧后的烟气,不再进入干燥室去干燥砖坯,干燥过程完全交给余热空气去完成。焙烧后的纯烟气,直接进入到组合式湿法脱硫除尘器中去完成除尘和脱硫过程。因窑炉改造后,烟气中的含氧量大幅降低,折算系数较小,二次污染物的折算影响也变小了,完全可以做到达标排放。

这种烟气净化系统的造价略高于普通的湿式脱硫除尘器,远低于湿式电收尘器,对于上面所述的3.8m断面的两烘两烧隧道窑来说,其烟气净化系统的造价仅为60万元左右,比使用湿电减少一半还多。其系统风阻略高于湿式脱硫除尘器和湿式电收尘器的组合,但低于布袋除尘器和湿式脱硫除尘器的组合。上述隧道窑的增加风机消耗约为100~120kw。

 

参考文献:

(1)鲍静静,刘杭,潘京,马明雪等,《石灰石-石膏法脱硫烟气PM2.5排放特性》,热力发电,2014.10.

(2)王珲,宋蔷,姚强,陈昌和等,《电厂湿法脱硫系统对烟气中细颗粒物脱除作用的实验研究》,中国工程学报,2008.5

(3)环境保护部科技标准司负责人就《砖瓦工业大气污染物排放标准》(GB29630—2013)发布答记者问 中国环境网 2013.9.17

(4)郭东明 编著《脱硫工程技术与设备》第二版 化学工业出版社


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