劉宇，王紅梅 ，張凡，田剛，鄧雙，王相鳳

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

我國(guó)是世界上主要的能源消費(fèi)大國(guó)，能源消費(fèi)總量連續(xù)七年居世界第一，也是今后能源消費(fèi)增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家之一。2013年我國(guó)煤炭消費(fèi)占一次能源的比例達(dá)66%［1-2］，這種格局在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)將不會(huì)有大的改變，而美國(guó)和日本煤炭消費(fèi)在一次能源中的比例一直維持在25%左右?？梢哉f(shuō)正是由于煤炭的大量使用支撐著我國(guó)10 余年來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，但也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。近年來(lái)我國(guó)大氣污染日趨嚴(yán)重，灰霾天氣處于頻發(fā)態(tài)勢(shì)，且影響范圍大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。2013年全國(guó)平均霾日數(shù)為35.9 天，比上年增加18.3 天，為1961年以來(lái)最多。特別是2013年1月和12月，中東部地區(qū)發(fā)生了2 次較大范圍的區(qū)域性灰霾污染，呈現(xiàn)出污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染程度嚴(yán)重、污染物濃度累積迅速等特點(diǎn)，污染過(guò)程中首要污染物均以PM2.5為主。

我國(guó)政府高度重視大氣污染防治工作，不僅加嚴(yán)了多個(gè)行業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值，并且不斷加大污染治理力度，比如推行電力行業(yè)趨零排放技術(shù)等。發(fā)達(dá)國(guó)家在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段也大都出現(xiàn)過(guò)灰霾現(xiàn)象，從其治理措施經(jīng)驗(yàn)可以看出，所采用的調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)和改進(jìn)污染物控制技術(shù)等措施，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)控制排放廢氣的污染物濃度和減少污染廢氣的排放量?jī)煞矫婀餐饔玫慕Y(jié)果。我國(guó)目前的污染控制技術(shù)只注重控制污染物的排放濃度并未控制廢氣排放量，雖然有很嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，但排放總量居高不下的問(wèn)題仍然不能徹底解決。因此，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合控煤戰(zhàn)略，將廢氣量減排和污染物濃度控制相結(jié)合，是解決我國(guó)灰霾等大氣污染問(wèn)題的根本途徑，實(shí)現(xiàn)新形勢(shì)下環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的有機(jī)結(jié)合。節(jié)能減排是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)，推進(jìn)廢氣量減排對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工業(yè)廢氣排放量現(xiàn)況

由于我國(guó)正處在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加快發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)保持相對(duì)強(qiáng)勁勢(shì)頭，資源能源消耗巨大，一些工業(yè)行業(yè)由于多年來(lái)的迅猛發(fā)展出現(xiàn)了產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)?，F(xiàn)象，也使得能源資源短缺和生態(tài)環(huán)境脆弱的問(wèn)題進(jìn)一步加劇。環(huán)境保護(hù)部公布的2012年和2013年工業(yè)廢氣及污染物排放量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 2012年和2013年工業(yè)廢氣及污染物排放量Table 1 Emissions of industrial waste gas in 2012 and 2013

由表1 可以看出，2013年全國(guó)工業(yè)廢氣排放量比2012年增加5.3%，但通過(guò)落實(shí)治污工程、結(jié)構(gòu)調(diào)整和監(jiān)督管理三大減排措施，實(shí)施區(qū)域大氣污染物聯(lián)防聯(lián)控，2013年全國(guó)SO2和NOx排放量較前一年分別下降了3.5%和4.7%，煙(粉)塵排放量增加3.5%。當(dāng)前大氣污染形勢(shì)依舊嚴(yán)峻，近年來(lái)相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)雖然在逐步加嚴(yán)，不斷提高污染物排放控制水平，但全國(guó)廢氣排放量仍呈逐年上升趨勢(shì)，若不加大控制力度，污染物排放總量將不可能得到有效削減，有限的環(huán)境容量將無(wú)法承載增長(zhǎng)迅猛的污染物排放總量。因此，要想進(jìn)一步深化污染物減排，控制和減少?gòu)U氣量將是最有效的途徑之一。

美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)對(duì)鋼鐵行業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著新型鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的運(yùn)用與營(yíng)運(yùn)控制力度的加強(qiáng)，在產(chǎn)量增加的情況下，其鋼鐵行業(yè)廢氣排放總量明顯減少，使得美國(guó)鋼鐵企業(yè)不僅提高了能源利用效率，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排，而且使噸鋼生產(chǎn)能耗和污染物排放量下降明顯。我國(guó)鋼鐵工業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí)并沒(méi)有重視廢氣量的減排，以2001年、2009年和2012年為例，鋼鐵工業(yè)外排廢氣量分別為19 209 ×108、75 830 ×108和86 890 ×108m3，隨著粗鋼產(chǎn)量的增加其增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。如不加以有效控制，雖然污染物排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)不少，但污染物排放總量依舊在快速增加，這將會(huì)加劇環(huán)境狀況惡化，在此形勢(shì)下控制全國(guó)工業(yè)廢氣排放總量已顯得十分緊迫。

2 廢氣量減排技術(shù)

目前發(fā)達(dá)國(guó)家所采用的廢氣量減排宏觀措施主要是依靠調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，即通過(guò)提高清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例，降低廢氣排放量，達(dá)到減少各類污染物排放量的目的。通過(guò)應(yīng)用廢氣量減排技術(shù)可使單位產(chǎn)品或產(chǎn)量的外排廢氣量減少，在污染物排放濃度一定的情況下，能有效減排廢氣中多種污染物的排放量。同時(shí)單位產(chǎn)品廢氣排放量也常成為衡量某種技術(shù)或裝備先進(jìn)性的一種指標(biāo)。廢氣量減排技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)，最初主要是著眼于節(jié)能，但同時(shí)也有效地減少了污染物的排放。廢氣量減排技術(shù)涵蓋廢氣循環(huán)技術(shù)和梯度利用技術(shù)，包括設(shè)備內(nèi)部的、設(shè)備之間的和企業(yè)之間的廢氣循環(huán)和梯度利用。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有廢氣循環(huán)技術(shù)主要集中于設(shè)備內(nèi)部和設(shè)備之間的煙氣循環(huán)，廢氣梯度利用多在一個(gè)企業(yè)內(nèi)的不同設(shè)備之間進(jìn)行，依據(jù)廢氣自身特點(diǎn)采取適當(dāng)方式實(shí)現(xiàn)廢氣再利用。

2.1 廢氣循環(huán)技術(shù)

目前，廢氣循環(huán)技術(shù)主要集中在清潔生產(chǎn)與節(jié)能等方面的應(yīng)用，常見(jiàn)的廢氣循環(huán)方式如圖1 所示。廢氣循環(huán)技術(shù)在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用實(shí)例很多，突出表現(xiàn)在對(duì)中高溫廢氣的再利用。我國(guó)鋼鐵工業(yè)能源結(jié)構(gòu)為:煤炭70%、電力26%、石油類3.5%、天然氣0.5%。燒結(jié)、煉鐵、煉鋼的生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)，其中燒結(jié)工序能耗約占鋼鐵產(chǎn)業(yè)總能耗的10%，燒結(jié)廢氣帶走的顯熱約占燒結(jié)工序能耗的20%［3］。在鋼鐵工業(yè)廢氣循環(huán)技術(shù)中，燒結(jié)余熱回收最具代表性，余熱回收利用方式從最初的簡(jiǎn)單熱能回收到生產(chǎn)余熱蒸汽，最后發(fā)展到余熱發(fā)電等。

圖1 廢氣循環(huán)方式示意Fig.1 Model of waste gas cycling

燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)［4-6］是將燒結(jié)過(guò)程排出的一部分載熱氣體返回?zé)Y(jié)點(diǎn)火器后的臺(tái)車上再次循環(huán)使用的一種燒結(jié)方法，其實(shí)質(zhì)是熱風(fēng)燒結(jié)技術(shù)的一種形式，通過(guò)回收燒結(jié)廢氣的余熱，提高燒結(jié)工序的熱利用效率，降低燃料消耗。遵循“分級(jí)回收、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的原則，通過(guò)收集全部或部分風(fēng)箱的廢氣，將其返回到燒結(jié)料層，這部分廢氣中的有害成分將在燒結(jié)層中被熱分解或轉(zhuǎn)化，二 英和NOx會(huì)被部分消除，同時(shí)又抑制了NOx的生成，粉塵和SOx會(huì)被燒結(jié)層捕獲，減少了粉塵、SOx和NOx的排放量，廢氣含有的一氧化碳可作為燃料使用，降低了燃料用量。燒結(jié)廢氣循環(huán)利用減少了煙囪外排廢氣量，減小了末端污染物處理負(fù)荷，可提高燒結(jié)脫硫裝置效率，降低脫硫裝置規(guī)模，減少投資和運(yùn)行成本。

通過(guò)廢氣循環(huán)，燒結(jié)余熱利用主要有4 種方式:1)利用環(huán)冷機(jī)冷卻廢氣或燒結(jié)廢氣余熱在點(diǎn)火器前對(duì)燒結(jié)料層進(jìn)行預(yù)熱;2)將中、低溫冷卻廢氣作為助燃風(fēng)送到點(diǎn)火器，進(jìn)行熱風(fēng)點(diǎn)火;3)利用冷卻廢氣循環(huán)實(shí)行熱風(fēng)燒結(jié)，直接回用于燒結(jié)過(guò)程，降低燒結(jié)工序能耗;4)利用余熱鍋爐回收燒結(jié)廢氣或環(huán)冷機(jī)冷卻風(fēng)余熱，所產(chǎn)蒸汽用于預(yù)熱燒結(jié)料及生活用汽或進(jìn)行蒸汽發(fā)電。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不同的燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)流程得到應(yīng)用，主要有能量?jī)?yōu)化燒結(jié)(EOS)技術(shù)、環(huán)境型優(yōu)化燒結(jié)(EPOSINT)技術(shù)、低排放能量?jī)?yōu)化燒結(jié)(LEEP)技術(shù)、區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)和燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)技術(shù)等5 種技術(shù)方案。

(1)能量?jī)?yōu)化燒結(jié)(EOS)技術(shù)［7］。EOS 技術(shù)是外循環(huán)工藝，2002年在安賽樂(lè)法國(guó)敦刻爾克廠得到應(yīng)用。德國(guó)的蒂森克虜伯集團(tuán)、日本的新日鐵住金株式會(huì)社和荷蘭的霍戈文鋼鐵廠等3 個(gè)燒結(jié)廠都有使用EOS 技術(shù)降低燒結(jié)過(guò)程廢氣排放的報(bào)道。EOS技術(shù)是將主抽風(fēng)機(jī)排出的約50%的廢氣引回到燒結(jié)機(jī)上的熱風(fēng)罩內(nèi)，剩余約50%的廢氣外排。熱風(fēng)罩將燒結(jié)機(jī)全長(zhǎng)都罩起來(lái)，在燒結(jié)過(guò)程中為調(diào)整循環(huán)廢氣的含氧量，鼓入少量新鮮空氣與循環(huán)廢氣混合。這樣燒結(jié)廠僅須對(duì)外排約50%的燒結(jié)廢氣進(jìn)行處理，灰塵、NOx可減少約45%，二 英減少約70%。同時(shí)由于高溫廢氣循環(huán)利用了廢氣顯熱，降低燃料消耗，節(jié)能約20%。缺點(diǎn)是未考慮燒結(jié)廢氣排放的特點(diǎn)，對(duì)廢氣中不同成分的處理效果不是最佳。該工藝適用于注重節(jié)能和二 英減排要求高的燒結(jié)機(jī)。

(2)環(huán)境型優(yōu)化燒結(jié)技術(shù)(EPOSINT)［8］。由西門子奧鋼聯(lián)和位于奧地利林茨的奧鋼聯(lián)鋼鐵公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的內(nèi)循環(huán)工藝EPOSINT 減少了SOx和NOx的絕對(duì)排放量，而且大幅度降低了廢氣中的二 英和汞的濃度，還減少了焦粉的單耗量，提高了燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量。2005年5月，該技術(shù)在西門子奧鋼聯(lián)林茨鋼鐵公司燒結(jié)廠5 號(hào)燒結(jié)機(jī)上使用。技術(shù)特點(diǎn)為:1)循環(huán)廢氣來(lái)自溫度高、污染物濃度最高的風(fēng)箱位置，同時(shí)還包括部分冷卻機(jī)熱廢氣;2)循環(huán)廢氣占廢氣總量的35%，含氧量為13.5%，機(jī)罩占燒結(jié)機(jī)的75%;3)含有最高濃度SO2的廢氣循環(huán)進(jìn)入燒結(jié)料層，過(guò)剩的硫被固定到燒結(jié)礦中。EPOSINT 又稱選擇性廢氣循環(huán)工藝，能夠在不增加大氣污染物排放的前提下，使燒結(jié)礦產(chǎn)能提高30%。即EPOSINT 工藝在不減少燒結(jié)礦產(chǎn)量的情況下使現(xiàn)有燒結(jié)機(jī)的排放量降低約30%，從而節(jié)省了廢氣凈化設(shè)備的投資和運(yùn)行成本。該技術(shù)缺點(diǎn)是將高硫廢氣循環(huán)，使燒結(jié)礦中的硫含量升高，節(jié)能效果較低。

(3)低排放能量?jī)?yōu)化燒結(jié)(LEEP)工藝［9］。LEEP 工藝由德國(guó)HKM 公司開(kāi)發(fā)，燒結(jié)機(jī)設(shè)有2 個(gè)廢氣管道，1 個(gè)管道只從機(jī)尾處回收熱廢氣，另1 個(gè)管道回收燒結(jié)機(jī)前段的冷廢氣，通過(guò)噴入活性褐煤來(lái)進(jìn)一步減少剩余的二英。工藝特點(diǎn)為:1)選擇性利用機(jī)尾污染物濃度偏高的廢氣，循環(huán)比例為47%，含氧量為16% ～18%;2)將冷廢氣(65 ℃)和熱廢氣(200 ℃)進(jìn)行熱交換;3)機(jī)罩沒(méi)有完全覆蓋燒結(jié)機(jī)，漏入的部分空氣可提高含氧量，無(wú)須額外補(bǔ)給新鮮空氣;4)可減排45%的廢氣，燒結(jié)燃料消耗降低約5 kg/t，占燃料配比的12.5%。

(4)區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)［10］。分區(qū)廢氣循環(huán)工藝在新日鐵公司戶畑廠3 號(hào)480 m2燒結(jié)機(jī)上使用，廢氣循環(huán)率約為25%，循環(huán)廢氣的含氧量為19%，含水量為3.6%，該技術(shù)對(duì)燒結(jié)礦的質(zhì)量沒(méi)有不利影響，缺點(diǎn)是廢氣減排率較低，循環(huán)工藝較為復(fù)雜。

(5)燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)利用技術(shù)［11］。寶鋼集團(tuán)寧波鋼鐵公司430 m2燒結(jié)機(jī)上成功應(yīng)用了燒結(jié)廢氣循環(huán)系統(tǒng)，這是國(guó)內(nèi)首套燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)利用的節(jié)能減排項(xiàng)目，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)利用和多種污染物深度凈化的空白，被列為國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)低碳技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目。技術(shù)特點(diǎn)為:1)非選擇性與選擇性循環(huán)并存，可綜合利用主煙道廢氣和冷卻熱廢氣;2)固體燃料消耗降低6%，粉塵和SOx排放量大幅度降低，NOx排放量減少偏低。我國(guó)對(duì)該技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，節(jié)能減排效果顯著，適用于新建燒結(jié)機(jī)和國(guó)內(nèi)大型燒結(jié)機(jī)的改造。現(xiàn)有燒結(jié)機(jī)除需對(duì)燒結(jié)冷卻設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造外，系統(tǒng)還需配套除塵器、余熱鍋爐、循環(huán)風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

每種技術(shù)的使用都必須考慮其適用性，國(guó)內(nèi)外多家鋼鐵企業(yè)采用燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)后的節(jié)能減排效果表明，在保證生產(chǎn)指標(biāo)不降低的情況下，燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)可減少燒結(jié)工藝生產(chǎn)的廢氣排放總量和污染物排放量，并能回收廢氣余熱、降低能耗。因此，燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)可作為我國(guó)燒結(jié)機(jī)未來(lái)升級(jí)改造的主要方向。也有學(xué)者提出結(jié)合燒結(jié)工藝特點(diǎn)，根據(jù)所需廢氣溫度范圍的差異，對(duì)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣進(jìn)行余熱梯級(jí)利用［12］，如余熱發(fā)電在250 ℃以上，熱風(fēng)燒結(jié)所需平均溫度為250 ℃，熱風(fēng)解凍在150 ℃等情況。此外鋼鐵行業(yè)多年來(lái)一直在推廣的干法熄焦、高爐煤氣干式除塵、轉(zhuǎn)爐煤氣干式除塵等“三干三利用”六大先進(jìn)技術(shù)，不僅使節(jié)能降耗得以實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)噸產(chǎn)品廢氣量和污染物減排都起著積極作用，寶鋼集團(tuán)有限公司、武漢鋼鐵(集團(tuán))公司等企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐已表明，采用干法熄焦可降低煉焦工序能耗約68 kg/t(以標(biāo)煤計(jì))［13］，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，環(huán)保作用凸顯。

在水泥工業(yè)中，已有一些廠家開(kāi)始嘗試進(jìn)行廢氣循環(huán)利用，主要有以下2 種方式:1)將窯頭除塵器后約90 ℃廢氣引至篦冷機(jī)中段，以進(jìn)一步提高冷卻機(jī)中部抽風(fēng)溫度，從而提高后續(xù)余熱發(fā)電鍋爐的產(chǎn)汽量和發(fā)電功率。部分實(shí)例表明，通過(guò)窯頭廢氣循環(huán)利用，折合成每t 熟料可增加發(fā)電量約2 kW·h，減少?gòu)U氣量約5 m3。2)在煤粉制備系統(tǒng)中，將煤磨經(jīng)袋式除塵器后約60 ℃的廢氣引回至煤磨入口熱風(fēng)管道，通過(guò)對(duì)部分廢氣進(jìn)行循環(huán)利用，結(jié)合風(fēng)量、風(fēng)壓等控制方式，完成煤粉預(yù)熱烘干等功能。

上述廢氣循環(huán)利用技術(shù)都與廢氣量減排和節(jié)能密切相關(guān)，將是我國(guó)鋼鐵、水泥等工業(yè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的發(fā)展方向，實(shí)踐已證明應(yīng)用效果良好，環(huán)境和節(jié)能效益明顯。

2.2 廢氣梯度利用技術(shù)

廢氣梯度利用技術(shù)在水泥行業(yè)特別是新型干法水泥生產(chǎn)線中得到廣泛應(yīng)用。水泥行業(yè)是我國(guó)傳統(tǒng)基礎(chǔ)工業(yè)，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，屬國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的節(jié)能減排行業(yè)?！八嘤酂岚l(fā)電”為“十一五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一，通過(guò)廢氣梯度利用回收熟料生產(chǎn)過(guò)程中的余熱，無(wú)論是用來(lái)供熱或發(fā)電都是非?，F(xiàn)實(shí)又節(jié)能的措施，可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

水泥窯純低溫余熱發(fā)電、生料及煤粉烘干，都是窯頭窯尾高溫廢氣梯度利用環(huán)節(jié)，且隨著各方面技術(shù)的不斷進(jìn)步，水泥余熱發(fā)電現(xiàn)已發(fā)展到第三代純低溫余熱發(fā)電技術(shù):即對(duì)帶有5 級(jí)預(yù)熱器的新型干法窯其余熱發(fā)電能力在保證滿足生料烘干所需廢氣溫度(210 ℃)和煤磨烘干所需廢氣參數(shù)，不影響水泥生產(chǎn)，不增加水泥熟料燒成熱耗及電耗，不改變水泥生產(chǎn)用原燃料的烘干熱源，不改變水泥生產(chǎn)的工藝流程及設(shè)備的條件下，每t 熟料余熱發(fā)電量達(dá)到48 ～52 kW·h［14］。

新型干法水泥生產(chǎn)廢氣梯度利用流程如圖2 所示。水泥回轉(zhuǎn)窯高溫廢氣流向:約1 000 ℃回轉(zhuǎn)窯高溫廢氣→窯尾煙室→分解爐(出口溫度約900℃)/多級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器(C1 預(yù)熱器出口溫度約300℃)→窯尾余熱鍋爐/增濕塔→生料磨/煤磨→窯尾除塵器(多為布袋除塵器)→煙囪外排。對(duì)于利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物，其投加點(diǎn)有的在窯尾煙室，有的在分解爐下部，完成高溫廢氣一次梯度利用;對(duì)入窯生料進(jìn)行多級(jí)預(yù)熱完成二次梯度利用;進(jìn)入窯尾余熱鍋爐發(fā)電完成三次梯度利用;此后對(duì)生料磨/煤磨中物料進(jìn)行烘干完成四次梯度利用。為提高余熱利用率，增濕塔已逐漸成為備用降溫通道，當(dāng)烘干物料所需溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)采取調(diào)節(jié)冷風(fēng)閥開(kāi)度或增濕塔噴水流量來(lái)控制風(fēng)溫等措施。窯頭篦冷機(jī)窯頭廢氣多用于煤粉烘干，回轉(zhuǎn)窯助燃空氣(二次風(fēng))，分解爐助燃及預(yù)熱器預(yù)熱空氣(三次風(fēng))和用于窯頭余熱鍋爐發(fā)電。通過(guò)上述環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了新型干法水泥生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備間廢氣的梯度利用，大幅降低了生產(chǎn)能耗。據(jù)報(bào)道［15-16］，該技術(shù)的實(shí)施能夠達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)工藝廢氣量減排10% ～15%，SO2減排15% ～17%，NOx減排10% ～12%，顆粒物減排20% ～25%，每t 水泥能耗降低5% ～9%。在廢氣梯度利用過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題需要引起關(guān)注:由于水泥窯生產(chǎn)工況的特點(diǎn)，廢氣量和溫度有較大波動(dòng)，窯尾排出廢氣中的粉塵主要是生料，磨礪性不強(qiáng)，但有一定的黏附性，容易在余熱鍋爐受熱面上沉積形成污垢，降低傳熱系數(shù);窯頭廢氣中的粉塵主要是熟料顆粒，廢氣成分接近空氣，但其磨礪性較強(qiáng)，容易使余熱鍋爐受熱面產(chǎn)生磨損。

水泥余熱發(fā)電逐漸成為水泥生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)配置，在廢氣梯度利用中得到不斷進(jìn)步和完善。第一代純低溫余熱發(fā)電技術(shù)主要是利用水泥窯窯尾預(yù)熱器排出的350 ℃以下廢氣設(shè)置1 臺(tái)窯尾預(yù)熱器余熱鍋爐(SP 鍋爐);利用水泥窯窯頭熟料冷卻機(jī)排出的400 ℃以下廢氣設(shè)置1 臺(tái)熟料冷卻機(jī)廢氣余熱鍋爐(AQC 爐);2 臺(tái)鍋爐設(shè)置1 臺(tái)蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，其主蒸汽參數(shù)為0.69 ～1.27 MPa，280 ～340 ℃，余熱發(fā)電能力約為28 ～32 kW·h/t(以熟料計(jì))。第二代純低溫余熱發(fā)電技術(shù)則是利用水泥窯窯尾預(yù)熱器排出的350 ℃以下廢氣設(shè)置1 臺(tái)SP 鍋爐或同時(shí)利用窯尾C2 級(jí)預(yù)熱器內(nèi)筒設(shè)置過(guò)熱器;利用熟料冷卻機(jī)排出的400 ℃以下廢氣設(shè)置1 臺(tái)AQC 爐，或者通過(guò)改變窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣排放方式:利用熟料冷卻機(jī)排出的部分360 ℃以下廢氣設(shè)置1 臺(tái)AQC余熱鍋爐，利用熟料冷卻機(jī)排出的部分500 ℃以下廢氣設(shè)置1 臺(tái)熟料冷卻機(jī)廢氣余熱過(guò)熱器(ASH 過(guò)熱器);將AQC 爐排出的廢氣部分或全部返回冷卻機(jī)，窯頭熟料冷卻機(jī)冷卻風(fēng)采用循環(huán)風(fēng)方式;利用2臺(tái)鍋爐或者增設(shè)的余熱過(guò)熱器設(shè)置補(bǔ)汽式蒸汽輪機(jī)。發(fā)電系統(tǒng)主蒸汽參數(shù)為1.57 ～3.43 MPa，340 ～435 ℃;補(bǔ)汽參數(shù)為0 ～0.15 MPa，160 ℃，余熱發(fā)電能力為38 ～42 kW·h/t(以熟料計(jì))。在產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量不變的情況下，如何將水泥生產(chǎn)工藝與余熱發(fā)電真正結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步降低煤耗和電耗，解決余熱發(fā)電在運(yùn)行中遇到的各類問(wèn)題，系統(tǒng)探討生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)效率和發(fā)電量之間的關(guān)系，成為目前水泥企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

窯頭高溫廢氣產(chǎn)自篦冷機(jī)冷卻熟料過(guò)程，第三代與第四代篦冷機(jī)性能參數(shù)如表2 所示。篦冷機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)同廢氣量減排目標(biāo)一致，在單位產(chǎn)量增加，熱效率提高，電耗、煤耗下降的情況下，單位冷卻設(shè)計(jì)風(fēng)量在逐步減小，從源頭上實(shí)現(xiàn)了縮減外排廢氣量，性能更優(yōu)越。此外也有將窯頭煙囪外排廢氣引回篦冷機(jī)或作為一次風(fēng)再利用，但因一些設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜、材料性能不足而問(wèn)題較多，需要技術(shù)改進(jìn)。

利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物(如市政污泥、城市垃圾等)，利用高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行工業(yè)鍋爐廢氣脫硝等屬于企業(yè)間直接或間接減排廢氣量利用。由于目前我國(guó)節(jié)能減排工作主要著眼于單個(gè)企業(yè)層面，上述廢氣循環(huán)和梯度利用多是在一個(gè)企業(yè)內(nèi)完成的，以企業(yè)內(nèi)部資源綜合利用、節(jié)能減排、物質(zhì)良性循環(huán)、經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)和環(huán)境最佳保護(hù)為目標(biāo)，通過(guò)工藝流程設(shè)計(jì)、清潔生產(chǎn)等措施，減少產(chǎn)品及服務(wù)中物料和能源的使用量，實(shí)現(xiàn)單一企業(yè)資源利用的最大化、經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化和污染物排放的最小化。但隨著企業(yè)內(nèi)部，企業(yè)之間以及行業(yè)之間的廢氣梯度利用的推廣，今后應(yīng)著眼于在多企業(yè)間和工業(yè)園區(qū)整體，建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)型、節(jié)能減排型多企業(yè)聯(lián)合體和新型工業(yè)園區(qū)，使一個(gè)企業(yè)產(chǎn)生的廢物或者廢氣，通過(guò)適當(dāng)處理后成為另一企業(yè)的生產(chǎn)原料或者是治污消耗品，通過(guò)廢氣或污染物的梯度利用，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多行業(yè)多污染物的深層協(xié)同減排，這將進(jìn)一步降低污染治理的綜合社會(huì)成本。隨著廢氣循環(huán)和梯度利用的推廣，也將對(duì)環(huán)境管理工作提出新要求。

表2 第三代與第四代篦冷機(jī)性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of the third and the fourth generation grate cooler

3 廢氣量減排潛力分析

依據(jù)水泥工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，1 條5 000 t 的水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電裝機(jī)容量為7.5 ～11.5 MW［17］。若取9 MW，其余熱發(fā)電年供電量按6 300 × 104kW·h(年運(yùn)行7 000 h)計(jì)，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤2.2 ×104t(發(fā)電標(biāo)煤耗0.35 kg/(kW·h))，以火電廠燃煤排放作基準(zhǔn)折算，將會(huì)減少?gòu)U氣量約2.2 ×108m3，顆粒物6.6 t/a，SO222 t/a，NOx22 t/a。由于廢氣循環(huán)和梯度利用可使相同規(guī)模水泥窯廢氣量減少10% ～15%，相當(dāng)于整體廢氣量減少2.4 ×108m3以上，環(huán)保減排潛力巨大。此外，利用新型干法水泥窯處置危險(xiǎn)廢物還間接減少了直接處理設(shè)施的外排廢氣量，節(jié)省大量處置費(fèi)用。目前焚燒爐處理危險(xiǎn)廢物外排廢氣量在3 000 m3/t 左右，集中焚燒處置的費(fèi)用一般為5 000 ～6 000 元/t，而水泥窯的實(shí)際處置費(fèi)用為2 000 ～4 000 元/t，降低處置費(fèi)用約2 000 ～3 000 元/t。以北京水泥廠為例，2002年建成了國(guó)內(nèi)第一套利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理工業(yè)廢物和危險(xiǎn)廢物的工藝系統(tǒng)(熟料生產(chǎn)能力為3 000 t/d)，可處理多種危險(xiǎn)廢物，設(shè)計(jì)處理能力達(dá)8 ×104t/a。通過(guò)針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，各類污染物均達(dá)到了相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，多年來(lái)穩(wěn)定運(yùn)行并不斷嘗試新技術(shù)應(yīng)用。由此推斷該生產(chǎn)線全年可減排廢氣量2.4 ×108m3，節(jié)約處置費(fèi)用1.6 ×108元以上。假如在全國(guó)推廣，每條生產(chǎn)線按5 ×104t/a 的處置規(guī)模計(jì)算，平均每省建設(shè)1 條水泥生產(chǎn)線用于協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物，則可處置危險(xiǎn)廢物150 ×104t/a 以上。全國(guó)利用水泥窯協(xié)同處置廢物每年可減排廢氣量45 ×108m3，節(jié)約處置費(fèi)用30 ×108元以上。由此可見(jiàn)，利用好水泥窯廢氣循環(huán)和梯度利用技術(shù)，有計(jì)劃開(kāi)展水泥窯協(xié)同處置廢棄物，必將對(duì)我國(guó)環(huán)境保護(hù)發(fā)展和節(jié)能減排做出巨大的貢獻(xiàn)。

我國(guó)大中型鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)1 t 燒結(jié)礦產(chǎn)生的余熱資源量為1.44 GJ，回收利用率僅35% ～45%［3］。以2012年燒結(jié)礦產(chǎn)量8.1 ×108t 計(jì)算［4］，尚有約6.4 ×108GJ 的燒結(jié)余熱資源沒(méi)有得到有效回收利用。通過(guò)廢氣循環(huán)和梯度利用可實(shí)現(xiàn)燒結(jié)工序能耗下降10%，燒結(jié)礦回收電力15 kW·h/t。以已有360 m2燒結(jié)機(jī)技改項(xiàng)目為依托計(jì)算，年發(fā)電量在0.6 ×108kW·h 以上，廢氣減排20%以上，減小脫硫負(fù)荷12% ～20%［18］。按照目前成熟的工藝技術(shù)水平，年產(chǎn)1 000 ×104t 規(guī)模的鋼鐵企業(yè)余熱余能回收發(fā)電量可達(dá)40 ×108kW·h，間接減少火電廠或自備熱電廠的各類污染物排放，節(jié)能和環(huán)保效益潛力巨大。若進(jìn)一步通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)、集成創(chuàng)新，挖掘利用潛力，高效回收利用球團(tuán)、燒結(jié)礦、焦?fàn)t荒煤氣、冶金渣、低溫廢氣等的余熱進(jìn)行發(fā)電，則可建設(shè)成鋼電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)，實(shí)現(xiàn)用電完全自給甚至外供將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)［19］。

此外，依據(jù)廢氣量減排戰(zhàn)略，火電廠除了可通過(guò)提高水電和其他清潔發(fā)電的比例、上大壓小提高發(fā)電效率來(lái)減少?gòu)U氣量外，還可與電石、焦化等生產(chǎn)過(guò)程相結(jié)合，聯(lián)合研發(fā)煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，爭(zhēng)取多元化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電石、焦炭生產(chǎn)過(guò)程廢氣與火力發(fā)電鍋爐串燒;電石行業(yè)可通過(guò)內(nèi)燃爐改密閉爐等工藝改進(jìn)方式，將石灰窯廢氣用于烘干焦炭，電石爐出爐廢氣用于石灰窯替代空氣，最終實(shí)現(xiàn)減排廢氣量和污染物排放量，節(jié)約資源能源和污染治理投資、運(yùn)行費(fèi)用等，對(duì)我國(guó)結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)保創(chuàng)新發(fā)展都具有重大意義。因而結(jié)合實(shí)際情況指導(dǎo)現(xiàn)有高能耗、重污染企業(yè)，在加快淘汰落后工藝設(shè)備同時(shí)，要進(jìn)一步加大企業(yè)內(nèi)和企業(yè)間的廢氣循環(huán)和梯度利用，從排放量中獲取經(jīng)濟(jì)效益，盡量使原料的工藝路線形成一個(gè)循環(huán)路線。針對(duì)新工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃，政府要從源頭上考慮引進(jìn)不同類型企業(yè)，使彼此間原料及中間副產(chǎn)品等能夠互相利用，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)達(dá)到縮減區(qū)域廢氣排放量，實(shí)現(xiàn)多種類污染物協(xié)同高效減排。借鑒上海市2014年新批準(zhǔn)建設(shè)2 條4 000 t/d水泥生產(chǎn)線協(xié)同處理用于消納生活垃圾、危險(xiǎn)廢物，年處置污泥、粉煤灰、脫硫石膏、鋼渣、生活垃圾等各種廢物在300 ×104t 以上，引導(dǎo)企業(yè)定位發(fā)展和城市布局需求相結(jié)合，大幅度減少社會(huì)綜合污染治理成本，使環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和城市布局有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)廢氣量減排對(duì)目前深度削減各種污染物排放量起著至關(guān)重要的作用，這是我國(guó)今后治理灰霾污染的重要方向。大力發(fā)展和應(yīng)用有利于資源節(jié)約和環(huán)境友好的科學(xué)技術(shù)，加強(qiáng)各種有助于實(shí)現(xiàn)減量化、資源化和再利用的技術(shù)開(kāi)發(fā)，為污染物治理的工藝、技術(shù)和裝備實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(2)一項(xiàng)新技術(shù)的推廣和普及實(shí)際上是多個(gè)技術(shù)實(shí)施過(guò)程的集合，廢氣量減排需要在多學(xué)科、多行業(yè)、多技術(shù)并用下才能實(shí)現(xiàn)更高的減排目標(biāo)，流程環(huán)節(jié)相對(duì)較多，需做好系統(tǒng)異常狀況下的緊急應(yīng)對(duì)措施，在實(shí)踐中不斷提高廢氣量綜合減排技術(shù)水平。

(3)尚需開(kāi)展研究具有代表性的區(qū)域性廢氣量減排技術(shù)示范，著重提高工序間、企業(yè)間配合協(xié)調(diào)水平，進(jìn)行集成技術(shù)創(chuàng)新，探索具有中國(guó)特色的環(huán)保治理新模式。

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