玻璃熔窑烟气深度减排技术对策研究

徐 俊， 王东歌

（江苏中建材环保研究院有限公司， 江苏 盐城 224051）

0 引言

我国灰霾等大气环境问题突出，大气污染控制已成为民众关注的焦点。虽然“十二五”期间我国环保工作取得较大进展，但主要污染物总体上仍处于排放高平台期，环境状况不容乐观。根据耶鲁大学发布的2016年全球环境绩效指数（EPI）评估报告，此次180个国家中我国排名降至109名，其中空气质量指标排名倒数第2[1]。为改善当前空气质量，我国各主要污染排放行业相继出台了更加严格的大气污染物排放标准，煤电行业更是提出了“超低排放”要求，以达到改善环境的目的。

目前，在大气污染物深度减排研究领域，国内外研究机构已开发了多种污染控制技术，针对煤电污染物排放控制做了大量研究和实践，但对玻璃熔窑烟气深度减排工艺研究却很少。玻璃行业作为高能耗、高排放行业，是我国重点工业污染控制行业之一[2]。随着“十二五”期间GB 26453—2011《平板玻璃工业大气污染物排放标准》的颁布实施，玻璃行业减排控制效果明显，但距煤电等行业的减排力度还有很大差距。本文根据玻璃熔窑烟气特性，结合现有的污染排放控制技术，探讨得出适合玻璃行业特点的烟气深度减排技术，为推动玻璃行业烟气污染治理提供参考。

1 玻璃熔窑烟气特性及排放标准

1.1 玻璃熔窑烟气特性

相比燃煤锅炉烟气，玻璃熔窑采用燃料不同、工艺不同，其产生的烟气具有温度高（420～520℃），烟气量较小（一般不超过18万m3/h），NOx浓度高、腐蚀性强且成分复杂等特点。

目前，国内玻璃熔窑采用的燃料多样，除了采用天然气、发生炉煤气外，还有部分企业采用重油及石油焦粉等，其燃烧产生烟气往往具有更强腐蚀性。根据相关资料[3]，采用不同燃料的玻璃熔窑烟气污染物含量也不同，具体见表1。

表1 不同燃料产生烟气中污染物质量浓度mg·m-3

由于在玻璃生产过程中，原料含有纯碱、芒硝等碱金属，投加入玻璃熔窑后会有小部分高温分解或挥散，并最终随烟气排出，造成其颗粒物含有较多碱金属，具有较强的粘附性、腐蚀性。资料表明[4]，不同燃料烟气所含颗粒物的成分也有较大区别，具体见表2。如果对此类颗粒物不做前端预处理，极易导致后续SCR脱硝催化剂中毒，大大缩短催化剂使用寿命[5]。

表2 不同燃料烟气中颗粒物成分%

此外，玻璃熔窑由于其特殊的生产工艺需要，均采用动态换向的燃烧方式，换向时间间隔一般为20 min。在换向燃烧过程中，烟气中 NOx，SO2，O2等含量会发生剧烈变化，大大增加烟气治理的难度。

针对玻璃熔窑烟气特性，在开展玻璃熔窑烟气深度减排研究时，还需与煤电超低排放技术区分，充分系统地考虑其燃料及烟气特性等因素，进行系统优化，消除各种不利因素，改良设计适宜的技术方案。

1.2 玻璃工业大气污染物排放标准

环保部与质监总局发布的GB 26453—2011《平板玻璃工业大气污染物排放标准》规定烟气排放 限值为：ρ（NOx）≤ 700 mg/m3，ρ（SO2）≤ 400 mg/m3，ρ（颗粒物）≤50 mg/m3。由于环境容量有限，环境压力越来越严峻，本文提出的深度减排技术路线排放限值可较现有标准下降60%以上，达到更低的排放，可提前满足越来越严格的环保要求，避免重复投资。

2 玻璃熔窑烟气排放控制技术分析

2.1 NOx排放控制技术

通常情况，玻璃熔窑烟气中NOx的来源主要有3个途径：①来源于原料分解，即原料型NOx；②来源于燃料燃烧生成，即燃料型NOx；③来源于空气中N2和O2高温反应生成，即热力型NOx，其中热力型NOx的产量与温度关系密切，研究发现当温度超过1500℃，温度每增加100℃，反应速率增加6～7倍[6]。在玻璃熔窑内，其火焰温度一般高达1 650～2 000℃，因此玻璃熔窑烟气中的NOx主要为热力型，且其中NO约占 95%，NO2约占 5%[7]。

在现阶段，针对NOx形成过程，可在合理使用燃料、改进燃烧方式与末端治理等方面来控制氮氧化物的排放。玻璃熔窑富氧燃烧技术在燃烧过程中所需空气量减小，而且燃烧充分完全，高温反应生成的NOx相应降低。富氧燃烧技术在欧美国家研究应用较多，美国康宁玻璃公司、PPG玻璃集团公司等均已拥有核心技术。秦皇岛玻璃设计院等国内科研院所也对此技术做了较多研究，其在600 t/d浮法玻璃生产线上设计实施的分阶段梯度增氧富氧燃烧技术，烟气监测显示ρ（NOx）由之前的2 250 mg/m3降至1 380 mg/m3[8]，减排效果显著。

目前，富氧燃烧技术推广应用较少，玻璃熔窑烟气脱硝末端治理主要采用SCR脱硝技术，该技术操作维护简便，也易于现有玻璃熔窑烟气脱硝的实施，无需对熔窑本体进行改造。由于玻璃熔窑烟气具有高温、高粘性及腐蚀性的特点，其烟气SCR脱硝技术往往结合了烟气调质和余热发电技术。经过调质预处理和除尘后的烟气，才可进入SCR脱硝反应系统。SCR脱硝反应系统包括反应器、还原剂贮存及喷射系统、吹灰系统，脱硝效率可达85%以上，同时可以对烟气余热进行充分有效利用，真正做到节能环保。

2.2 SO2排放控制技术

烟气中SO2主要来源于燃料燃烧生成，欧美、日本等发达国家最早制定了烟气排放相关标准，并开始对烟气脱硫技术进行研究开发。目前，湿法脱硫工艺应用最多，常见的有石灰石-石膏法、氨法、钠钙双碱法、氧化镁法等[9]。其中，石灰石-石膏法脱硫工艺系统完善，在煤电行业使用较多，是技术最成熟、实用业绩最多的湿法脱硫[10]。湿法脱硫的脱硫效率高，但如处理不当会出现腐蚀与结垢问题，同时还存在排烟湿度大现象，易形成大量白雾。干法脱硫虽然排烟湿度小，且无白雾现象出现，但脱硫效率低。而半干法脱硫不仅具有脱硫效率高的特点，同时也兼备干法脱硫排烟湿度小的优势，现已成为玻璃熔窑烟气脱硫技术的主流发展方向。

玻璃熔窑烟气半干法脱硫普遍采用R-SDA技术，通过高速旋转雾化将浆液制成微小雾滴，以与烟气中SO2迅速反应。此技术脱硫效果明显，既保证效率又解决了结晶堵塞和排烟等问题，而且适用于以石油焦粉为燃料的高硫烟气。

2.3 颗粒物排放控制技术

在烟气治理过程中，除尘也是其中极为重要的一环。除尘效果的优劣，不仅影响烟气排放是否达标，也影响其他环保设施的运行情况和使用寿命。在烟气除尘技术领域，自第1台除尘器问世至今已有百余年历史，各国相继开发了旋风除尘、袋除尘、电袋复合除尘以及湿式电除尘等多种除尘技术及装备。目前，针对高温烟气除尘技术研究主要有2方面：①对高温滤袋材料的研究开发，美国西屋公司生产的织状柔性陶瓷过滤器AB312，以及德国Schumacher公司的陶瓷纤维膜复合过滤材料，长期耐温950℃[11]，KRASNYI等[12]深入研究多孔陶瓷过滤元件对含尘气体进行过滤，耐高温效果良好，但造价昂贵，不适用于普通工程，无法大规模推广应用；②对高温电除尘器的研究开发，目前主要有德国GEA公司开发的高温电除尘技术，可耐400℃高温，应用范围较广。玻璃熔窑出口烟气温度在450℃左右，因此对高温电除尘技术进行深度研究开发，是解决玻璃熔窑烟气除尘问题行之有效的途径。

3 玻璃行业熔窑烟气深度减排技术路线

依据玻璃熔窑烟气特性和燃烧特点，从环保监管要求和技术经济性出发，在确定玻璃行业熔窑烟气深度减排技术路线时应遵循以下原则：

（1）熔窑的窑压是玻璃生产的关键，必须保证烟气处理设施运行过程中窑压稳定，不影响正常的生产；

（2）熔窑换火期间各烟气参数波动大，烟气处理设施应能满足负荷要求，确保做到达标排放；

（3）玻璃熔窑烟气温度高，应对余热进行最大程度利用，减少热损失；

（4）在重油、石油焦粉等不同燃料烟气环境中，均能稳定运行，有效脱除各污染物；

（5）玻璃熔窑烟气成分复杂，要减少其有害成分对脱硝催化剂的毒害影响。

综合以上原则，并依据玻璃熔窑污染物排放浓度特点，本文提出一条玻璃熔窑烟气深度减排技术路线，见图1。

图1 玻璃熔窑烟气深度减排技术路线

4 应用实例

4.1 项目概况

河南某玻璃厂有700 t/d玻璃熔窑进行环保改造，设计烟气量为 140 000 m3/h，原烟气：ρ（NOx）为3 000～3500mg/m3，ρ（SO2） 为 4000mg/m3，ρ（颗粒物）为1 000 mg/m3。

4.2 工艺流程

依据上述技术路线，由于是已有熔窑进行环保改造，采用的深度减排工艺流程为：熔窑烟气→高温段余热锅炉→干法调质脱硫→高温电除尘器 （三电场）→SCR脱硝→低温段余热锅炉→R-SDA脱硫→布袋除尘器→烟囱，工艺流程见图2。

图2 河南某玻璃厂工艺流程

首先对余热锅炉进行改造，将余热锅炉高温段和低温段之间采用阀门隔离开。来自窑炉的高温烟气（450～500℃）最早进入到余热发电锅炉的高温段，经过余热利用，使烟气温度降至脱硝适宜的温度段(350～400℃)，再从余热发电锅炉高温段引出。引出的烟气经调质反应器改性，降低其粘性与腐蚀性，再进入高温电除尘器收尘，然后烟气进入SCR脱硝系统的烟道与喷入的氨水进行充分混合均匀后。均匀混合的氨/烟气进入反应器，在催化剂的作用下，反应器内烟气中的NOx与氨发生氧化还原反应，生成氮气和水蒸汽，从而完成整个除尘、脱硝过程。脱硝后的净烟气（320～380℃）从反应器底部进入余热发电锅炉低温段，在发电锅炉内充分利用余热产高压蒸汽送汽轮机发电。发电后的烟气（200℃左右）从发电锅炉进入R-SDA脱硫塔内完成脱硫，布袋除尘器再次除尘后经烟囱排放大气。

4.3 应用效果

项目投运后进行现场实测，运行期间性能稳定，颗粒物，SO2，NOx测试参照 GB/T 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》并相应改进。测试结果见表3。

表3 基于实测的主要污染物排放浓度

由表3可知，采用 “熔窑烟气→高温段余热锅炉→干法调质脱硫→高温电除尘器→SCR脱硝→低温段余热锅炉→RSDA脱硫→布袋除尘器→烟囱”的工艺设计完全能够满足当前国家和部分地方对于玻璃熔窑烟气的排放要求，烟气出口ρ（NOx）≤150 mg/m3，ρ（SO2）≤ 100 mg/m3，ρ（颗粒物）≤ 20 mg/m3。

根据实践经验可知，运行一段时间后，如果维护不当，各排放指标均会有所升高，特别是颗粒物和SO2，因此运行中的维护极其重要，尤其是烟气调质系统的稳定运行，关系到后续除尘效果以及催化剂的使用寿命。如河北某650 t/d玻璃熔窑烟气环保设备安装运行1 a后，由于调质系统物料输送装置堵塞，造成运行故障，除尘效率随之明显降低，最终造成催化剂部分堵塞，其压差由初始的750 Pa上升至1 000 Pa左右，需人工检修清灰后才恢复正常运行。

5 结语

（1）根据玻璃行业熔窑烟气深度减排应遵循的原则，设计的深度减排路线通常采用“熔窑烟气→高温段余热锅炉→干法调质脱硫→高温电除尘器→SCR脱硝→低温段余热锅炉→RSDA脱硫→布袋除尘器→烟囱”工艺，此工艺减排效果完全满足当前的国家及地方排放要求。

（2）玻璃行业当前常用的深度减排技术工艺流程较长，系统复杂，在运行过程中需高度重视维护。建议在今后的研究中，结合如煤电行业的先进成熟技术，不断进行系统优化，减少工艺复杂程度。

（3）目前，玻璃行业熔窑烟气排放指标较煤电超低排放还有较大差距，建议根据玻璃行业自身特点，逐步研究开发适合玻璃熔窑烟气的超低排放技术。