水泥廠煙氣脫硫工藝設計與應用

孫少鵬

摘 要：近幾年隨著環保理念愈來愈深入人心，國家對污染較重的行業開展了綜合治理，工廠脫硫工藝的應用是其中非常重要的一部分。本文闡述了水泥廠產生二氧化硫的機理，提出了水泥廠煙氣脫硫設計工藝，并對其應用效果進行了分析。

關鍵詞：水泥廠 煙氣脫硫 工藝設計

一、水泥窯SO2產生機理

水泥熟料煅燒產生的SO2主要來自兩部分，一部分源于生料，一部分源于燃料。原料中的硫主要以有機硫化物、硫化物（簡單硫化物或者復硫化物如硫鐵礦）或硫酸鹽的形式存在，單質硫可忽略；原料中的硫酸鹽在預熱器系統中通常不會形成SO2，大多進入窯系統。生料中的硫化物和有機硫400℃-600℃溫度下生成SO2隨廢氣排出，特定條件下部分SO2與生料中堿性物質等反應生成相應的硫酸鹽隨物料進入分解爐，參與內循環；隨廢氣排出的SO2經煙氣管道、增濕塔、生料磨或除塵器，大部分被生料吸收，并再次送入預熱器，參與外循環。部分硫酸鹽隨熟料離開窯系統。

燃料中的硫存在形式與原料相同，有硫化物、硫酸鹽和有機硫。燃料在分解爐或者回轉窯燃燒，低價態的硫化物，特定條件下一部分直接氧化成SO3，形成穩定的硫酸鹽；另一部分則氧化成SO2。絕大多數SO2能夠與高溫的堿性熱生料和O2發生反應生成硫酸鹽。剩下的少部分SO2會與生料中氧化釋放出來的SO2匯合，通過煙囪排放。反應生成的硫酸鹽主要有K2SO4、Na2SO4、CaSO4等，它們的熔融溫度分別為1074℃、852℃、1397℃，會在分解爐錐部、縮口、四級筒和五級筒等溫度適宜部位產生結皮；如果回轉窯存在還原氣氛，硫酸鹽礦物在CO和C的還原下重新生成SO2及粉塵，或溫度超過1 500℃的情況下，發生揮發現象，參與內循環。水泥熟料生產中原料硫和硫化物直接影響熟料生產線SO2排放水平；燃料中硫含量和硫化物與煙氣SO2的排放濃度關系不明顯，但燃料中硫含量高會造成窯尾結皮堵塞。

二、脫硫技術方案

目前水泥熟料生產線降低SO2排放的方法可歸納為：

（1）熱生料噴注脫硫；（2）濕法脫硫；（3）干脫硫劑噴注法。

脫硫方案的選擇需綜合考慮SO2的排放濃度、投資費用、運行費用、設備運轉率等因素。因熟料煅燒工藝本身具有脫硫作用，即分解爐內新生成的高活性CaO能吸收煙氣中的SO2形成無機鹽。如廢氣用于烘干原料，則SO2在原料磨中被具有新鮮界面的石灰石顆粒進一步吸收，在濕度適中的情況下生成無機鹽。針對SO2能被活性CaO和CaCO3顆粒吸收的特點，從生產線中提取高活性CaO或CaCO3，制備一定濃度的Ca（OH）2漿液或CaCO3漿液噴入到生產線合適位置，可以有效吸收系統中的SO2，降低廢氣中SO2的排放濃度。水泥窯脫硫方案應優先選擇使用熱生料噴注脫硫技術。生產線SO2初始排放濃度≤400 mg/Nm3時，最終排放濃度可達標；生產線SO2初始排放濃度>400mg/Nm3，該技術可用于前置脫硫，SO2脫除率約50%，為深化脫硫創造條件。

三、工藝設計

熱生料噴注脫硫技術也稱水泥窯自脫硫技術，主要包括三部分：脫硫劑制備與收集；脫硫漿液制備與儲存；脫硫漿液輸送與霧化。脫硫劑獲取是關鍵。兩種脫硫劑活性CaO或CaCO3，均可通過熟料生產線制備。

（1）活性CaO制備與收集。生料中的主要成分為CaC03，分解爐內高溫分解為CaO，通過系統壓差將含CaO粉塵的高溫氣體由分解爐頂部抽出，通過稀釋冷卻器冷卻至400℃以下，利用旋風分離器分離出CaO粉塵，含塵氣體進入預熱器出口管道內；收集的CaO由溜管經鎖風閥進入Ca（OH）2漿液反應罐。CaO的抽取點盡量選擇在分解爐頂部或分解爐出口管道部位。CaO的取料點的選擇，應通過分解爐內部流場模擬，選擇粉塵濃度高的地方開孔。

（2）CaC03制備與收集。CaC03的制備相對簡單，主要是選用CaC03含量>90%的優質石灰石，經生料磨粉磨通過收塵器收集，然后輸送至具有一定儲量的鋼板倉儲存備用。

（3）Ca（OH）2脫硫漿液的制備與儲存。收集的CaO與水反應生成高濃度Ca（OH）2漿液，經攪拌器充分攪拌，反應罐下部濃度較高的漿液依靠重力送入Ca（OH）2儲存罐，再加入適量水稀釋成濃度20%-30%的漿液備用。Ca（OH）2反應罐應設于預熱器一層或二層，收集的CaO直接入反應罐，減少中間輸送。儲存罐布置于預熱器附近并臨近反應罐，使反應罐內的漿液不需要輸送泵，利用高差自流入儲存罐，以減少設備投資及運行成本。反應罐及儲存罐的容積根據漿液用量確定，一般為4h的儲期；為運輸方便，罐體φ≤3.5m，高度根據儲量要求確定。

（4）CaCO3脫硫漿液的制備與儲存。計量后的CaCO3經輸送系統送入攪拌罐，加水攪拌形成濃度20%-30%的漿液備用。

（5）脫硫漿液的輸送與霧化。制備并儲存好的脫硫漿液由輸送泵送至增濕塔及原料磨，經噴槍霧化后，與煙氣中的S02反應，降低煙氣中S02排放濃度。增濕塔是脫硫劑的主要噴入點，利用現有的噴水孔共有15臺噴槍，不需另外改造，只更換噴槍即可。原料磨脫硫劑的噴入點選擇在入磨風管前端，設2臺噴槍，噴槍噴嘴方向應與氣流方向相反，以使漿液與氣體充分接觸反應，使脫硫效果更好。

四、調試運行情況

為比較兩種脫硫劑的使用效果，有針對性地選擇了兩條熟料生產線進行試驗：ZG水泥廠使用CaCO3脫硫劑，DG水泥廠使用Ca（OH）2脫硫劑。

4.1 CaCO3脫硫劑

ZG水泥廠初始S02排放濃度400mg / Nm3，SO2排放濃度隨著CaCO3噴入量增加逐步降低，增濕塔噴入量9t/ h時，脫硫效率約30%；繼續加大噴入量后入磨風溫由190℃左右降至170℃，出磨風溫大幅降低，臺時產量下降30t/h- 40t / h。繼續向原料磨出口噴入漿液量>2t/h，原料磨進出口溫度均偏低，磨機不僅產量大降，而且會飽磨或振停。當增濕塔噴入量繼續加大，出口溫度會降至150℃以內，增濕塔出現濕底。

CaCO3脫硫劑降低SO2排放濃度的效率僅為30%左右，實際應用效果不理想，主要原因為CaCO3活性低。

4.2 Ca（OH）2脫硫劑

DG水泥廠脫硫試驗的運行調試先后分3階段，SO2排放濃度隨Ca（OH）2噴入量增加逐步降低，中控顯示SO2排放濃度由350mg/Nm3-400mg/Nm3降低為180mg/Nm3，脫硫效率約為45%-55%，最終實現達標排放。調試中的漿液濃度越高，脫硫效率越高，但超過一定濃度后噴槍易堵，系統運行不穩定。試驗證明，采用20%濃度漿液時系統運行穩定；漿液用量越大時，脫硫效率越高，但超過一定量后會造成增濕塔濕底，應控制增濕塔出口溫度在150℃以上。

以Ca（OH）2為脫硫劑降低SO2排放濃度的效率為50 %左右，當熟料生產線SO2初始排放濃度不超過400mg/Nm3時，使用Ca（OH）2脫硫劑完全可以實現達標排放。

五、結語

熱生料噴注脫硫技術的開發利用效果驗證有據，工藝簡單、投資少、運行成本低。（1）利用增濕塔取代外置反應塔，作為脫硫反應區，原料磨停機時，噴漿過程可兼顧系統降溫作用。（2）選擇分解爐內高濃度CaO為脫硫劑，無需購買脫硫劑。（3）脫硫劑及反應產物無需儲存、運輸，直接收集利用再進入系統。

參考文獻

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