NSCI5000t/d水泥生產(chǎn)線高效煙氣脫硫工程的探討

王道斌

2017年10月，中材裝備集團(tuán)有限公司承接了馬來西亞NSCI 5 000t/d水泥生產(chǎn)線高效煙氣脫硫工程EPC總承包項目，2018年6月項目完工。該水泥生產(chǎn)線位于距離馬來西亞吉隆坡市東南方向約100km 的森美蘭州馬口鎮(zhèn)（Bahau，Negeri Sembi?lan），在從Bahau通往Tampin公路的一側(cè)，現(xiàn)場面積約為70 000m2，似矩形，海拔62m。氣候條件為熱帶氣候，環(huán)境溫度：最高43℃，最低25℃，平均30℃；相對濕度：50%～90%；降水量：年平均1079.1mm，24h最大降水量：114mm；平均年降雨期：6個月；最大風(fēng)速：100km/h；地震：無。

生產(chǎn)線所用的煤種為優(yōu)質(zhì)的低硫煤，含硫量為0.26%～1%，但由于石灰石礦石中的含硫量極高（數(shù)值見表1），造成了窯尾排放煙氣中的SO2含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。2016年，第三方環(huán)保檢測機構(gòu)的實測數(shù)據(jù)顯示，生料磨關(guān)閉時，SO2排放濃度（煙囪出口）均值為2 100mg/m3（標(biāo)），生料磨運行時，SO2排放濃度均值達(dá)到1 100mg/m3（標(biāo)），脫硫改造勢在必行。

1 改造工藝方案

表1 石灰石原料成分檢測

1.1 脫硫工藝的選擇

目前國內(nèi)外有很多種脫硫方案，本項目選取的方案應(yīng)遵循以下原則：脫硫工藝技術(shù)成熟、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、有工業(yè)化業(yè)績；考慮窯爐容量和變化的要求；盡量減少對原有設(shè)施的拆改工程量；考慮脫硫劑供應(yīng)條件、脫硫副產(chǎn)品的綜合利用條件；考慮廠區(qū)總體布置條件等因素。

鑒于以上原則，本項目采用石灰—石膏濕法脫硫工藝，該工藝也是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、運行最可靠的工藝。

1.2 石灰—石膏濕法脫硫（FGD）工藝介紹

本工程采用石灰—石膏濕法脫硫工藝，使用窯尾袋收塵器收集的窯灰作為吸收劑，生產(chǎn)二水石膏（CaSO4·2H2O）。具體流程見圖1。

原煙氣從吸收塔中下部中心進(jìn)入吸收塔，與噴淋層噴出的石灰—石膏漿液逆向接觸，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過鼓入氧化空氣，對落入吸收塔漿池的反應(yīng)物進(jìn)行強制氧化反應(yīng)，使吸收塔漿池內(nèi)的亞硫酸鈣充分轉(zhuǎn)化為硫酸鈣，得到脫硫副產(chǎn)品石膏。這兩個過程的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

中和反應(yīng)：Ca（OH）2+SO2→CaSO3·1/2H2O

氧化反應(yīng)：2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O=2CaSO4·2H2O

經(jīng)吸收劑洗滌脫硫后的清潔煙氣，通過除霧器除去霧滴后成為凈煙氣，由吸收塔上側(cè)引出，經(jīng)凈煙氣煙道至煙囪排放。

吸收塔漿池內(nèi)的漿液，通過石膏漿液排出泵送至石膏旋流器進(jìn)行濃縮處理。石膏旋流器的溢流漿液返回吸收塔。石膏旋流器的底流漿液，自流到真空皮帶脫水機，進(jìn)一步進(jìn)行脫水處理，脫水后的石膏（表面含水率＜15%）送入石膏堆料間。

1.2.1 石灰漿液制備系統(tǒng)

為節(jié)約運行成本，脫硫劑就地取材，采用窯灰粉制漿。

收塵器收集的窯灰，通過輸送裝置送至脫硫系統(tǒng)的石灰粉倉。儲存于石灰粉倉中的窯灰粉，通過下料器進(jìn)入位于石灰粉倉下部的石灰漿液箱，由攪拌器將窯灰與工藝水?dāng)嚢瑁浞只旌现瞥蓾舛燃s20%～30%的石灰漿液，石灰漿液通過石灰漿液泵送至吸收塔進(jìn)行脫硫反應(yīng)。

1.2.2 煙氣系統(tǒng)

窯尾廢氣經(jīng)尾排風(fēng)機接入脫硫系統(tǒng)。

該生產(chǎn)線設(shè)有兩條支路：一路為旁路，經(jīng)尾排風(fēng)機去原煙囪；另一路為主干管道，經(jīng)尾排風(fēng)機去脫硫系統(tǒng)，脫硫后外排；每條支路用電動擋板閥門控制。

1.2.3 SO2吸收系統(tǒng)

該系統(tǒng)是脫硫的核心，由逆流式吸收塔、漿液循環(huán)泵、噴淋層、除霧器、氧化風(fēng)機及氧化空氣管路、吸收塔攪拌器、煙氣進(jìn)出煙道、漿液排放口、放空等接口、平臺樓梯欄桿等組成。

吸收塔采用塔槽一體化設(shè)計，底部為循環(huán)槽，上部為吸收區(qū)域。

圖1 脫硫工藝流程

系統(tǒng)設(shè)計有3層噴淋層，材質(zhì)為FRP，每層對應(yīng)一臺漿液循環(huán)泵。

圖2 脫硫系統(tǒng)布置外觀

系統(tǒng)設(shè)計有2層除霧器，上下設(shè)計有噴淋沖洗裝置，定時沖洗，或根據(jù)壓差自動清洗。

吸收塔側(cè)面設(shè)計有6根氧化空氣管、3臺側(cè)攪拌裝置，材質(zhì)皆為2507；攪拌裝置密封采用水壓機械密封，以防止粉塵顆粒進(jìn)入機械密封而導(dǎo)致機械磨損。

吸收塔設(shè)計有溢流口，為液封形式溢流口，防止內(nèi)部帶壓氣體溢出。

氧化風(fēng)機為2臺，1用1備。

循環(huán)泵為鋼襯高分子離心泵。

本區(qū)域設(shè)計有地坑，以收集本區(qū)域冷卻水、泄漏漿液、溢流漿液等，材質(zhì)為混凝土襯玻璃鋼鱗片。泵采用防腐型液下泵。

1.2.4 石膏脫水系統(tǒng)

來自吸收塔底部的石膏漿液，經(jīng)石膏排出泵輸送至石膏旋流器進(jìn)行一級脫水，濃縮后的漿液再經(jīng)真空皮帶脫水機脫水，脫水的同時對石膏進(jìn)行沖洗，以滿足石膏綜合利用的品質(zhì)要求。脫水石膏進(jìn)入石膏庫貯存，濾液則返回石灰漿液制備箱作為制漿用水，或作為吸收塔的補充水，以維持吸收塔內(nèi)的液面平衡。

1.2.5 工藝水和冷卻水系統(tǒng)

工藝水系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供吸收塔除霧器沖洗用水、石灰制漿和吸收塔液位調(diào)整用水、石膏及真空皮帶脫水機沖洗用水，以及設(shè)計中需要的各種其他用水。

優(yōu)化工藝水系統(tǒng)可節(jié)約用水。設(shè)備、管道及箱罐的沖洗水和設(shè)備的冷卻水可回收至地坑重復(fù)使用。

1.3 脫硫系統(tǒng)（FGD）布置

脫硫系統(tǒng)的布置需滿足工藝設(shè)計及有利施工安裝、運行維護(hù)的需要，并考慮到廠區(qū)總布置條件、交通運輸和水泥廠整體美觀和諧的需求，布局合理，節(jié)約空間，見圖2。

2 工程質(zhì)量

工程質(zhì)量規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)：執(zhí)行現(xiàn)行中國標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并符合馬來西亞政府及業(yè)主的要求。

工程驗收條件：

（1）窯尾主煙囪的SO2排放濃度（脫硫系統(tǒng)前的SO2濃度≤2 100mg/m3（標(biāo)），氧濃度含量為10%）≤200mg/m3（標(biāo)）；

（2）排泥中CaSO4·2H2O含量≥70%；

（3）系統(tǒng)電耗≤4.3kWh/t熟料；

（4）窯尾收塵器回灰料耗≤4.0t/h。

脫硫工程于2018年6月進(jìn)行了168h考核驗收，所有的指標(biāo)均優(yōu)于合同規(guī)定值。系統(tǒng)電耗實測值為3.3kWh/t熟料，窯尾收塵器回灰料耗為1.8t/h。

系統(tǒng)運行過程中，SO2排放濃度始終＜55mg/m3（標(biāo)），在3臺循環(huán)泵全部開啟的情況下，測試排放濃度＜30mg/m3（標(biāo)），該項目完全可以滿足超低排放的設(shè)計要求。

脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的灰渣為石膏即CaSO4·2H2O，本工程產(chǎn)生的副產(chǎn)品脫硫石膏的純度極高，成分檢測結(jié)果見表2。

檢測結(jié)果顯示，該脫硫石膏已十分接近天然石膏，完全可作為水泥緩凝劑自行消化，大大降低了脫硫系統(tǒng)運行成本。

3 環(huán)境及社會效益

環(huán)境保護(hù)工作愈來愈受到人們的重視，馬來西亞當(dāng)?shù)夭捎玫氖黔h(huán)保指標(biāo)總量控制政策，政府環(huán)保部門對于該水泥生產(chǎn)線所確認(rèn)的現(xiàn)有工程總量控制指標(biāo)為：煙塵控制在400t/年，SO2控制在900t/年范圍內(nèi)，具體折算到窯尾廢氣的SO2單位排放濃度為均值≯225mg/m3（標(biāo)）。

表2 脫硫石膏成分檢測（帕納科分析儀在線檢測結(jié)果）

為了說明本工程加裝脫硫裝置前后空氣污染物排放的變化，我們對窯尾廢氣加裝煙氣脫硫裝置前后空氣污染物的排放情況及由此產(chǎn)生的變化進(jìn)行了對比，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 本工程主要空氣污染物排放變化表

從表3可以看出，加裝煙氣脫硫裝置后，本工程排放的SO2和煙塵明顯減少，SO2和煙塵排放濃度也大大降低。

設(shè)計煤種SO2的排放量從1.05t/h減少到0.027 5t/h。設(shè)備年利用時間按8 000h計算，每年的SO2排放量可由8 400t減少到220t，比脫硫前每年減少SO2排放8 180t；SO2排放濃度（煙囪出口）則由2 100mg/m3（標(biāo)）下降到55mg/m3（標(biāo)），遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》以及馬來西亞當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策所允許的排放限值。

煙塵排放濃度（煙囪出口）由49mg/m3（標(biāo)）下降到25mg/m3（標(biāo)）以下，實際排放濃度滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

石灰-石膏濕法脫硫系統(tǒng)對煙氣中的NOX去除作用不大，該生產(chǎn)線排放的NOX，脫硫前后基本不發(fā)生變化。

通過以上分析可知：本工程投運后，窯尾廢氣排放的空氣污染物SO2和煙塵將明顯減少，從而可減輕該地區(qū)SO2和煙塵污染負(fù)荷，并達(dá)到污染物排放總量控制的目標(biāo)，環(huán)境和社會效益顯著。

4 經(jīng)濟(jì)效益

本次煙氣脫硫工程帶來的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）改造前，馬來西亞政府已對NSCI 5 000t/d水泥公司的SO2排放征收排污費，脫硫工程投入運行后每年可減少交納排污費648萬元。

（2）原尾排煙囪煙氣含硫量極高，導(dǎo)致銹蝕嚴(yán)重，實測煙囪每年損失厚度1.2mm，以此推算，兩年后煙囪將無法使用。業(yè)主之前已考慮更換煙囪，造價約500萬元。隨著脫硫工程的投入運行，此部分費用可節(jié)省。

（3）本脫硫工程的脫硫劑為就地取材，采用的是窯尾袋收塵器回灰。僅在原料損耗方面，運行成本每年即可節(jié)省206萬元（脫硫劑按90%純度石灰石粉計，每年需要13 750t）。

（4）脫硫石膏的回收利用。脫硫石膏目前已用作緩凝劑，水泥廠自行消化，產(chǎn)量為每年21 500t，因此帶來的經(jīng)濟(jì)效益為430萬元/年。

圖3 新增一路pH計支管

5 脫硫工程設(shè)計優(yōu)化和建議

5.1 真空水環(huán)泵密封水調(diào)整

業(yè)主的工藝水來水水壓不足，主管道壓力最低時僅能達(dá)到0.13MPa，而工藝要求，到脫硫系統(tǒng)附近的主管水壓需要始終保持在0.2MPa以上，才可保證脫硫系統(tǒng)投運后的穩(wěn)定運行。經(jīng)與業(yè)主溝通，目前無法將水壓調(diào)整到需求值。就此對系統(tǒng)所有的工藝水用水點進(jìn)行了排查，發(fā)現(xiàn)真空泵運行受影響最大（真空泵布置在脫硫綜合樓頂部，離地面高度15.25m，所需密封水水壓最低0.16MPa），其余用水處可維持運行。

處理方案：保留原工藝水管路，新增一濾布沖洗水泵出口管支管水路至真空泵。濾布沖洗水泵和真空泵始終是同步運行的，且沖洗水泵的流量及揚程（55m）均有設(shè)計余量，完全滿足真空泵密封水的要求。設(shè)備開啟順序需要注意，真空泵開啟前應(yīng)先開啟濾布沖洗水泵。

設(shè)計優(yōu)化：真空泵建議就地布置，則密封水不再受工藝水的水壓所限，此建議已在蕪湖南方水泥有限公司2×4 500t/d水泥生產(chǎn)線窯尾煙氣濕法脫硫工程及河源市金杰環(huán)保建材有限公司4 500t/d水泥生產(chǎn)線窯尾煙氣脫硫工程上得到了應(yīng)用。

5.2 pH計管道優(yōu)化（見圖3）

初始設(shè)計的pH計安裝在循環(huán)泵1（功率最低的那臺）出口管路的支管上，設(shè)計上考慮此臺循環(huán)泵為常開泵，其余兩臺可以根據(jù)煙氣含硫量的變化自行調(diào)整運行和關(guān)停。此設(shè)計的缺陷在于，當(dāng)循環(huán)泵1跳停時，pH計將失去作用。

優(yōu)化處理：為pH計新增一路循環(huán)泵2出口管路的支管（如圖3所示），兩個支路均有閥門獨立控制，則當(dāng)循環(huán)泵1關(guān)停時可以開啟新增支管，pH計仍可正常使用，無需人工檢測pH值。

5.3 地坑液位計位置更改

地坑液位計選用的是高頻雷達(dá)液位計，安裝位置在地坑頂部。現(xiàn)場安裝時將此液位計安裝在靠近地坑攪拌器的位置。正常運行工況下，液位高于攪拌器葉片，但是考慮到極端情況，液位低于攪拌器葉片時，由于葉片的干擾，顯示的數(shù)值和實際液位會有偏差，因此現(xiàn)場調(diào)整了液位計的位置，將其安裝在了遠(yuǎn)離攪拌器的地方。在今后的脫硫設(shè)計中均需注意此處。

圖4 噴淋層帶水實驗

5.4 脫硫噴嘴安裝角度調(diào)整

脫硫塔噴淋層施工結(jié)束后進(jìn)行了帶水實驗，噴淋效果極佳（見圖4），但對脫硫塔壁及噴淋層支撐梁的沖刷也較嚴(yán)重。支撐梁除正常防腐外，外部應(yīng)考慮包裹防沖刷PP板，此設(shè)想已在加拿大VC水泥脫硫項目上得到了應(yīng)用。本項目脫硫塔塔壁防腐厚度4mm，已達(dá)到電力行業(yè)脫硫的要求。為盡可能延長防腐壽命，建議調(diào)整靠近脫硫塔壁的噴嘴安裝角度，原脫硫噴嘴的噴淋角度為垂直向下，可將其向脫硫塔中心線的方向調(diào)整3°～5°后再進(jìn)行糊接，這樣即可大幅減少漿液對塔壁的沖刷。

6 結(jié)語

馬來西亞NSCI 5 000t/d水泥生產(chǎn)線高效煙氣脫硫工程是中材裝備集團(tuán)有限公司承接的第一條國外水泥生產(chǎn)線脫硫項目，也將成為國外水泥生產(chǎn)線石灰—石膏濕法脫硫的示范性項目。該項目投運至今運行平穩(wěn)，帶來了巨大的社會、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益，為實現(xiàn)脫硫技術(shù)及國產(chǎn)脫硫設(shè)備走向世界打下了堅實的基礎(chǔ)。