陶瓷行业烟气半干法综合治理技术分析

黄宾　王力行　杨立群

摘 要：针对陶瓷行业喷雾塔和辊道窑的传统烟气处理存在的问题，本文介绍了一种烟气半干法综合治理技术，分析了其脱硫除尘的物理化学过程和原理，以及采用该系统取得的节能降耗和环保效果，指出了未来脱硫除尘治理的发展方向。

关键词：陶瓷；烟气；脱硫；半干法；治理

1 引言

陶瓷企业所产生烟气主要来自于喷雾干燥塔和烧成窑炉，这些烟气的主要污染物是粉尘和二氧化硫。目前陶瓷企业的烟气脱硫治理方式大多是采用传统的方法，即喷雾塔外排烟气采用袋除尘器+双碱法脱硫塔的方式，而辊道窑烟气脱硫采用湿法脱硫方式。事实上，这些传统的烟气脱硫方式在运作过程中还存在很多的问题，影响了企业的生产和环保治理效果。

本文主要介绍一种烟气半干法综合治理技术，专门针对喷雾塔和陶瓷辊道窑的烟气进行脱硫除尘一体化处理。

2 传统烟气脱硫方式及存在的问题

2.1 传统烟气脱硫方式

2.1.1喷雾塔外排烟气

喷雾塔外排烟气的治理工艺采用袋除尘器+双碱法脱硫塔的方式。该方法的布袋除尘器设置是每个喷雾塔配一台布袋除尘器，然后将经过布袋除尘器的烟气集中到一座脱硫塔内进行脱硫。

2.1.2陶瓷辊道窑烟气脱硫

陶瓷辊道窑烟气脱硫采用湿法脱硫（双碱法脱硫工艺）。即把现有窑炉的烟气集中到一起，再进入一座喷淋塔进行脱硫，待烟气净化后再排放。

2.2 传统烟气脱硫方式存在的问题

从企业运作的情况来看，当前大多数企业采用的这种传统脱硫除尘工艺至少存在以下问题：

2.2.1影响通风，影响产量

很多陶瓷企业喷雾塔的布袋除尘器是在边生产、边改造的过程中完成的，造成环保设备布局混乱，管网连接迂回曲折，通风阻力过大。从而影响通风和生产，使喷雾塔产能下降。

2.2.2设计有结构缺陷，易沾粘堵塞，滤袋破损快

该类布袋除尘器最初的设计是用于处理干态烟气、粗颗粒粉尘的，不适合处理喷雾塔这种含水、含酸以及含焦油等多种沾粘成分的复杂烟气。清灰均采用箱式脉冲，每个室仅配一只脉冲阀，布袋上口处未设置喷吹管，清灰强度低，容易堵塞布袋，造成酸性物质凝聚，腐蚀布袋和箱体内壁。

2.2.3使用寿命短

由于生产工艺现状造成喷雾塔布袋除尘器时停时开，造成喷雾塔烟气中的水分在除尘器内积留。当除尘器停机超过一定时间时，除尘器的温度就会下降，积留在内部的水蒸汽就会凝结成小水滴，对设备造成腐蚀。

3 新型烟气脱硫除尘一体处理系统

3.1 系统设备

该烟气处理系统的主要设备包括：半干法脱硫塔系统、灰循环系统、吸收剂存储与输送系统、布袋除尘系统。烟气脱硫除尘一体处理系统如图1所示。

3.1.1半干法脱硫塔系统

半干法脱硫及烟气系统主要包括半干法脱硫塔、连接烟道。烟气由脱硫塔下部通过布风装置进入脱硫塔。雾化水由脱硫塔喉口部的双流体雾化喷嘴喷入脱硫塔，以很高的传质速率在脱硫塔中与烟气混合，烟气中小液滴与吸收剂颗粒以很高的传质速率和烟气中的SO2等酸性物质混合反应。

3.1.2 灰循环系统

为提高吸收剂的利用率，系统设有灰循环系统，可根据反应器中吸收剂的浓度来调整循环倍率。

3.1.3 吸收剂存储及输送系统

吸收剂存储设备主要是储粉仓。通过储粉仓下部出口的螺旋给料机送入空气斜槽，与空气斜槽中的循环灰混合后进入半干法脱硫塔。

3.1.4布袋除尘器系统

当脱硫反应后的含尘气体由脱硫塔进入布袋除尘器进风口，与导流板相撞击，在此沉降段内，粗颗粒粉尘掉入灰斗，起到预收尘的作用。考虑到喷雾塔烟气的特性和脱硫除尘效率的要求，布袋除尘器内部结构上增设了沉降室，进一步加强预收尘的作用。

气流随后折转向上，通过内部装有金属架的滤袋，粉尘被捕集在滤袋的外表面，使气体净化。净化后的气体进入滤袋室上部的清洁室，汇集到出风管排出。

3.2 系统技术设计

该技术主要是根据循环流化床理论和喷雾干燥原理，采用悬浮方式，使吸收剂在半干法脱硫塔内悬浮、反复循环，与烟气中的SO2充分接触、反应来实现脱硫的一种方法。

烟气脱硫工艺分为以下7个步骤：

（1） 吸收剂存储、输送和制备；

（2） 烟气雾化增湿调温；

（3） 吸收剂与含湿烟气雾化颗粒充分接触混合；

（4） 二氧化硫吸收；

（5） 灰循环；

（6） 废渣排除。

注：（2）、（3）、（4）、（5）四个步骤均在半干法脱硫塔中进行，其包括化学过程和物理过程。

3.2.1化学过程

当雾化水经过双流体雾化喷嘴在脱硫塔中雾化，并与烟气充分接触，烟气冷却并增湿，氢氧化钙粉颗粒同H2O、SO2和H2SO3反应生成干粉产物，整个反应分为气相、液相和固相三种状态反应，反应步骤及方程式如下：

（1） SO2被液滴吸收：

SO2（气）+H2O→H2SO3（液）

CaO经过干式消化器后变为Ca（OH）2：

CaO （固）+H2O（液）→Ca（OH）2（固）

（2） 吸收的SO2同溶液吸收剂反应生成亚硫酸钙：

Ca（OH）2（液）+H2SO3（液）→CaSO3（液）+2H2O

Ca（OH）2（固）+H2SO3（液）→CaSO3（液）+2H2O

（3） 液滴中CaSO3达到饱和后，即开始结晶析出：

CaSO3（液）→CaSO3（固）

（4） 部分溶液中的CaSO3与溶于液滴中的氧反应，氧化成硫酸钙：

CaSO3（液）+1/2O2（液）→CaSO4（液）

（5） CaSO4（液）溶解度低，从而结晶析出：

CaSO4（液）→CaSO4（固）

（6） 对未来得及反应的Ca（OH）2 （固），以及包含在CaSO3（固）、 CaSO4（固）内的CaO（固）进行增湿雾化：

Ca（OH）2（固）→Ca（OH）2（液）

SO2（气）+H2O→H2SO3（液）

Ca（OH）2（液）+H2SO3（液）→CaSO3（液）+2H2O

CaSO3（液）→CaSO3（固）

CaSO3（液）+1/2O2（液）→CaSO4（液）

CaSO4（液）→CaSO4（固）

（7） 布袋除尘器脱除的烟灰中的未反应的Ca（OH）2 （固），以及包含在CaSO3（固）、 CaSO4（固）内的Ca（OH）2 （固）循环至半干法脱硫塔内继续反应：

Ca（OH）2（固）→Ca（OH）2 （液）

SO2（气）+H2O→H2SO3（液）

Ca（OH）2（液）+H2SO3（液）→CaSO3（液）+2H2O

CaSO3（液）→CaSO3（固）

CaSO3（液）+1/2O2（液）→CaSO4（液）

CaSO4（液）→CaSO4（固）

3.2.2 物理过程

物理过程系指液滴的蒸发干燥及烟气冷却增湿过程。液滴从蒸发开始到干燥所需的时间，对脱硫塔的设计和脱硫率都非常重要。影响液滴干燥时间的因素有液滴大小、液滴含水量以及趋近绝热饱和的温度值。液滴的干燥大致分为两个阶段：第一阶段由于浆料液滴中固体含量不大，基本上属于液滴表面水的自由蒸发，蒸发速度快而相对恒定。随着水分蒸发，液滴中固体含量增加，当液滴表面出现显著固态物质时，便进入第二阶段。由于蒸发表面积变小，水分必须穿过固体物质从颗粒内部向外扩散，干燥速率降低，液滴温度升高并接近烟气温度，最后由于其中水分蒸发殆尽形成固态颗粒而从烟气中分离。雾化液滴的干燥及反应顺序如图2所示。

半干法脱硫塔内反应灰的高倍率循环使循环灰颗粒之间发生激烈碰撞，使颗粒表面生成物的固形物外壳被破坏，里面未反应的新鲜颗粒暴露出来继续参加反应。客观上起到了加快反应速度、干燥速度以及大幅度提高吸收剂利用率的作用。另外由于高浓度密相循环的形成，半干法脱硫塔内传热、传质过程被强化，反应效率、反应速度都被大幅度提高。而且反应灰中含有大量未反应吸收剂，所以半干法脱硫塔内实际钙硫比远远大于表观钙硫比。

在半干法脱硫塔内设置有多级增湿活化装置。经过增湿活化后原来位于反应物产物层内部的Ca（OH）2 从颗粒内部向表面发生迁移，并形成亚微米级细粒，沉积在颗粒表面或与表层产物层相互夹杂。迁移还改变了当地的孔隙结构。这些综合效果使反应剂重新获得反应活性。

4 系统工程实施

4.1 实施概况

本系统在某陶瓷公司实施，该公司现有两条辊道窑（产量分别为20000m2/天和12000m2/天）和两座喷雾塔。为达到最新环保要求，配套建设"半干法烟气脱硫系统+布袋除尘器"烟气净化系统，系统由烟气脱硫系统、布袋除尘器系统、灰循环系统、吸收剂存储给料系统、外排灰系统和增湿雾化水系统等组成。两条窑炉配置一套脱硫塔，两座喷雾塔各配置一套脱硫系统，三套脱硫系统尾部共同设置一套布袋除尘器。

4.1.1设计参数

该系统设计的窑炉烟气和喷雾塔烟气参数如表1和表2所示。

4.1.2 性能指标

在水、电、压缩空气和消石灰按设计要求正常供应，烟气排放质量满足脱硫装置设计参数情况下，烟气通过该系统处理后，系统排放的烟气中，粉尘≤30 mg/Nm3、SO2≤50 mg/Nm3。

4.2 系统设计及设备选型

4.2.1 烟道系统

两台喷雾塔烟气脱硫各采用一台脱硫塔（1#脱硫塔、2#脱硫塔），两条窑炉共用一台脱硫塔（3#），烟气分别先从相应脱硫塔下部进入，脱硫后三台脱硫塔烟气共同进入一台布袋除尘，经布袋收尘后由烟囱直排。

4.2.2 脱硫塔系统

（1）系统设计

在脱硫塔中，脱硫烟气和含吸收剂的循环灰接触，完成脱硫反应。

（2）设备选型

所选脱硫塔主要性能参数如表3所示。

4.2.3 吸收剂存储输送系统

（1） 系统设计

吸收剂采用消石灰作为原料，其存储和输送系统主要包括消石灰粉仓、变频卸灰阀、喷射泵、粉仓库顶除尘器等。

（2） 设备选型

1）消石灰粉仓；

2）粉仓库顶除尘器；

3）消石灰星型卸灰阀。

4.2.4 脱硫灰循环系统及输灰系统

（1） 系统设计

根据脱硫塔中灰的浓度和脱硫效率来调节循环倍率。

（2） 设备选型

1）空气斜槽；

2）循环灰流量控制阀；

3）循环灰星型卸灰阀；

4）外排灰气动阀；

5）罗茨风机；

6）循环灰斜槽流化风机。

4.2.5工艺水系统

（1）系统设计

工业水主要作用为：脱硫塔增湿活化及调节烟气温度用水。烟气通过蒸发雾状水来冷却。

（2）设备选型

1）脱硫水泵；

2）工艺水箱。

5 工程实例分析

某陶瓷企业采用该系统进行处理粉尘的治理，总处理烟气量约为700000 m3/h，滤袋的数量为3456条。在使用两年以后，对其布袋除尘器进行了全面检查，发现设备内部的情况良好，滤袋需要更换的数量只有300多条，为滤袋总数的十分之一。

5.1 延长设备使用年限

由于系统为多塔多窑炉共用一套系统，在单塔或单窑解列退出生产时，仍然能够维持设备内部的温、湿度，起到抑制烟气中的水出现结露的作用，延长设备的使用寿命。

5.2 降低能耗

本系统采用半干法脱硫工艺，系统的用水量小，水泵的功率小，一般为3～5 kW左右。不像湿法脱硫整个过程需要大量的喷淋水来吸收SO2，通常SO2浓度越高需要的液气比越高，循环水量也就越大，能耗也就越高。

5.3 降低成本

半干法脱硫系统所使用的吸收剂为熟石灰。

5.4 环保效果明显

系统实施企业经第三方检测机构在线监测，系统的颗粒物浓度、二氧化硫浓度都达到标准的要求，环保效果明显。

6 结语

本文针对陶瓷企业喷雾塔、辊道窑烟气中粉尘含水量高的特点，以及目前企业采用方法存在的问题，设计出包含半干法脱硫塔系统、灰循环系统、吸收剂存储与输送系统和布袋除尘系统的烟气半干法综合治理系统，能够取得比传统除尘脱硫系统明显的治理效果，可以延长设备的使用寿命、降低能耗和成本，具有明显的环保效果，是陶瓷行业未来除尘脱硫治理的一个发展方向。