水泥厂烟气脱硫工艺设计与应用

孙少鹏

摘 要：近几年随着环保理念愈来愈深入人心，国家对污染较重的行业开展了综合治理，工厂脱硫工艺的应用是其中非常重要的一部分。本文阐述了水泥厂产生二氧化硫的机理，提出了水泥厂烟气脱硫设计工艺，并对其应用效果进行了分析。

关键词：水泥厂 烟气脱硫 工艺设计

一、水泥窑SO2产生机理

水泥熟料煅烧产生的SO2主要来自两部分，一部分源于生料，一部分源于燃料。原料中的硫主要以有机硫化物、硫化物（简单硫化物或者复硫化物如硫铁矿）或硫酸盐的形式存在，单质硫可忽略；原料中的硫酸盐在预热器系统中通常不会形成SO2，大多进入窑系统。生料中的硫化物和有机硫400℃-600℃温度下生成SO2随废气排出，特定条件下部分SO2与生料中碱性物质等反应生成相应的硫酸盐随物料进入分解炉，参与内循环；随废气排出的SO2经烟气管道、增湿塔、生料磨或除尘器，大部分被生料吸收，并再次送入预热器，参与外循环。部分硫酸盐随熟料离开窑系统。

燃料中的硫存在形式与原料相同，有硫化物、硫酸盐和有机硫。燃料在分解炉或者回转窑燃烧，低价态的硫化物，特定条件下一部分直接氧化成SO3，形成穩定的硫酸盐；另一部分则氧化成SO2。绝大多数SO2能够与高温的碱性热生料和O2发生反应生成硫酸盐。剩下的少部分SO2会与生料中氧化释放出来的SO2汇合，通过烟囱排放。反应生成的硫酸盐主要有K2SO4、Na2SO4、CaSO4等，它们的熔融温度分别为1074℃、852℃、1397℃，会在分解炉锥部、缩口、四级筒和五级筒等温度适宜部位产生结皮；如果回转窑存在还原气氛，硫酸盐矿物在CO和C的还原下重新生成SO2及粉尘，或温度超过1 500℃的情况下，发生挥发现象，参与内循环。水泥熟料生产中原料硫和硫化物直接影响熟料生产线SO2排放水平；燃料中硫含量和硫化物与烟气SO2的排放浓度关系不明显，但燃料中硫含量高会造成窑尾结皮堵塞。

二、脱硫技术方案

目前水泥熟料生产线降低SO2排放的方法可归纳为：

（1）热生料喷注脱硫；（2）湿法脱硫；（3）干脱硫剂喷注法。

脱硫方案的选择需综合考虑SO2的排放浓度、投资费用、运行费用、设备运转率等因素。因熟料煅烧工艺本身具有脱硫作用，即分解炉内新生成的高活性CaO能吸收烟气中的SO2形成无机盐。如废气用于烘干原料，则SO2在原料磨中被具有新鲜界面的石灰石颗粒进一步吸收，在湿度适中的情况下生成无机盐。针对SO2能被活性CaO和CaCO3颗粒吸收的特点，从生产线中提取高活性CaO或CaCO3，制备一定浓度的Ca（OH）2浆液或CaCO3浆液喷入到生产线合适位置，可以有效吸收系统中的SO2，降低废气中SO2的排放浓度。水泥窑脱硫方案应优先选择使用热生料喷注脱硫技术。生产线SO2初始排放浓度≤400 mg/Nm3时，最终排放浓度可达标；生产线SO2初始排放浓度>400mg/Nm3，该技术可用于前置脱硫，SO2脱除率约50%，为深化脱硫创造条件。

三、工艺设计

热生料喷注脱硫技术也称水泥窑自脱硫技术，主要包括三部分：脱硫剂制备与收集；脱硫浆液制备与储存；脱硫浆液输送与雾化。脱硫剂获取是关键。两种脱硫剂活性CaO或CaCO3，均可通过熟料生产线制备。

（1）活性CaO制备与收集。生料中的主要成分为CaC03，分解炉内高温分解为CaO，通过系统压差将含CaO粉尘的高温气体由分解炉顶部抽出，通过稀释冷却器冷却至400℃以下，利用旋风分离器分离出CaO粉尘，含尘气体进入预热器出口管道内；收集的CaO由溜管经锁风阀进入Ca（OH）2浆液反应罐。CaO的抽取点尽量选择在分解炉顶部或分解炉出口管道部位。CaO的取料点的选择，应通过分解炉内部流场模拟，选择粉尘浓度高的地方开孔。

（2）CaC03制备与收集。CaC03的制备相对简单，主要是选用CaC03含量>90%的优质石灰石，经生料磨粉磨通过收尘器收集，然后输送至具有一定储量的钢板仓储存备用。

（3）Ca（OH）2脱硫浆液的制备与储存。收集的CaO与水反应生成高浓度Ca（OH）2浆液，经搅拌器充分搅拌，反应罐下部浓度较高的浆液依靠重力送入Ca（OH）2储存罐，再加入适量水稀释成浓度20%-30%的浆液备用。Ca（OH）2反应罐应设于预热器一层或二层，收集的CaO直接入反应罐，减少中间输送。储存罐布置于预热器附近并临近反应罐，使反应罐内的浆液不需要输送泵，利用高差自流入储存罐，以减少设备投资及运行成本。反应罐及储存罐的容积根据浆液用量确定，一般为4h的储期；为运输方便，罐体φ≤3.5m，高度根据储量要求确定。

（4）CaCO3脱硫浆液的制备与储存。计量后的CaCO3经输送系统送入搅拌罐，加水搅拌形成浓度20%-30%的浆液备用。

（5）脱硫浆液的输送与雾化。制备并储存好的脱硫浆液由输送泵送至增湿塔及原料磨，经喷枪雾化后，与烟气中的S02反应，降低烟气中S02排放浓度。增湿塔是脱硫剂的主要喷入点，利用现有的喷水孔共有15台喷枪，不需另外改造，只更换喷枪即可。原料磨脱硫剂的喷入点选择在入磨风管前端，设2台喷枪，喷枪喷嘴方向应与气流方向相反，以使浆液与气体充分接触反应，使脱硫效果更好。

四、调试运行情况

为比较两种脱硫剂的使用效果，有针对性地选择了两条熟料生产线进行试验：ZG水泥厂使用CaCO3脱硫剂，DG水泥厂使用Ca（OH）2脱硫剂。

4.1 CaCO3脱硫剂

ZG水泥厂初始S02排放浓度400mg / Nm3，SO2排放浓度随着CaCO3喷入量增加逐步降低，增湿塔喷入量9t/ h时，脱硫效率约30%；继续加大喷入量后入磨风温由190℃左右降至170℃，出磨风温大幅降低，台时产量下降30t/h- 40t / h。继续向原料磨出口喷入浆液量>2t/h，原料磨进出口温度均偏低，磨机不仅产量大降，而且会饱磨或振停。当增湿塔喷入量继续加大，出口温度会降至150℃以内，增湿塔出现湿底。

CaCO3脱硫剂降低SO2排放浓度的效率仅为30%左右，实际应用效果不理想，主要原因为CaCO3活性低。

4.2 Ca（OH）2脱硫剂

DG水泥厂脱硫试验的运行调试先后分3阶段，SO2排放浓度随Ca（OH）2喷入量增加逐步降低，中控显示SO2排放浓度由350mg/Nm3-400mg/Nm3降低为180mg/Nm3，脱硫效率约为45%-55%，最终实现达标排放。调试中的浆液浓度越高，脱硫效率越高，但超过一定浓度后喷枪易堵，系统运行不稳定。试验证明，采用20%浓度浆液时系统运行稳定；浆液用量越大时，脱硫效率越高，但超过一定量后会造成增湿塔湿底，应控制增湿塔出口温度在150℃以上。

以Ca（OH）2为脱硫剂降低SO2排放浓度的效率为50 %左右，当熟料生产线SO2初始排放浓度不超过400mg/Nm3时，使用Ca（OH）2脱硫剂完全可以实现达标排放。

五、结语

热生料喷注脱硫技术的开发利用效果验证有据，工艺简单、投资少、运行成本低。（1）利用增湿塔取代外置反应塔，作为脱硫反应区，原料磨停机时，喷浆过程可兼顾系统降温作用。（2）选择分解炉内高浓度CaO为脱硫剂，无需购买脱硫剂。（3）脱硫剂及反应产物无需储存、运输，直接收集利用再进入系统。

参考文献

[1]陈建文.烟气脱硫工艺的研究与发展[J]. 资源节约与环保. 2014（02）.

[2]徐文芳，杨准，姬晓娟.浅谈几种烟气脱硫工艺原理[J].科技与企业. 2012（21）.