水泥窑石灰石-石膏湿法脱硫工艺介绍

罗振

1 前言

随着国家对大气环境质量要求的逐渐提高，水泥窑窑尾烟气中的污染物排放限值随之降低，我国最新修订的国家标准GB 4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》中规定，水泥窑及窑尾余热利用系统的SO2排放浓度要求≤200mg/m3（标），重点地区排放浓度甚至≤100mg/m3（标）。通过监控窑尾烟气的排放状况，某些现有的水泥窑窑尾烟气SO2的排放浓度未能达到国家规定的排放指标，使得这些水泥企业必须新建脱硫系统以降低窑尾烟气中SO2的排放浓度，满足《水泥工业大气污染物排放标准》。

按脱硫是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫可分为湿法、半干法和干法三类工艺。石灰石湿法脱硫技术成熟稳定，效率高，Ca/S比低，运行可靠，操作简单；干法和半干法的脱硫产物为干粉状，处理相对容易，工艺简单。但用石灰石作脱硫剂的干法、半干法的Ca/S相对比高，脱硫效率和脱硫剂的利用率低[1]。湿法和半干法脱硫工艺均可在水泥生产中得到应用，但受脱硫效率、脱硫剂的利用率、工艺成熟程度等影响，湿法脱硫工艺应用较广泛。

2 石灰石-石膏湿法脱硫的原理分析

石灰石-石膏湿法脱硫工艺采用石灰石作脱硫剂。石灰石经破碎磨成粉状与水混合搅拌制成脱硫剂浆液，在脱硫塔内，脱硫剂浆液与烟气接触混合，烟气中的SO2与浆液中的Ca2+以及鼓入的氧化空气进行化学反应，最终生成石膏，从而达到去除SO2的目的。

用石灰石-石膏湿法脱硫工艺脱硫的主要化学反应过程为[2]：

在脱硫塔内烟气中的SO2被浆液中的水吸收后与浆液中的CaCO3反应生成CaSO3·1/2H2O，落入脱硫塔浆液储槽内的CaSO3·1/2H2O被鼓入空气中的O2氧化，最终生成副产品石膏晶体CaSO4·2H2O。其主要化学反应式为：

吸收过程：

2CaCO3+H2O+2SO2→2CaSO3·1/2H2O+CO2↑氧化过程：

2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O→2CaSO4·2H2O

3 水泥生产线中石灰石-石膏湿法脱硫工艺介绍

在传统的石灰石-石膏湿法脱硫工艺基础上，结合水泥窑尾工艺和设备的特点，以我公司设计研发的配套5 000t/d水泥生产线为例，湿法脱硫工艺由烟气非标系统、脱硫剂制备系统、脱硫塔系统、石膏脱水系统、工艺水系统等子系统构成。图1为某5 000t/d熟料生产线脱硫工艺流程图。

3.1 烟气非标系统

烟气非标系统即脱硫的烟道系统。水泥窑脱硫系统中，将脱硫系统置于窑尾尾排风机和窑尾烟囱之间，使脱硫塔处于正压环境中。脱硫系统烟道包括窑尾尾排风机至脱硫入口的非标烟道，以及脱硫塔出口至窑尾烟囱的非标烟道。原尾排风机至烟囱段的非标烟道或直接拆除，或增加密封挡板门作为脱硫系统旁路。

3.2 脱硫剂制备系统

石灰石-石膏湿法脱硫系统中，脱硫剂制备是关键部分。传统的脱硫剂制备系统多采用湿式球磨机，或者直接采购细度为45μm筛筛余10%的石灰石粉，粉越细越好。而水泥窑尾辊磨系统生产的生料粉粒度级配及均匀性系数等均优于传统工艺制备的脱硫剂产品[3]。所以水泥窑的脱硫系统的脱硫剂粉可采用窑尾收尘器灰斗内的生料粉，也可采用窑尾余热发电灰斗内的生料粉。窑尾生料粉和工艺水同时输送至浆液制备槽中，在搅拌器的作用下，制备成固体浓度约为20%的脱硫浆液。脱硫浆液由该系统配置的提升泵送入脱硫塔内。

此系统中，如果生料粉无法直接依靠自身重力流向浆液制备槽中，则需要增加一套气力输送设备，主要设备有生料粉仓、小袋收尘器、气力输送泵、计量秤等。一般脱硫系统消耗的生料粉量较少，为成本考虑可以不设置计量秤设备。

3.3 脱硫塔系统

在整个湿法脱硫系统中，脱硫塔子系统是最核心的部分。脱硫塔系统主要包括脱硫塔本体、浆液循环泵、氧化风机等设备。脱硫塔由浆液区、反应区、喷淋层区、除雾区、烟气进口、烟气出口构成。窑尾含硫烟气由进口进入脱硫塔，在反应区与喷淋层喷出的石灰石浆液进行逆向接触，发生化学反应去除烟气中的SO2，已去除SO2的烟气流经脱硫塔上部的除雾器以去除烟气中的浆液雾滴，最后，已去除SO2及浆液雾滴的饱和烟气经脱硫塔出口进入尾排烟囱，排放至大气。

图1 某5 000t/d熟料生产线脱硫工艺流程图

脱硫塔系统主要包括以下设备：

（1）脱硫塔本体，其内部包含浆液搅拌器、浆液喷淋层、除雾器。搅拌器的作用是防止脱硫塔底部浆液区的石膏结晶沉淀，同时搅拌能增强氧化空气与浆液的混合和溶解，进而促进石膏结晶生产。

（2）浆液循环泵，其作用是将脱硫塔浆液区内的石灰石浆液提升至喷淋层，利用SiC喷嘴雨滴化浆液，使浆液多层覆盖在脱硫塔整个横截面上，让烟气与脱硫浆液充分接触。

（3）罗茨风机，其作用是向脱硫塔浆液区内鼓入大量的空气，将浆液中的CaSO3氧化成CaSO4，最终形成石膏结晶浆液。

（4）石膏泵，其作用是将浆液区内的石膏浆液排出塔体，送入石膏脱水系统进行终端脱水而形成石膏饼。

3.4 石膏脱水系统

石膏脱水系统作为水泥窑湿法脱硫的重要辅助系统，对脱硫塔运行指标、浆液条件、物料平衡、经济运行都有重要作用。脱硫塔石膏泵排出的石膏浆液经过旋流器、真空皮带机两级脱水，最终形成含水率约10%左右的石膏饼。皮带机脱水产生的滤液回流至脱硫塔内。

石膏脱水系统主要包括以下设备：

（1）旋流器，其作用是将来自脱硫塔内的石膏浆液进行初步脱水，形成50%的高浓度石膏浆液送至真空皮带机进行再次深度脱水，而旋流器产生的低浓度浆液回流至脱硫塔内。

（2）真空皮带机，其作用是将来自旋流器的高浓度浆液再次脱水为浓度大于90%的石膏饼，以完成最终的石膏脱水过程。

（3）真空水环泵，其作用是为真空皮带机提供高负压环境，以实现石膏浆液的深度脱水。

（4）滤液水箱和水泵，其作用是将滤液水回用至脱硫塔内。

3.5 工艺水系统

湿法脱硫系统中的耗水主要有两个方面，一是脱硫后饱和烟气中带走的水；二是石膏成品中所带走的水。而系统中滤液水回流、旋流器低浓度液回流、地坑浆液回流等措施都使得水能够被循环使用，我们在设计时要求尽可能提高水循环利用率，以减少工艺水耗量。以5 000t/d的生产线为例，一般系统耗水量维持在15～20t/h左右。

为了能向脱硫系统稳定地输入水源，应设置一套工艺水系统，主要向浆液制备槽、除雾器、真空皮带机等处供水。脱硫塔系统中的除雾器需要冲洗水量、水压稳定，以保证除雾器运行时不堵塞，不增加脱硫系统运行阻力。为保证石膏脱水系统中的皮带机运行稳定，同样需要为其提供流量和水压稳定的滤布冲洗水。因此，系统在设计中为除雾器和皮带机冲洗水单独配置了供水水泵和工艺水箱。

3.6 其他配置

湿法脱硫中除了上述几个子系统外，还有一些配置是必不可少的。如压缩空气设备、事故浆液槽、浆液管道与阀门、滤液水处理设备等。这些在系统设计时都需要相应配套。

4 结语

随着烟气污染物排放标准的提高，石灰石-石膏湿法脱硫系统的应用也越来越普遍。目前我公司已为中材亨达水泥公司、大冶尖峰水泥公司、ST MARYS CEMENT INC.（Canada）、NEGERI SEMBI⁃LAN CEMENT INDUSTRIES SDN.BHD（Malaysia）等国内外数条水泥生产线配套了安全、经济、可靠的水泥窑石灰石-石膏湿法脱硫系统。