水泥厂硫的产生形式与脱硫策略探究

黄 榕

晋能控股煤业集团有限公司水泥厂（037003）

0 前言

在环境问题日益加剧的今天，我国加大了对环境保护的重视，并推出多种环保政策指导工业生产，希望在生产过程中能够遵循节能减排原则，尽量控制污染物的排放量。水泥生产过程中，对于原煤材料的使用量较大，但原煤燃烧过程中会释放大量的二氧化硫。二氧化硫是大气污染中的主要污染物，也是造成酸雨的主要原因之一。从前期的自然灾害状况来看，酸雨的形成对各领域的发展均会带来严重影响，酸雨所带来的损失已经近100 亿元。因此，需加强对二氧化硫排放的控制，通过综合治理来降低二氧化硫排放量，减少二氧化硫对大气环境的影响。尤其在水泥厂生产中，需要加强对脱硫技术的应用，尽量控制硫的排放量。

1 硫的产生形式分析

1.1 硫化物的来源

结合以往的生产经验，水泥厂生产过程中硫的来源主要来自两个方面: 一方面原料中存在硫化物，一方面燃料中存在硫化物。根据硫化物来源的不同，硫的表现形式存在一定的差异。

原料中的硫主要源自铁矿石。除铁矿石原料以外，其余原料中的硫化物含量极少。铁矿石中的硫化物表现形式为FeS2，还有部分单硫化合物FeS。在水泥生产的过程中，铁矿石被投入预热器之后，当其温度超出400 ℃时，其中的部分硫化物便会产生氧化反应，并释放出二氧化硫。该反应一般集中发生在一级和二级旋风筒内。还有部分硫化物会在500～600 ℃的情况先发生氧化反应，生成二氧化硫气体，集中发生在二级筒内。由一、二级筒所产生的二氧化硫气体部分会被碱性物质吸收，而其余部分则直接进入增湿塔或者被作为生料立磨，经过除尘处理后，有部分会通过水泥窑的尾烟囱排放入大气[1]。

燃料中存在的硫化物普遍偏高，集中出现在水泥窑尾烟气中，其存在形式与原料中的硫化物相一致，包括有机硫、硫酸盐和硫化物等。在燃料燃烧的过程中，分解炉或水泥窑中的低价硫化物会有部分被氧化形成三氧化硫，三氧化硫趋于稳定后生成硫酸盐。还有部分硫化物被氧化生成二氧化硫，其中的大部分二氧化硫均能与分解炉内的高温碱性生料再次发生反应生成硫酸盐，而剩余的部分则会与氧气中的二氧化硫汇合由烟囱排出。

1.2 二氧化硫的生成原因

原料与燃料中存在的硫化物在投入回转窑后，会在其过渡带、烧成带与部分碱结合产生硫酸盐，而未与碱结合的部分则会以气体形式存在（SO2），并进入分解炉。由于分解炉中存在部分活性CaO，且分解炉内的温度属于脱硫反应的最佳发生温度，为此所生成的二氧化硫气体极易被分解炉中的CaO 所吸收。

因此，常规情况下，燃料中存在的硫化物很少由烟囱排出。但也存在例外，即当燃料燃烧过程中处于还原状态时，会破坏脱硫反应条件，致使存在大量硫化物。当燃料的燃烧性能不强，不得不通过提高烧成带温度来增强燃料燃烧率的状况下，也会破坏脱硫反应，致使CaO 难以有效吸收二氧化硫，造成大部分硫化物由烟囱排出。此外，在硫碱比过高情况下，也会导致排放大量的二氧化硫气体[2]。

2 有效的脱硫策略分析

2.1 生产设备脱硫方法

2.1.1 立磨机的脱硫作用

将生料投入立磨机之后，在立磨的过程中，其表面石灰石始终保持新鲜状态，且由于立磨机中的温度通常在200 ℃以下，导致其内部相对湿度偏高。虽然温度的降低可能会影响脱硫反应的速率，但其中部分参与反应的生料占据面积相对较大，且长时间停留的情况下，内部存在的水蒸气也会对脱硫反应起到促进作用。因此，立磨机中可以达到良好的脱硫效果。研究显示，采用立磨方式可以脱出近50%的硫化物，脱硫之后形成的产物在入窑之后又被氧化生成H2SO4和CaSO4。另外，有学者针对立磨开、停状态下的SO2排放浓度进行对比，开启立磨机的情况下，脱硫效果十分明显，可以脱出近60%的SO2，这些数据均可说明立磨机具有较好的脱硫作用[3]。

2.1.2 除尘器的脱硫作用

粉料进入除尘器后，因除尘器内部湿度相对较大，所以可以脱出部分硫化物。其中袋式除尘器的脱硫效果要优于电除尘器的脱硫效果，这主要是由于袋式除尘器可以对一些微小颗粒物具有较好的收集作用，可进一步增大脱硫效率。

2.1.3 增湿塔的脱硫作用

当粉尘含量较大时，高浓度的碱性热烟气进入增湿塔，粉尘会与塔内的水雾汇合，在排风机作用下生成固、气、液三相混合物。其中的部分汽化粉尘颗粒可以携带部分硫化物被水汽凝聚。因此，可以认为增湿塔对硫化物具有一定的捕捉作用。而增湿塔的硫化物捕捉效率与其自身的喷水量雾化程度、烟气在塔内停留的时间相关。

2.2 水泥窑系统生产线中的脱硫策略

2.2.1 生料预热处理环节的脱硫

一般来讲，脱硫反应的最佳温度为800～950℃，温度过高或者过低均会对脱硫反应速率造成一定程度的影响。在预热处理的过程中，由于在预热器内部的石灰石表面无法保持新鲜状态，且其中的CaO 和Ca(OH)2的含量偏低。同时，在预热器内部的一级筒、二级筒和三级筒中的温度均处于600 ℃以下，不满足脱硫反应要求，导致在预热器中的脱硫效率普遍不高[4]。

2.2.2 生料分解过程的脱硫策略

生料分解反应通常需要在分解炉内进行，而分解炉的运行机理决定了分解炉能够为干法脱硫反应创造十分理想的反应场所。从热力学的层面来讲，一些新生成CaO 具备较强的活性，与SO2发生反应的效率较高。分解炉下部几级旋风筒内的温度均在800～950 ℃，与脱硫反应的温度相符，可进一步提升脱硫反应速率。需要特别注意的是，如果分解炉内存在烟气过剩的现象，致使CO 和O2浓度偏低，则会对分解反应造成不利影响，进而影响分解过程中的脱硫效果。在缺氧情况下，除对分解炉的脱硫效果造成影响外，还会对上级预热器的脱硫作业产生不利影响。与湿法相比，此种作业环境中的还原反应气氛对SO2排放程度的影响偏低，但对于脱硫反应的作用效果仍旧不可忽视。此外，还有资料显示，旋风筒以及连接风管的布置方式也会对脱硫速率产生一定程度的影响，且生料处于脱硫反应适宜度范围内的时间长短也会直接影响分解过程中的脱硫速率。

2.2.3 在烧成带的脱硫策略

在水泥窑生产线中，硫的挥发与循环会受到诸多因素的影响，其主要影响因素为生料自身的易燃特性。如果生料缺乏易燃性，为了增强燃烧效果通常会采取增加烧成带温度的方式。在此种情况下，生料中的硫化物大量挥发，部分碱性硫酸盐存在十分稳定的特性，通过熟料离开水泥窑生产线。因此，生料中的硫碱比例也会对硫的挥发效果产生一定影响。通常来讲，可以通过对燃烧器的改良设计来降低硫化物的循环概率，达成控制硫挥发的目的。总体来说，水泥窑生产线中具备一定的脱硫作业，但需要各个生产环节的密切配合，通过控制硫的循环来减少二氧化硫排放量。

2.3 合理选用脱硫技术

2.3.1 干反应剂脱硫技术

干反应剂脱硫技术指的是，通过喷注的方式将熟石灰喷入预热器中的特定位置，将其作为反应剂促进脱硫速率的一种脱硫技术手段。有研究显示，将熟石灰喷入预热器中的两极旋风筒连接管道中，且控制钙硫比为2.5 和4 的状况下，脱硫效果较好，脱硫效率可达到70%。将其喷入顶级预热器的废气管道，且钙硫比为40～50 时，脱硫率可达65%。

2.3.2 喷雾干燥脱硫技术

喷雾干燥脱硫技术属于一种干湿结合脱硫技术，是先将石灰溶入水内形成浆液后，利用喷雾装置将其喷入吸收塔的一种脱硫手段。研究显示，喷雾干燥脱硫技术下的脱硫率最高可达90%。具体应用时可将石灰浆液注入增湿塔，由增湿塔中的喷嘴完成石灰浆液的喷洒工作。通常情况下，增湿塔中的喷雾嘴被分为两组，一组进行石灰浆液喷洒，另一组用于冷却水喷射。在喷水嘴的作用下，石灰浆液将被雾化成小的滴液，在与增湿塔内烟气中的二氧化硫接触后产生化学反应，确保烟气中二氧化硫的脱出效果。需要特别注意的是，烟气中未被反应的硫化物将会随着烟气流出增湿塔，此时可以使烟气进入除尘室，通过除尘器对烟气中的硫化物进行再次捕捉[5]。

2.3.3 热生料喷注脱硫技术

热生料喷注脱硫技术是指，将已经完成分解的生料再次喂入预热器的一、二级旋风筒除尘器中。通常需要将旋风除尘器装设在一级和二级旋风筒之间，并直接将由分解炉引出的废气转入旋风除尘器中，以达成脱硫效果。再将被收集到的粉尘重新喂入预热器中的废弃管道，因热生料中存在活性较大的CaO，致使其表现出了良好的脱硫效率。

2.3.4 湿式脱硫技术

湿式脱硫技术是目前应用范围较为广泛的一类脱硫技术，在众多生产行业中均表现出了良好的脱硫效果。如电力生产和冶金制造行业中，在水泥制造过程中也发挥了突出的脱硫作用。随着湿法脱硫技术的不断应用，已经研发出了一套专用的湿法脱硫设备。在具体应用的过程中，需要将湿法脱硫设备装设在除尘器后端，并将气体进口和成组雾化喷嘴分别装设在吸收塔的底部和吸收塔的顶端，石灰石和水的比例控制在2∶8。在实际脱硫的过程中，泵入设备将石灰石浆液泵入吸收塔顶端的雾化喷嘴，雾化喷嘴将其形成雾化状态并自由下落。在石灰石浆液自由下落的过程中，会直接与吸收塔内部的烟气形成逆向接触，此时便可达成脱出烟气中硫化物的目标。生成的部分CaSO4和CaSO3，直接落入沉降槽。当落入沉降槽的CaSO3与鼓入的空气接触后将被氧化生成石膏。该类石膏可被投入离心机制成含水率在15%左右的石膏，然后再次投入水泥窑生产线。被脱离出的部分水会被返回浆液池。在吸收塔内部的气体经除雾器处理，将内部悬浮颗粒物和水滴去除后，便可从烟囱排出。

动力波逆向喷射洗涤器属于湿法除硫技术的典型代表。进行脱硫操作时先将烟气注入风机自洗涤筒。而洗涤液则由另一端通过喷嘴对着烟气喷入洗涤筒，使烟气与洗涤液在洗涤筒内作相对方向的运动。此时，在液体喷射作用下使气体向外射向筒壁。由于气体流向和液体流向不同，二者的接触区域会形成较为强烈的端流，且产生较为稳定的泡沫。反应过程中所生成的CaSO3则会与底部空气氧化反应生成CaSO4，并被作为循环浆料被再次投入水泥生产线中，通过此种脱离技术可以将烟气中90%左右的硫化物去除。

上述几种脱硫技术各具优势，在实际应用中，需要根据水泥生产的工艺特点合理选择脱硫技术手段。其中干反应剂脱硫技术虽然表现出了高效脱硫的特点，但脱硫过程中的成本高，这主要是由于作为干反应剂的熟石灰价格偏高。喷雾干燥脱硫技术的成本明显低于干反应剂脱硫技术和湿法脱硫技术的成本，且其脱硫效率较好，并且无需对脱硫产物进行处理。在应用中，由于石灰浆液需要通过阀门、喷头和喷雾器等方式进入预热风机，极易造成预热风机堵塞问题，会增加预热风机的检修工作量。湿式脱硫技术是目前脱硫效率最高、脱硫效果最好的一类脱硫技术，且很少存在风机堵塞问题。但该项技术的设备运行成本较高，且技术要求较高，很难实现大范围推广与应用，而且脱硫之后产生的石膏中存在部分杂质，其利用价值不高，会产生部分资源浪费。相对比来看，热生料喷注脱硫技术更适宜我国的水泥厂脱硫作业。

3 结语

SO2作为对大气环境危害较大的一类污染物，急需采取有效的措施控制SO2的排放量。尤其在水泥生产中，由于SO2浓度较大，会对空气质量造成严重影响，需要在生产过程中做好脱硫处理工作，采取多种技术手段降低烟气中的SO2浓度，达到节能减排的发展目标。