水泥窯熱生料高效脫硫技術(shù)的應用
北極星大氣網(wǎng)訊:摘要：詳細介紹了SO2形成機理、熱生料高效脫硫采取的措施及效益分析。實(shí)踐證明，水泥窯熱生料高效脫硫技術(shù)，可以有效降低SO2排放，而且投資、運行成本低，對窯系統影響小，在原燃料穩定時(shí)，可以實(shí)現低于50 mg/Nm3的排放控制。
SO2是水泥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的主要大氣污染物之一。我國GB4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》規定SO2排放限值為200mg/Nm3，重點(diǎn)地區為100mg/Nm3。京津冀等地區對水泥行業(yè)SO2排放限值則更為嚴格。這使得部分水泥生產(chǎn)線(xiàn)SO2排放超標；同時(shí)，隨著(zhù)未來(lái)含硫較高的劣質(zhì)原燃材料及替代燃料大規模使用，更多的硫將被帶入水泥生產(chǎn)過(guò)程，必然會(huì )引起SO2排放水平的持續增高。采用適當的脫硫技術(shù)控制SO2排放濃度，是水泥企業(yè)面臨的重要難題。按照《中華人民共和國環(huán)境保護法》第二十四條、《水泥工業(yè)大氣污染排放標準》要求，伊犁天山水泥有限責任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我公司”）把環(huán)境保護工作納入2019年年度工作計劃中，并建立環(huán)境保護責任制度，旨在降低SO2排放，達到標本兼治的目的。
1 生產(chǎn)情況
我公司擁有一條4500t/d熟料生產(chǎn)線(xiàn)，配置9 MW純低溫余熱發(fā)電站，生產(chǎn)線(xiàn)主機設備配置見(jiàn)表1。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我公司隨著(zhù)原燃材料的改變，近幾年來(lái)SO2排放值存在波動(dòng)。鑒于以上情況我公司臨時(shí)使用了脫硫劑來(lái)解決硫超標問(wèn)題。雖然解決了SO2波動(dòng)，但是運行成本偏高，每天使用脫硫劑費用約4萬(wàn)元。
2 水泥窯二氧化硫形成機理
水泥窯系統中的硫是由原料和燃料帶入的。原料中的硫以有機硫化物、無(wú)機硫化物（簡(jiǎn)單硫化物或者復硫化物）或者硫酸鹽的形式存在，單質(zhì)硫可以忽略不計。原料中存在的硫酸鹽在預熱器系統通常不會(huì )形成SO2氣體，大體上都會(huì )進(jìn)入窯系統。其中一部分硫酸鹽會(huì )在窯內高溫帶發(fā)生分解，生成的SO2氣體隨煙氣向窯尾運動(dòng)，在到達最低兩級預熱器等溫度較低區域時(shí)，冷凝在溫度較低的生料上，并隨生料沉積一起進(jìn)入窯內，形成一個(gè)在預熱器和窯之間的循環(huán)，而未分解的硫酸鹽則會(huì )隨著(zhù)熟料離開(kāi)窯系統。原料中以其他形式存在的硫，則會(huì )在300~600℃被氧化生成SO2氣體，主要發(fā)生在五級預熱器的C2旋風(fēng)筒。
表1 燒成系統主機設備配置
在預分解窯系統內，燃料由窯頭和分解爐喂入。分解爐燃料燃燒生成的SO2會(huì )被分解爐存在的大量活性CaO吸收，生成的CaSO4隨物料經(jīng)最低級旋風(fēng)筒由窯尾煙室進(jìn)入窯內。窯頭喂入的燃料產(chǎn)生的SO2則會(huì )隨煙氣進(jìn)入分解爐系統內，并被分解爐內的堿性氧化物吸收，形成硫酸鹽進(jìn)入回轉窯。因此，通常情況下燃料所含的硫均被CaO和堿性氧化物吸收，生成硫酸鹽。
硫化物所產(chǎn)生的SO2在通過(guò)上級旋風(fēng)筒時(shí)部分會(huì )被吸收，其余則隨廢氣一道從預熱器排出。如果廢氣用于烘干原料，則SO2在生料磨中進(jìn)一步被吸收。其中，需要指出的是，在預熱器環(huán)境下，當溫度低于600℃時(shí)，CaCO3對SO2的吸收效率要遠低于CaO。上面兩級預熱器中CaCO3分解率較低，雖然會(huì )有少量CaO被煙氣從分解爐帶上去，但吸收效率很低。
總之，新型干法水泥生產(chǎn)過(guò)程中的SO2排放通常與燃料帶入的硫和硫酸鹽在預熱器和窯之間的循環(huán)關(guān)系不大，而與原料中硫化物的量密切相關(guān)。
3 水泥窯熱生料高效脫硫
熱生料高效脫硫即在窯尾和預熱器之間增設脫硫裝置，主要解決以下三個(gè)問(wèn)題：
（1）由于原材料的變化，來(lái)自原燃材料硫化物升高，造成二氧化硫波動(dòng)范圍較大，在窯尾煙室、下料斜坡和旋風(fēng)筒錐體部位容易發(fā)生結皮堵塞等現象，嚴重影響到燒成系統的穩定和正常運行；
（2）在春秋季生產(chǎn)外界溫度低，窯內及預熱器有害污染物吸附在窯尾收塵器布袋上，影響窯的正常煅燒和產(chǎn)品質(zhì)量；
（3）影響水泥的質(zhì)量，熟料中的堿含量較高，會(huì )導致混凝土發(fā)生膨脹性骨料反應；
（4）水泥熟料中氯含量較高會(huì )腐蝕混凝土中的鋼筋，影響結構強度。
水泥窯熱生效高效脫硫的作用：
（1）降低二氧化硫排放值；
（2）消除窯尾收塵器布袋結露問(wèn)題，保證窯正常運行，提高產(chǎn)品質(zhì)量；
（3）降低原料中揮發(fā)性有害物質(zhì)的含量，保證水泥窯系統穩定運行和熟料的質(zhì)量；
（4）不使用脫硫劑，大大降低生產(chǎn)成本；
（5）不會(huì )造成氨逃逸超標。
4 技改方案
為了降低SO2排放，我公司委托吉林省惠凈環(huán)保有限公司負責生產(chǎn)線(xiàn)脫硫技改項目設計與施工。該項目于2019年4月8日開(kāi)始現場(chǎng)改造施工，5月20日完成改造，技改目標SO2每小時(shí)平均排放濃度≤100 mg/Nm3。
水泥窯熱生料高效脫硫方案：考慮CaO與SO2具有較高的反應速率，因此通過(guò)從分解爐內適當位置安裝脫硫管道至SO2高濃度排放位置，抽取含大量CaO的熱生料作為脫硫劑，利用高活性氧化鈣進(jìn)行干法脫硫。該方案具有施工周期短、效果顯著(zhù)、無(wú)動(dòng)力設備等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，考慮后期排堿需要，可以自行定期外排高硫高堿窯灰。圖1為熱生料高效脫硫技改施工現場(chǎng)。
技改工程質(zhì)量控制：各閥門(mén)可控性、密封性和可靠性要重點(diǎn)控制；各操作點(diǎn)要有操作檢修平臺設施；調試按方案規程操作。
調試過(guò)程：對改造前SO2排放數據進(jìn)行雙方確認，開(kāi)窯投料，進(jìn)行SO2數據對比；若未達標，閥門(mén)開(kāi)度30%，進(jìn)行SO2數據對比分析，同時(shí)觀(guān)察窯尾余熱發(fā)電鍋爐、高溫風(fēng)機和窯尾袋收塵器進(jìn)口溫度變化；若還未達標，閥門(mén)開(kāi)度50%，進(jìn)行SO2數據對比分析，同時(shí)觀(guān)察上述三個(gè)設備進(jìn)口溫度變化，必須要保證袋收塵器進(jìn)口溫度在200℃以?xún)?，防止燒損濾袋。依此類(lèi)推，超過(guò)50%閥門(mén)開(kāi)度后，每次開(kāi)度調整幅度只能加10%，超過(guò)70%閥門(mén)開(kāi)度后，每次開(kāi)度調整幅度只能加5%，每次調整后，觀(guān)察不得低于1 h?；赟O2達標排放同時(shí)閥門(mén)開(kāi)度最小的原則來(lái)判定閥門(mén)的最佳開(kāi)度。
5 運行效果
在原材料沒(méi)有變化的情況下，對比了水泥窯熱生料高效脫硫技改前后窯尾煙囪的SO2排放情況，見(jiàn)表2。
表2 技改前后窯尾煙囪SO2排放情況
6 生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題與解決措施
存在的問(wèn)題：
（1）分解爐接口處容易結塊；
（2）控制風(fēng)門(mén)閘閥不靈活；
（3）對高溫風(fēng)機風(fēng)葉造成磨損。
解決措施：
（1）在分解爐接口處安裝檢修門(mén)，當SO2排放值升高時(shí)，中控操作員及時(shí)通知巡檢工，對接口處進(jìn)行清理，確保SO2排放值控制在合理范圍內；
（2）控制閥門(mén)必須采用耐高溫風(fēng)閥（800~1 000℃）；
（3）SO2排放值在合理范圍內，盡可能減小風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，降低高溫風(fēng)機風(fēng)葉的磨損。
7 技改效益分析
1）脫硫效率高
與傳統熱生料或CaO干法脫硫相比，該技術(shù)在控制鈣硫摩爾比基礎上，脫硫效率可以達到80%，當SO2初始排放濃度較低時(shí)其脫硫效率更高。
2）運行成本低
系統采用水泥生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的熱生料作為脫硫劑，且所用熱生料量有限；系統運行成本幾乎為零。相比較前期使用脫硫劑，按照SO2排放濃度低于100mg/Nm3的標準，每天共計節約脫硫劑使用費用約4萬(wàn)元。
3）運行可靠性高
該技術(shù)繼承了傳統水泥窯干法脫硫技術(shù)的優(yōu)勢，工藝布置簡(jiǎn)單，運行可靠性高。
4）投資成本低
該技術(shù)具有與傳統水泥窯干法脫硫相當的投資成本，約為濕法脫硫、半干法脫硫等技術(shù)投資成本的1/10~1/15，且一次投入終身受用。
5）對窯系統影響不大
通過(guò)窯系統與脫硫系統優(yōu)化，在保證脫硫效率的情況下，該技術(shù)所用熱生料量非常小，對窯系統產(chǎn)量、質(zhì)量無(wú)明顯影響，對窯系統整體熱耗幾乎無(wú)影響。