NSCI5000t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)高效煙氣脫硫工程的探討

王道斌

2017年10月，中材裝備集團(tuán)有限公司承接了馬來(lái)西亞NSCI 5 000t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)高效煙氣脫硫工程EPC總承包項(xiàng)目，2018年6月項(xiàng)目完工。該水泥生產(chǎn)線(xiàn)位于距離馬來(lái)西亞吉隆坡市東南方向約100km 的森美蘭州馬口鎮(zhèn)（Bahau，Negeri Sembi?lan），在從Bahau通往Tampin公路的一側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)面積約為70 000m2，似矩形，海拔62m。氣候條件為熱帶氣候，環(huán)境溫度：最高43℃，最低25℃，平均30℃；相對(duì)濕度：50%～90%；降水量：年平均1079.1mm，24h最大降水量：114mm；平均年降雨期：6個(gè)月；最大風(fēng)速：100km/h；地震：無(wú)。

生產(chǎn)線(xiàn)所用的煤種為優(yōu)質(zhì)的低硫煤，含硫量為0.26%～1%，但由于石灰石礦石中的含硫量極高（數(shù)值見(jiàn)表1），造成了窯尾排放煙氣中的SO2含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。2016年，第三方環(huán)保檢測(cè)機(jī)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，生料磨關(guān)閉時(shí)，SO2排放濃度（煙囪出口）均值為2 100mg/m3（標(biāo)），生料磨運(yùn)行時(shí)，SO2排放濃度均值達(dá)到1 100mg/m3（標(biāo)），脫硫改造勢(shì)在必行。

1 改造工藝方案

表1 石灰石原料成分檢測(cè)

1.1 脫硫工藝的選擇

目前國(guó)內(nèi)外有很多種脫硫方案，本項(xiàng)目選取的方案應(yīng)遵循以下原則：脫硫工藝技術(shù)成熟、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、有工業(yè)化業(yè)績(jī)；考慮窯爐容量和變化的要求；盡量減少對(duì)原有設(shè)施的拆改工程量；考慮脫硫劑供應(yīng)條件、脫硫副產(chǎn)品的綜合利用條件；考慮廠區(qū)總體布置條件等因素。

鑒于以上原則，本項(xiàng)目采用石灰—石膏濕法脫硫工藝，該工藝也是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、運(yùn)行最可靠的工藝。

1.2 石灰—石膏濕法脫硫（FGD）工藝介紹

本工程采用石灰—石膏濕法脫硫工藝，使用窯尾袋收塵器收集的窯灰作為吸收劑，生產(chǎn)二水石膏（CaSO4·2H2O）。具體流程見(jiàn)圖1。

原煙氣從吸收塔中下部中心進(jìn)入吸收塔，與噴淋層噴出的石灰—石膏漿液逆向接觸，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)鼓入氧化空氣，對(duì)落入吸收塔漿池的反應(yīng)物進(jìn)行強(qiáng)制氧化反應(yīng)，使吸收塔漿池內(nèi)的亞硫酸鈣充分轉(zhuǎn)化為硫酸鈣，得到脫硫副產(chǎn)品石膏。這兩個(gè)過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

中和反應(yīng)：Ca（OH）2+SO2→CaSO3·1/2H2O

氧化反應(yīng)：2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O=2CaSO4·2H2O

經(jīng)吸收劑洗滌脫硫后的清潔煙氣，通過(guò)除霧器除去霧滴后成為凈煙氣，由吸收塔上側(cè)引出，經(jīng)凈煙氣煙道至煙囪排放。

吸收塔漿池內(nèi)的漿液，通過(guò)石膏漿液排出泵送至石膏旋流器進(jìn)行濃縮處理。石膏旋流器的溢流漿液返回吸收塔。石膏旋流器的底流漿液，自流到真空皮帶脫水機(jī)，進(jìn)一步進(jìn)行脫水處理，脫水后的石膏（表面含水率＜15%）送入石膏堆料間。

1.2.1 石灰漿液制備系統(tǒng)

為節(jié)約運(yùn)行成本，脫硫劑就地取材，采用窯灰粉制漿。

收塵器收集的窯灰，通過(guò)輸送裝置送至脫硫系統(tǒng)的石灰粉倉(cāng)。儲(chǔ)存于石灰粉倉(cāng)中的窯灰粉，通過(guò)下料器進(jìn)入位于石灰粉倉(cāng)下部的石灰漿液箱，由攪拌器將窯灰與工藝水?dāng)嚢?，充分混合制成濃度約20%～30%的石灰漿液，石灰漿液通過(guò)石灰漿液泵送至吸收塔進(jìn)行脫硫反應(yīng)。

1.2.2 煙氣系統(tǒng)

窯尾廢氣經(jīng)尾排風(fēng)機(jī)接入脫硫系統(tǒng)。

該生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)有兩條支路：一路為旁路，經(jīng)尾排風(fēng)機(jī)去原煙囪；另一路為主干管道，經(jīng)尾排風(fēng)機(jī)去脫硫系統(tǒng)，脫硫后外排；每條支路用電動(dòng)擋板閥門(mén)控制。

1.2.3 SO2吸收系統(tǒng)

該系統(tǒng)是脫硫的核心，由逆流式吸收塔、漿液循環(huán)泵、噴淋層、除霧器、氧化風(fēng)機(jī)及氧化空氣管路、吸收塔攪拌器、煙氣進(jìn)出煙道、漿液排放口、放空等接口、平臺(tái)樓梯欄桿等組成。

吸收塔采用塔槽一體化設(shè)計(jì)，底部為循環(huán)槽，上部為吸收區(qū)域。

圖1 脫硫工藝流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3層噴淋層，材質(zhì)為FRP，每層對(duì)應(yīng)一臺(tái)漿液循環(huán)泵。

圖2 脫硫系統(tǒng)布置外觀

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2層除霧器，上下設(shè)計(jì)有噴淋沖洗裝置，定時(shí)沖洗，或根據(jù)壓差自動(dòng)清洗。

吸收塔側(cè)面設(shè)計(jì)有6根氧化空氣管、3臺(tái)側(cè)攪拌裝置，材質(zhì)皆為2507；攪拌裝置密封采用水壓機(jī)械密封，以防止粉塵顆粒進(jìn)入機(jī)械密封而導(dǎo)致機(jī)械磨損。

吸收塔設(shè)計(jì)有溢流口，為液封形式溢流口，防止內(nèi)部帶壓氣體溢出。

氧化風(fēng)機(jī)為2臺(tái)，1用1備。

循環(huán)泵為鋼襯高分子離心泵。

本區(qū)域設(shè)計(jì)有地坑，以收集本區(qū)域冷卻水、泄漏漿液、溢流漿液等，材質(zhì)為混凝土襯玻璃鋼鱗片。泵采用防腐型液下泵。

1.2.4 石膏脫水系統(tǒng)

來(lái)自吸收塔底部的石膏漿液，經(jīng)石膏排出泵輸送至石膏旋流器進(jìn)行一級(jí)脫水，濃縮后的漿液再經(jīng)真空皮帶脫水機(jī)脫水，脫水的同時(shí)對(duì)石膏進(jìn)行沖洗，以滿(mǎn)足石膏綜合利用的品質(zhì)要求。脫水石膏進(jìn)入石膏庫(kù)貯存，濾液則返回石灰漿液制備箱作為制漿用水，或作為吸收塔的補(bǔ)充水，以維持吸收塔內(nèi)的液面平衡。

1.2.5 工藝水和冷卻水系統(tǒng)

工藝水系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供吸收塔除霧器沖洗用水、石灰制漿和吸收塔液位調(diào)整用水、石膏及真空皮帶脫水機(jī)沖洗用水，以及設(shè)計(jì)中需要的各種其他用水。

優(yōu)化工藝水系統(tǒng)可節(jié)約用水。設(shè)備、管道及箱罐的沖洗水和設(shè)備的冷卻水可回收至地坑重復(fù)使用。

1.3 脫硫系統(tǒng)（FGD）布置

脫硫系統(tǒng)的布置需滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)及有利施工安裝、運(yùn)行維護(hù)的需要，并考慮到廠區(qū)總布置條件、交通運(yùn)輸和水泥廠整體美觀和諧的需求，布局合理，節(jié)約空間，見(jiàn)圖2。

2 工程質(zhì)量

工程質(zhì)量規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)：執(zhí)行現(xiàn)行中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并符合馬來(lái)西亞政府及業(yè)主的要求。

工程驗(yàn)收條件：

（1）窯尾主煙囪的SO2排放濃度（脫硫系統(tǒng)前的SO2濃度≤2 100mg/m3（標(biāo)），氧濃度含量為10%）≤200mg/m3（標(biāo)）；

（2）排泥中CaSO4·2H2O含量≥70%；

（3）系統(tǒng)電耗≤4.3kWh/t熟料；

（4）窯尾收塵器回灰料耗≤4.0t/h。

脫硫工程于2018年6月進(jìn)行了168h考核驗(yàn)收，所有的指標(biāo)均優(yōu)于合同規(guī)定值。系統(tǒng)電耗實(shí)測(cè)值為3.3kWh/t熟料，窯尾收塵器回灰料耗為1.8t/h。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，SO2排放濃度始終＜55mg/m3（標(biāo)），在3臺(tái)循環(huán)泵全部開(kāi)啟的情況下，測(cè)試排放濃度＜30mg/m3（標(biāo)），該項(xiàng)目完全可以滿(mǎn)足超低排放的設(shè)計(jì)要求。

脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的灰渣為石膏即CaSO4·2H2O，本工程產(chǎn)生的副產(chǎn)品脫硫石膏的純度極高，成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

檢測(cè)結(jié)果顯示，該脫硫石膏已十分接近天然石膏，完全可作為水泥緩凝劑自行消化，大大降低了脫硫系統(tǒng)運(yùn)行成本。

3 環(huán)境及社會(huì)效益

環(huán)境保護(hù)工作愈來(lái)愈受到人們的重視，馬來(lái)西亞當(dāng)?shù)夭捎玫氖黔h(huán)保指標(biāo)總量控制政策，政府環(huán)保部門(mén)對(duì)于該水泥生產(chǎn)線(xiàn)所確認(rèn)的現(xiàn)有工程總量控制指標(biāo)為：煙塵控制在400t/年，SO2控制在900t/年范圍內(nèi)，具體折算到窯尾廢氣的SO2單位排放濃度為均值≯225mg/m3（標(biāo)）。

表2 脫硫石膏成分檢測(cè)（帕納科分析儀在線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果）

為了說(shuō)明本工程加裝脫硫裝置前后空氣污染物排放的變化，我們對(duì)窯尾廢氣加裝煙氣脫硫裝置前后空氣污染物的排放情況及由此產(chǎn)生的變化進(jìn)行了對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 本工程主要空氣污染物排放變化表

從表3可以看出，加裝煙氣脫硫裝置后，本工程排放的SO2和煙塵明顯減少，SO2和煙塵排放濃度也大大降低。

設(shè)計(jì)煤種SO2的排放量從1.05t/h減少到0.027 5t/h。設(shè)備年利用時(shí)間按8 000h計(jì)算，每年的SO2排放量可由8 400t減少到220t，比脫硫前每年減少SO2排放8 180t；SO2排放濃度（煙囪出口）則由2 100mg/m3（標(biāo)）下降到55mg/m3（標(biāo)），遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》以及馬來(lái)西亞當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策所允許的排放限值。

煙塵排放濃度（煙囪出口）由49mg/m3（標(biāo)）下降到25mg/m3（標(biāo)）以下，實(shí)際排放濃度滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

石灰-石膏濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)煙氣中的NOX去除作用不大，該生產(chǎn)線(xiàn)排放的NOX，脫硫前后基本不發(fā)生變化。

通過(guò)以上分析可知：本工程投運(yùn)后，窯尾廢氣排放的空氣污染物SO2和煙塵將明顯減少，從而可減輕該地區(qū)SO2和煙塵污染負(fù)荷，并達(dá)到污染物排放總量控制的目標(biāo)，環(huán)境和社會(huì)效益顯著。

4 經(jīng)濟(jì)效益

本次煙氣脫硫工程帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）改造前，馬來(lái)西亞政府已對(duì)NSCI 5 000t/d水泥公司的SO2排放征收排污費(fèi)，脫硫工程投入運(yùn)行后每年可減少交納排污費(fèi)648萬(wàn)元。

（2）原尾排煙囪煙氣含硫量極高，導(dǎo)致銹蝕嚴(yán)重，實(shí)測(cè)煙囪每年損失厚度1.2mm，以此推算，兩年后煙囪將無(wú)法使用。業(yè)主之前已考慮更換煙囪，造價(jià)約500萬(wàn)元。隨著脫硫工程的投入運(yùn)行，此部分費(fèi)用可節(jié)省。

（3）本脫硫工程的脫硫劑為就地取材，采用的是窯尾袋收塵器回灰。僅在原料損耗方面，運(yùn)行成本每年即可節(jié)省206萬(wàn)元（脫硫劑按90%純度石灰石粉計(jì)，每年需要13 750t）。

（4）脫硫石膏的回收利用。脫硫石膏目前已用作緩凝劑，水泥廠自行消化，產(chǎn)量為每年21 500t，因此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益為430萬(wàn)元/年。

圖3 新增一路pH計(jì)支管

5 脫硫工程設(shè)計(jì)優(yōu)化和建議

5.1 真空水環(huán)泵密封水調(diào)整

業(yè)主的工藝水來(lái)水水壓不足，主管道壓力最低時(shí)僅能達(dá)到0.13MPa，而工藝要求，到脫硫系統(tǒng)附近的主管水壓需要始終保持在0.2MPa以上，才可保證脫硫系統(tǒng)投運(yùn)后的穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)與業(yè)主溝通，目前無(wú)法將水壓調(diào)整到需求值。就此對(duì)系統(tǒng)所有的工藝水用水點(diǎn)進(jìn)行了排查，發(fā)現(xiàn)真空泵運(yùn)行受影響最大（真空泵布置在脫硫綜合樓頂部，離地面高度15.25m，所需密封水水壓最低0.16MPa），其余用水處可維持運(yùn)行。

處理方案：保留原工藝水管路，新增一濾布沖洗水泵出口管支管水路至真空泵。濾布沖洗水泵和真空泵始終是同步運(yùn)行的，且沖洗水泵的流量及揚(yáng)程（55m）均有設(shè)計(jì)余量，完全滿(mǎn)足真空泵密封水的要求。設(shè)備開(kāi)啟順序需要注意，真空泵開(kāi)啟前應(yīng)先開(kāi)啟濾布沖洗水泵。

設(shè)計(jì)優(yōu)化：真空泵建議就地布置，則密封水不再受工藝水的水壓所限，此建議已在蕪湖南方水泥有限公司2×4 500t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)窯尾煙氣濕法脫硫工程及河源市金杰環(huán)保建材有限公司4 500t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)窯尾煙氣脫硫工程上得到了應(yīng)用。

5.2 pH計(jì)管道優(yōu)化（見(jiàn)圖3）

初始設(shè)計(jì)的pH計(jì)安裝在循環(huán)泵1（功率最低的那臺(tái)）出口管路的支管上，設(shè)計(jì)上考慮此臺(tái)循環(huán)泵為常開(kāi)泵，其余兩臺(tái)可以根據(jù)煙氣含硫量的變化自行調(diào)整運(yùn)行和關(guān)停。此設(shè)計(jì)的缺陷在于，當(dāng)循環(huán)泵1跳停時(shí)，pH計(jì)將失去作用。

優(yōu)化處理：為pH計(jì)新增一路循環(huán)泵2出口管路的支管（如圖3所示），兩個(gè)支路均有閥門(mén)獨(dú)立控制，則當(dāng)循環(huán)泵1關(guān)停時(shí)可以開(kāi)啟新增支管，pH計(jì)仍可正常使用，無(wú)需人工檢測(cè)pH值。

5.3 地坑液位計(jì)位置更改

地坑液位計(jì)選用的是高頻雷達(dá)液位計(jì)，安裝位置在地坑頂部。現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將此液位計(jì)安裝在靠近地坑攪拌器的位置。正常運(yùn)行工況下，液位高于攪拌器葉片，但是考慮到極端情況，液位低于攪拌器葉片時(shí)，由于葉片的干擾，顯示的數(shù)值和實(shí)際液位會(huì)有偏差，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整了液位計(jì)的位置，將其安裝在了遠(yuǎn)離攪拌器的地方。在今后的脫硫設(shè)計(jì)中均需注意此處。

圖4 噴淋層帶水實(shí)驗(yàn)

5.4 脫硫噴嘴安裝角度調(diào)整

脫硫塔噴淋層施工結(jié)束后進(jìn)行了帶水實(shí)驗(yàn)，噴淋效果極佳（見(jiàn)圖4），但對(duì)脫硫塔壁及噴淋層支撐梁的沖刷也較嚴(yán)重。支撐梁除正常防腐外，外部應(yīng)考慮包裹防沖刷PP板，此設(shè)想已在加拿大VC水泥脫硫項(xiàng)目上得到了應(yīng)用。本項(xiàng)目脫硫塔塔壁防腐厚度4mm，已達(dá)到電力行業(yè)脫硫的要求。為盡可能延長(zhǎng)防腐壽命，建議調(diào)整靠近脫硫塔壁的噴嘴安裝角度，原脫硫噴嘴的噴淋角度為垂直向下，可將其向脫硫塔中心線(xiàn)的方向調(diào)整3°～5°后再進(jìn)行糊接，這樣即可大幅減少漿液對(duì)塔壁的沖刷。

6 結(jié)語(yǔ)

馬來(lái)西亞NSCI 5 000t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)高效煙氣脫硫工程是中材裝備集團(tuán)有限公司承接的第一條國(guó)外水泥生產(chǎn)線(xiàn)脫硫項(xiàng)目，也將成為國(guó)外水泥生產(chǎn)線(xiàn)石灰—石膏濕法脫硫的示范性項(xiàng)目。該項(xiàng)目投運(yùn)至今運(yùn)行平穩(wěn)，帶來(lái)了巨大的社會(huì)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益，為實(shí)現(xiàn)脫硫技術(shù)及國(guó)產(chǎn)脫硫設(shè)備走向世界打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。