窯灰作脫硫劑的水泥窯濕法脫硫系統(tǒng)優(yōu)化

周英貴（南京依濤環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 南京 210009）

0 前言

隨著國家對大氣污染的環(huán)保排放要求越來越嚴(yán)格，水泥行業(yè)的煙氣治理越來越受到重視，根據(jù)GB04915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，自2015年7月1日起，現(xiàn)有的水泥窯及窯尾煙氣余熱利用系統(tǒng)的二氧化硫最高允許排放濃度（標(biāo)況下，以下同）不超過200mg/m3，特別地區(qū)二氧化硫排放濃度不超過100 mg/m3。中國建材聯(lián)合會發(fā)布《2019年水泥行業(yè)大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》，該方案提出，將嚴(yán)格控制新增產(chǎn)能帶來的排放總量，二氧化硫污染物排放限值≤50mg/m3。2020年底達(dá)到特別排放限值；個(gè)別地方提出與電力行業(yè)同等二氧化硫超低排放要求，二氧化硫排放濃度不超過350mg/m3。要達(dá)標(biāo)排放，水泥窯煙氣要進(jìn)行深度凈化處理，進(jìn)行脫硫改造或新建高效脫硫設(shè)施[1，2]。

本文介紹了水泥窯利用窯灰作為濕法脫硫系統(tǒng)的脫硫劑運(yùn)行中的脫硫作用，以及引起的一些問題，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有的條件，提出了相應(yīng)的工藝和措施，確保煙氣中二氧化硫達(dá)標(biāo)排放。

1 水泥窯窯灰特性

水泥窯窯灰是回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)水泥熟料時(shí)從窯尾廢氣中經(jīng)收塵設(shè)備收集到的干燥粉末。它是一種灰黃色或灰褐色的粉末，吸濕性很強(qiáng)。窯灰粒徑較細(xì)：80μm孔徑篩余一般小于15%，200μm孔徑篩余一般小于5%，比重在2.6左右，主要成分為碳酸鈣和二氧化硅，與水泥熟料原料成分接近，江山南方水泥廠#8窯和#9窯窯灰化學(xué)分析見表1。

2 濕法脫硫系統(tǒng)說明

2.1 窯灰濕法脫硫基本原理

窯灰-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)與常規(guī)石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)流程基本相同。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝是采用石灰石作脫硫劑，將石灰石磨制成細(xì)粉，與工藝水?dāng)嚢柚瞥少|(zhì)量濃度約20%左右的石灰石漿液，通過計(jì)量裝置計(jì)量后，在循環(huán)漿液泵的入口加入，通過循環(huán)漿液噴淋加入吸收塔，在吸收塔內(nèi)，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣反應(yīng)生成亞硫酸鈣，在強(qiáng)制氧化空氣氧化作用下，生成硫酸鈣，并最終結(jié)晶生成石膏，脫硫效率可達(dá) 95% 以上[3，4]。

表1 水泥窯窯灰化學(xué)分析 %

以窯灰作為脫硫劑的濕法煙氣脫硫工藝，其窯灰中的碳酸鈣含量一般在80%以上，制成窯灰漿液加入脫硫塔內(nèi)參與脫硫反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)理與石灰石-石膏濕法脫硫機(jī)理基本相同，主要化學(xué)反應(yīng)為：

脫硫副產(chǎn)物石膏可直接作為水泥工藝生產(chǎn)過程中添加的水泥緩凝劑配料[5]。

2.2 窯灰濕法脫硫技術(shù)特點(diǎn)

（1）脫硫劑采用窯尾煙氣除塵器收集下來的窯灰，窯灰中含有大量的碳酸鈣，含量在80%左右。

（2）水泥窯生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，生料立磨不是24h連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)立磨停磨時(shí)，窯尾煙氣中二氧化硫濃度會階躍升高，脫硫塔系統(tǒng)需設(shè)計(jì)負(fù)荷自適應(yīng)運(yùn)行系統(tǒng)；

（3）水泥窯窯灰中含有一定量的二氧化硅等雜質(zhì)，對管道和設(shè)備磨損大；同時(shí)漿液受雜質(zhì)影響，易沉積，項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)需考慮防設(shè)備磨損和一定的流速運(yùn)行參數(shù)；

（4）窯灰漿液相比石灰石漿液，活性強(qiáng)，pH值高，反應(yīng)充分，副產(chǎn)物石膏品質(zhì)較好。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)

3.1 項(xiàng)目概況

表2中為某水泥廠4000t/d+2000t/d兩套水泥窯合同濕法脫硫裝置系統(tǒng)基本參數(shù)。該線窯尾煙氣除塵器收集的窯灰，輸送至窯灰儲料倉，經(jīng)窯灰螺旋計(jì)量裝置計(jì)量送至窯灰漿液制備罐，同時(shí)窯灰漿液制備罐引入工藝水，在罐頂攪拌器的作用下，制備成質(zhì)量濃度15%左右的窯灰漿液，窯灰漿液通過輸送泵送至脫硫塔內(nèi)參與脫硫反應(yīng)。窯灰漿液系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)了計(jì)量單元模塊，與脫硫塔進(jìn)出口二氧化硫濃度差信號連鎖，以控制和調(diào)節(jié)進(jìn)入到脫硫塔反應(yīng)器內(nèi)的窯灰漿液流量。脫硫塔內(nèi)底部為脫硫漿液池，漿液循環(huán)泵將漿液池內(nèi)漿液循環(huán)泵入噴淋層循環(huán)利用，漿液池容積滿足漿液循環(huán)停留5min時(shí)間，以便煙氣中的二氧化硫與碳酸鈣反應(yīng)生成的亞硫酸鈣，在氧化空氣的強(qiáng)制氧化作用下徹底參與反應(yīng)生成硫酸鈣，并完成結(jié)晶生成石膏。石膏漿液經(jīng)石膏排出泵送至旋流站粗效分離，旋流子底部液流部分送至脫水皮帶機(jī)，在真空皮帶機(jī)的抽吸和沖洗作用下，完成石膏的制備過程。經(jīng)過噴淋吸收區(qū)的煙氣攜帶有大量的水滴和水霧，通入脫硫塔頂部的高效除霧器，將大量的水霧滴脫除，并返回至脫硫吸收塔，既降低了煙氣排出時(shí)煙氣的水含量，節(jié)約了用水，同時(shí)也大大降低了粉塵濃度[6，7]。

表2 脫硫系統(tǒng)基本參數(shù)

3.2 脫硫系統(tǒng)組成

（1）煙氣系統(tǒng)包括煙道、脫硫塔、除霧器、噴淋層；

（2）窯灰漿液制備系統(tǒng)包括窯尾除塵器、輸灰系統(tǒng)、窯灰灰倉、窯灰漿液制備罐、窯灰漿液計(jì)量輸送系統(tǒng)；

（3）石膏排出系統(tǒng)包括石膏排出泵、旋流站、真空皮帶脫水機(jī)等；

（4）事故漿液罐系統(tǒng)包括事故漿液罐、事故漿液泵、其他設(shè)備附件；

（5）工藝水、壓縮空氣等系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行問題及設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 煙氣溫度對脫硫的影響

水泥窯窯尾煙氣排放至煙囪前，因生料磨的開停，分兩種運(yùn)行路徑方案：當(dāng)生料磨運(yùn)行時(shí)，窯尾煙氣通入生料磨預(yù)熱烘干生料，經(jīng)生料磨排出的煙氣溫度常在100℃以下，該工況下脫硫塔出口的煙氣溫度常在50℃左右；當(dāng)生料磨停運(yùn)時(shí)，窯尾煙氣經(jīng)生料磨旁路，經(jīng)除塵器除塵后直接送入脫硫塔，煙氣溫度常在120℃以上，該工況下脫硫塔出口的煙氣溫度常在55℃左右。

實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)生料磨停運(yùn)時(shí)，脫硫系統(tǒng)基本能維持系統(tǒng)的水平衡；而當(dāng)生料磨啟動運(yùn)行時(shí)，因入塔煙氣溫度降低，積存在塔內(nèi)的液體量會持續(xù)增加，脫硫塔液位持續(xù)上漲，導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)間歇性運(yùn)行難題，主要是因?yàn)樯夏ミ\(yùn)行時(shí)，脫硫塔入口和出口煙溫均降低，塔出口煙氣中攜帶的水量減少，使得脫硫塔的進(jìn)水量大于出水量[8]。

為便于控制系統(tǒng)運(yùn)行水量平衡，優(yōu)化方案如下：

（1）盡可能降低脫硫塔的進(jìn)水。將石膏漿液泵、循環(huán)泵冷卻水和真空泵密封水收集后返回至工藝水箱循環(huán)利用；不排空濾液水箱，用石膏濾液水配制窯灰漿液，減少脫硫系統(tǒng)的進(jìn)水。

（2）脫硫塔漿液緩沖儲存。事故漿液罐平時(shí)處于空閑狀態(tài)，不用新增設(shè)備，合理利用事故漿液罐，在脫硫系統(tǒng)煙氣低溫低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可將塔內(nèi)漿液暫時(shí)間歇送入事故漿液罐，待煙氣負(fù)荷增加后返送回脫硫塔漿液池。

（3）選用高效、沖洗水量低的除霧器，同時(shí)適當(dāng)延長在脫硫系統(tǒng)低負(fù)荷工作時(shí)的沖洗間隔周期，盡量減少脫硫塔進(jìn)水。

4.2 窯灰雜質(zhì)對脫硫的影響

窯尾煙氣收集下來的窯灰，除了大部分的碳酸鈣成分，還有小部分的二氧化硅等雜質(zhì)，窯灰中的雜質(zhì)對系統(tǒng)的設(shè)備帶來了磨損，特別對循環(huán)漿液泵、石膏漿液泵、旋流器和脫硫噴嘴等設(shè)備磨損嚴(yán)重，同時(shí)也加重了脫硫塔體、漿液罐和管道防腐層的磨損。

因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇漿液泵等設(shè)備時(shí)，要選用更耐磨的合金材料；同時(shí)脫硫塔、漿液罐等設(shè)備防腐層加厚設(shè)計(jì)，并在防腐層中添加防磨材料。

窯灰中雜質(zhì)成分多，也會影響并抑制漿液中石灰石的溶解，引起石灰石溶液閉塞，弱化石灰石與二氧化硫的反應(yīng)，促使脫硫效率降低。此種現(xiàn)象可增加噴嘴霧化覆蓋率，增強(qiáng)脫硫塔漿液攪拌強(qiáng)度、適當(dāng)提高塔內(nèi)漿液更新等措施緩解這方面問題。

窯灰中雜質(zhì)成分多，還會引起石膏脫水困難。石膏漿液雜質(zhì)中的Fe3+和Al3+易與Cl-形成膠體化合物，影響石膏的脫水性能，使得石膏漿液中的水難從真空皮帶機(jī)濾布上分離出來，導(dǎo)致石膏品質(zhì)降低。在運(yùn)行中可通過增加旋流站前石膏漿液壓力，強(qiáng)化旋流效果，同時(shí)可適當(dāng)縮短旋流站旋流子的更換周期，保證旋流器底流漿液的濃度，并適當(dāng)強(qiáng)化濾布沖洗時(shí)間和強(qiáng)度，以保證真空皮帶脫水機(jī)正常運(yùn)行。

4.3 二氧化硫濃度對脫硫的影響

水泥窯窯尾煙氣進(jìn)入脫硫塔前，有煙氣經(jīng)過生料磨排至脫硫塔和從生料磨旁路引至脫硫塔兩種方案。生料磨粉料對入磨的水泥窯窯尾煙氣具有一定的脫硫作用，其基本機(jī)理是在生料磨內(nèi)，原料帶入的水分因煙氣加熱蒸發(fā)生成大量水蒸氣，在窯尾煙氣加熱烘干過程中，二氧化硫與碳酸鈣反應(yīng)生成硫酸鈣被固定下來，脫硫效率在20%～70%。當(dāng)生料磨開啟時(shí)，進(jìn)脫硫塔煙氣二氧化硫濃度約6000mg/m3，當(dāng)生料磨停運(yùn)時(shí)，二氧化硫濃度恢復(fù)到原始濃度104500mg/m3。

此工況會引起脫硫劑用量的增加和脫硫漿液液氣比的增加。要解決進(jìn)口濃度突然增加的問題，需要探究煙氣中二氧化硫濃度的增加和pH值，連鎖控制窯灰漿液投入到脫硫塔的加料量；同時(shí)，要保證煙氣二氧化硫達(dá)標(biāo)排放，需要增加漿液液氣比，增加漿液的循環(huán)噴淋量，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，可以備用一層噴淋層和一套變頻循環(huán)泵，以應(yīng)對二氧化硫濃度的增高，同時(shí)變頻裝置可適當(dāng)降低運(yùn)行能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

5 結(jié)論

隨著國家對水泥行業(yè)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，鈣基濕法脫硫正成為水泥廠脫硫主流工藝。利用水泥窯生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，增強(qiáng)物料綜合循環(huán)利用效益，窯灰-石膏濕法脫硫系統(tǒng)采用水泥窯窯灰作為脫硫劑，生成的石膏作為水泥生產(chǎn)的緩凝劑添加料，充分挖掘了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的高附加值。實(shí)踐證明，利用水泥窯窯灰作脫硫劑的鈣基濕法脫硫工藝是可行的，在實(shí)際應(yīng)用中，針對系統(tǒng)中存在的一些困難和問題，可通過設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化，科學(xué)管理，可以保證脫硫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)二氧化硫的達(dá)標(biāo)排放。