羅振

1 前言

隨著國家對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量要求的逐漸提高，水泥窯窯尾煙氣中的污染物排放限值隨之降低，我國最新修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，水泥窯及窯尾余熱利用系統(tǒng)的SO2排放濃度要求≤200mg/m3（標(biāo)），重點(diǎn)地區(qū)排放濃度甚至≤100mg/m3（標(biāo)）。通過監(jiān)控窯尾煙氣的排放狀況，某些現(xiàn)有的水泥窯窯尾煙氣SO2的排放濃度未能達(dá)到國家規(guī)定的排放指標(biāo)，使得這些水泥企業(yè)必須新建脫硫系統(tǒng)以降低窯尾煙氣中SO2的排放濃度，滿足《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

按脫硫是否加水和脫硫產(chǎn)物的干濕形態(tài)，煙氣脫硫可分為濕法、半干法和干法三類工藝。石灰石濕法脫硫技術(shù)成熟穩(wěn)定，效率高，Ca/S比低，運(yùn)行可靠，操作簡單；干法和半干法的脫硫產(chǎn)物為干粉狀，處理相對(duì)容易，工藝簡單。但用石灰石作脫硫劑的干法、半干法的Ca/S相對(duì)比高，脫硫效率和脫硫劑的利用率低[1]。濕法和半干法脫硫工藝均可在水泥生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但受脫硫效率、脫硫劑的利用率、工藝成熟程度等影響，濕法脫硫工藝應(yīng)用較廣泛。

2 石灰石-石膏濕法脫硫的原理分析

石灰石-石膏濕法脫硫工藝采用石灰石作脫硫劑。石灰石經(jīng)破碎磨成粉狀與水混合攪拌制成脫硫劑漿液，在脫硫塔內(nèi)，脫硫劑漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的Ca2+以及鼓入的氧化空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終生成石膏，從而達(dá)到去除SO2的目的。

用石灰石-石膏濕法脫硫工藝脫硫的主要化學(xué)反應(yīng)過程為[2]：

在脫硫塔內(nèi)煙氣中的SO2被漿液中的水吸收后與漿液中的CaCO3反應(yīng)生成CaSO3·1/2H2O，落入脫硫塔漿液儲(chǔ)槽內(nèi)的CaSO3·1/2H2O被鼓入空氣中的O2氧化，最終生成副產(chǎn)品石膏晶體CaSO4·2H2O。其主要化學(xué)反應(yīng)式為：

吸收過程：

2CaCO3+H2O+2SO2→2CaSO3·1/2H2O+CO2↑氧化過程：

2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O→2CaSO4·2H2O

3 水泥生產(chǎn)線中石灰石-石膏濕法脫硫工藝介紹

在傳統(tǒng)的石灰石-石膏濕法脫硫工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合水泥窯尾工藝和設(shè)備的特點(diǎn)，以我公司設(shè)計(jì)研發(fā)的配套5 000t/d水泥生產(chǎn)線為例，濕法脫硫工藝由煙氣非標(biāo)系統(tǒng)、脫硫劑制備系統(tǒng)、脫硫塔系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成。圖1為某5 000t/d熟料生產(chǎn)線脫硫工藝流程圖。

3.1 煙氣非標(biāo)系統(tǒng)

煙氣非標(biāo)系統(tǒng)即脫硫的煙道系統(tǒng)。水泥窯脫硫系統(tǒng)中，將脫硫系統(tǒng)置于窯尾尾排風(fēng)機(jī)和窯尾煙囪之間，使脫硫塔處于正壓環(huán)境中。脫硫系統(tǒng)煙道包括窯尾尾排風(fēng)機(jī)至脫硫入口的非標(biāo)煙道，以及脫硫塔出口至窯尾煙囪的非標(biāo)煙道。原尾排風(fēng)機(jī)至煙囪段的非標(biāo)煙道或直接拆除，或增加密封擋板門作為脫硫系統(tǒng)旁路。

3.2 脫硫劑制備系統(tǒng)

石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)中，脫硫劑制備是關(guān)鍵部分。傳統(tǒng)的脫硫劑制備系統(tǒng)多采用濕式球磨機(jī)，或者直接采購細(xì)度為45μm篩篩余10%的石灰石粉，粉越細(xì)越好。而水泥窯尾輥磨系統(tǒng)生產(chǎn)的生料粉粒度級(jí)配及均勻性系數(shù)等均優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制備的脫硫劑產(chǎn)品[3]。所以水泥窯的脫硫系統(tǒng)的脫硫劑粉可采用窯尾收塵器灰斗內(nèi)的生料粉，也可采用窯尾余熱發(fā)電灰斗內(nèi)的生料粉。窯尾生料粉和工藝水同時(shí)輸送至漿液制備槽中，在攪拌器的作用下，制備成固體濃度約為20%的脫硫漿液。脫硫漿液由該系統(tǒng)配置的提升泵送入脫硫塔內(nèi)。

此系統(tǒng)中，如果生料粉無法直接依靠自身重力流向漿液制備槽中，則需要增加一套氣力輸送設(shè)備，主要設(shè)備有生料粉倉、小袋收塵器、氣力輸送泵、計(jì)量秤等。一般脫硫系統(tǒng)消耗的生料粉量較少，為成本考慮可以不設(shè)置計(jì)量秤設(shè)備。

3.3 脫硫塔系統(tǒng)

在整個(gè)濕法脫硫系統(tǒng)中，脫硫塔子系統(tǒng)是最核心的部分。脫硫塔系統(tǒng)主要包括脫硫塔本體、漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機(jī)等設(shè)備。脫硫塔由漿液區(qū)、反應(yīng)區(qū)、噴淋層區(qū)、除霧區(qū)、煙氣進(jìn)口、煙氣出口構(gòu)成。窯尾含硫煙氣由進(jìn)口進(jìn)入脫硫塔，在反應(yīng)區(qū)與噴淋層噴出的石灰石漿液進(jìn)行逆向接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)去除煙氣中的SO2，已去除SO2的煙氣流經(jīng)脫硫塔上部的除霧器以去除煙氣中的漿液霧滴，最后，已去除SO2及漿液霧滴的飽和煙氣經(jīng)脫硫塔出口進(jìn)入尾排煙囪，排放至大氣。

圖1 某5 000t/d熟料生產(chǎn)線脫硫工藝流程圖

脫硫塔系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：

（1）脫硫塔本體，其內(nèi)部包含漿液攪拌器、漿液噴淋層、除霧器。攪拌器的作用是防止脫硫塔底部漿液區(qū)的石膏結(jié)晶沉淀，同時(shí)攪拌能增強(qiáng)氧化空氣與漿液的混合和溶解，進(jìn)而促進(jìn)石膏結(jié)晶生產(chǎn)。

（2）漿液循環(huán)泵，其作用是將脫硫塔漿液區(qū)內(nèi)的石灰石漿液提升至噴淋層，利用SiC噴嘴雨滴化漿液，使?jié){液多層覆蓋在脫硫塔整個(gè)橫截面上，讓煙氣與脫硫漿液充分接觸。

（3）羅茨風(fēng)機(jī)，其作用是向脫硫塔漿液區(qū)內(nèi)鼓入大量的空氣，將漿液中的CaSO3氧化成CaSO4，最終形成石膏結(jié)晶漿液。

（4）石膏泵，其作用是將漿液區(qū)內(nèi)的石膏漿液排出塔體，送入石膏脫水系統(tǒng)進(jìn)行終端脫水而形成石膏餅。

3.4 石膏脫水系統(tǒng)

石膏脫水系統(tǒng)作為水泥窯濕法脫硫的重要輔助系統(tǒng)，對(duì)脫硫塔運(yùn)行指標(biāo)、漿液條件、物料平衡、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有重要作用。脫硫塔石膏泵排出的石膏漿液經(jīng)過旋流器、真空皮帶機(jī)兩級(jí)脫水，最終形成含水率約10%左右的石膏餅。皮帶機(jī)脫水產(chǎn)生的濾液回流至脫硫塔內(nèi)。

石膏脫水系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：

（1）旋流器，其作用是將來自脫硫塔內(nèi)的石膏漿液進(jìn)行初步脫水，形成50%的高濃度石膏漿液送至真空皮帶機(jī)進(jìn)行再次深度脫水，而旋流器產(chǎn)生的低濃度漿液回流至脫硫塔內(nèi)。

（2）真空皮帶機(jī)，其作用是將來自旋流器的高濃度漿液再次脫水為濃度大于90%的石膏餅，以完成最終的石膏脫水過程。

（3）真空水環(huán)泵，其作用是為真空皮帶機(jī)提供高負(fù)壓環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)石膏漿液的深度脫水。

（4）濾液水箱和水泵，其作用是將濾液水回用至脫硫塔內(nèi)。

3.5 工藝水系統(tǒng)

濕法脫硫系統(tǒng)中的耗水主要有兩個(gè)方面，一是脫硫后飽和煙氣中帶走的水；二是石膏成品中所帶走的水。而系統(tǒng)中濾液水回流、旋流器低濃度液回流、地坑漿液回流等措施都使得水能夠被循環(huán)使用，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要求盡可能提高水循環(huán)利用率，以減少工藝水耗量。以5 000t/d的生產(chǎn)線為例，一般系統(tǒng)耗水量維持在15～20t/h左右。

為了能向脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定地輸入水源，應(yīng)設(shè)置一套工藝水系統(tǒng)，主要向漿液制備槽、除霧器、真空皮帶機(jī)等處供水。脫硫塔系統(tǒng)中的除霧器需要沖洗水量、水壓穩(wěn)定，以保證除霧器運(yùn)行時(shí)不堵塞，不增加脫硫系統(tǒng)運(yùn)行阻力。為保證石膏脫水系統(tǒng)中的皮帶機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，同樣需要為其提供流量和水壓穩(wěn)定的濾布沖洗水。因此，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中為除霧器和皮帶機(jī)沖洗水單獨(dú)配置了供水水泵和工藝水箱。

3.6 其他配置

濕法脫硫中除了上述幾個(gè)子系統(tǒng)外，還有一些配置是必不可少的。如壓縮空氣設(shè)備、事故漿液槽、漿液管道與閥門、濾液水處理設(shè)備等。這些在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都需要相應(yīng)配套。

4 結(jié)語

隨著煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越普遍。目前我公司已為中材亨達(dá)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）等國內(nèi)外數(shù)條水泥生產(chǎn)線配套了安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的水泥窯石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)。