窑灰作脱硫剂的水泥窑湿法脱硫系统优化

周英贵（南京依涛环保科技有限公司，江苏 南京 210009）

0 前言

随着国家对大气污染的环保排放要求越来越严格，水泥行业的烟气治理越来越受到重视，根据GB04915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》规定，自2015年7月1日起，现有的水泥窑及窑尾烟气余热利用系统的二氧化硫最高允许排放浓度（标况下，以下同）不超过200mg/m3，特别地区二氧化硫排放浓度不超过100 mg/m3。中国建材联合会发布《2019年水泥行业大气污染防治攻坚战实施方案》，该方案提出，将严格控制新增产能带来的排放总量，二氧化硫污染物排放限值≤50mg/m3。2020年底达到特别排放限值；个别地方提出与电力行业同等二氧化硫超低排放要求，二氧化硫排放浓度不超过350mg/m3。要达标排放，水泥窑烟气要进行深度净化处理，进行脱硫改造或新建高效脱硫设施[1，2]。

本文介绍了水泥窑利用窑灰作为湿法脱硫系统的脱硫剂运行中的脱硫作用，以及引起的一些问题，根据企业现有的条件，提出了相应的工艺和措施，确保烟气中二氧化硫达标排放。

1 水泥窑窑灰特性

水泥窑窑灰是回转窑生产水泥熟料时从窑尾废气中经收尘设备收集到的干燥粉末。它是一种灰黄色或灰褐色的粉末，吸湿性很强。窑灰粒径较细：80μm孔径筛余一般小于15%，200μm孔径筛余一般小于5%，比重在2.6左右，主要成分为碳酸钙和二氧化硅，与水泥熟料原料成分接近，江山南方水泥厂#8窑和#9窑窑灰化学分析见表1。

2 湿法脱硫系统说明

2.1 窑灰湿法脱硫基本原理

窑灰-石膏湿法烟气脱硫系统与常规石灰石-石膏湿法脱硫系统流程基本相同。

石灰石-石膏湿法脱硫工艺是采用石灰石作脱硫剂，将石灰石磨制成细粉，与工艺水搅拌制成质量浓度约20%左右的石灰石浆液，通过计量装置计量后，在循环浆液泵的入口加入，通过循环浆液喷淋加入吸收塔，在吸收塔内，烟气中的二氧化硫与浆液中的碳酸钙反应生成亚硫酸钙，在强制氧化空气氧化作用下，生成硫酸钙，并最终结晶生成石膏，脱硫效率可达 95% 以上[3，4]。

表1 水泥窑窑灰化学分析 %

以窑灰作为脱硫剂的湿法烟气脱硫工艺，其窑灰中的碳酸钙含量一般在80%以上，制成窑灰浆液加入脱硫塔内参与脱硫反应，其反应机理与石灰石-石膏湿法脱硫机理基本相同，主要化学反应为：

脱硫副产物石膏可直接作为水泥工艺生产过程中添加的水泥缓凝剂配料[5]。

2.2 窑灰湿法脱硫技术特点

（1）脱硫剂采用窑尾烟气除尘器收集下来的窑灰，窑灰中含有大量的碳酸钙，含量在80%左右。

（2）水泥窑生产运行时，生料立磨不是24h连续运行，当立磨停磨时，窑尾烟气中二氧化硫浓度会阶跃升高，脱硫塔系统需设计负荷自适应运行系统；

（3）水泥窑窑灰中含有一定量的二氧化硅等杂质，对管道和设备磨损大；同时浆液受杂质影响，易沉积，项目设计时需考虑防设备磨损和一定的流速运行参数；

（4）窑灰浆液相比石灰石浆液，活性强，pH值高，反应充分，副产物石膏品质较好。

3 系统设计及参数

3.1 项目概况

表2中为某水泥厂4000t/d+2000t/d两套水泥窑合同湿法脱硫装置系统基本参数。该线窑尾烟气除尘器收集的窑灰，输送至窑灰储料仓，经窑灰螺旋计量装置计量送至窑灰浆液制备罐，同时窑灰浆液制备罐引入工艺水，在罐顶搅拌器的作用下，制备成质量浓度15%左右的窑灰浆液，窑灰浆液通过输送泵送至脱硫塔内参与脱硫反应。窑灰浆液系统管路设计了计量单元模块，与脱硫塔进出口二氧化硫浓度差信号连锁，以控制和调节进入到脱硫塔反应器内的窑灰浆液流量。脱硫塔内底部为脱硫浆液池，浆液循环泵将浆液池内浆液循环泵入喷淋层循环利用，浆液池容积满足浆液循环停留5min时间，以便烟气中的二氧化硫与碳酸钙反应生成的亚硫酸钙，在氧化空气的强制氧化作用下彻底参与反应生成硫酸钙，并完成结晶生成石膏。石膏浆液经石膏排出泵送至旋流站粗效分离，旋流子底部液流部分送至脱水皮带机，在真空皮带机的抽吸和冲洗作用下，完成石膏的制备过程。经过喷淋吸收区的烟气携带有大量的水滴和水雾，通入脱硫塔顶部的高效除雾器，将大量的水雾滴脱除，并返回至脱硫吸收塔，既降低了烟气排出时烟气的水含量，节约了用水，同时也大大降低了粉尘浓度[6，7]。

表2 脱硫系统基本参数

3.2 脱硫系统组成

（1）烟气系统包括烟道、脱硫塔、除雾器、喷淋层；

（2）窑灰浆液制备系统包括窑尾除尘器、输灰系统、窑灰灰仓、窑灰浆液制备罐、窑灰浆液计量输送系统；

（3）石膏排出系统包括石膏排出泵、旋流站、真空皮带脱水机等；

（4）事故浆液罐系统包括事故浆液罐、事故浆液泵、其他设备附件；

（5）工艺水、压缩空气等系统。

4 系统运行问题及设计优化

4.1 烟气温度对脱硫的影响

水泥窑窑尾烟气排放至烟囱前，因生料磨的开停，分两种运行路径方案：当生料磨运行时，窑尾烟气通入生料磨预热烘干生料，经生料磨排出的烟气温度常在100℃以下，该工况下脱硫塔出口的烟气温度常在50℃左右；当生料磨停运时，窑尾烟气经生料磨旁路，经除尘器除尘后直接送入脱硫塔，烟气温度常在120℃以上，该工况下脱硫塔出口的烟气温度常在55℃左右。

实际运行中，当生料磨停运时，脱硫系统基本能维持系统的水平衡；而当生料磨启动运行时，因入塔烟气温度降低，积存在塔内的液体量会持续增加，脱硫塔液位持续上涨，导致脱硫系统间歇性运行难题，主要是因为生料磨运行时，脱硫塔入口和出口烟温均降低，塔出口烟气中携带的水量减少，使得脱硫塔的进水量大于出水量[8]。

为便于控制系统运行水量平衡，优化方案如下：

（1）尽可能降低脱硫塔的进水。将石膏浆液泵、循环泵冷却水和真空泵密封水收集后返回至工艺水箱循环利用；不排空滤液水箱，用石膏滤液水配制窑灰浆液，减少脱硫系统的进水。

（2）脱硫塔浆液缓冲储存。事故浆液罐平时处于空闲状态，不用新增设备，合理利用事故浆液罐，在脱硫系统烟气低温低负荷运行时，可将塔内浆液暂时间歇送入事故浆液罐，待烟气负荷增加后返送回脱硫塔浆液池。

（3）选用高效、冲洗水量低的除雾器，同时适当延长在脱硫系统低负荷工作时的冲洗间隔周期，尽量减少脱硫塔进水。

4.2 窑灰杂质对脱硫的影响

窑尾烟气收集下来的窑灰，除了大部分的碳酸钙成分，还有小部分的二氧化硅等杂质，窑灰中的杂质对系统的设备带来了磨损，特别对循环浆液泵、石膏浆液泵、旋流器和脱硫喷嘴等设备磨损严重，同时也加重了脱硫塔体、浆液罐和管道防腐层的磨损。

因此系统设计选择浆液泵等设备时，要选用更耐磨的合金材料；同时脱硫塔、浆液罐等设备防腐层加厚设计，并在防腐层中添加防磨材料。

窑灰中杂质成分多，也会影响并抑制浆液中石灰石的溶解，引起石灰石溶液闭塞，弱化石灰石与二氧化硫的反应，促使脱硫效率降低。此种现象可增加喷嘴雾化覆盖率，增强脱硫塔浆液搅拌强度、适当提高塔内浆液更新等措施缓解这方面问题。

窑灰中杂质成分多，还会引起石膏脱水困难。石膏浆液杂质中的Fe3+和Al3+易与Cl-形成胶体化合物，影响石膏的脱水性能，使得石膏浆液中的水难从真空皮带机滤布上分离出来，导致石膏品质降低。在运行中可通过增加旋流站前石膏浆液压力，强化旋流效果，同时可适当缩短旋流站旋流子的更换周期，保证旋流器底流浆液的浓度，并适当强化滤布冲洗时间和强度，以保证真空皮带脱水机正常运行。

4.3 二氧化硫浓度对脱硫的影响

水泥窑窑尾烟气进入脱硫塔前，有烟气经过生料磨排至脱硫塔和从生料磨旁路引至脱硫塔两种方案。生料磨粉料对入磨的水泥窑窑尾烟气具有一定的脱硫作用，其基本机理是在生料磨内，原料带入的水分因烟气加热蒸发生成大量水蒸气，在窑尾烟气加热烘干过程中，二氧化硫与碳酸钙反应生成硫酸钙被固定下来，脱硫效率在20%～70%。当生料磨开启时，进脱硫塔烟气二氧化硫浓度约6000mg/m3，当生料磨停运时，二氧化硫浓度恢复到原始浓度104500mg/m3。

此工况会引起脱硫剂用量的增加和脱硫浆液液气比的增加。要解决进口浓度突然增加的问题，需要探究烟气中二氧化硫浓度的增加和pH值，连锁控制窑灰浆液投入到脱硫塔的加料量；同时，要保证烟气二氧化硫达标排放，需要增加浆液液气比，增加浆液的循环喷淋量，在项目设计时，可以备用一层喷淋层和一套变频循环泵，以应对二氧化硫浓度的增高，同时变频装置可适当降低运行能耗，节省运行费用。

5 结论

随着国家对水泥行业环保要求的日益严格，钙基湿法脱硫正成为水泥厂脱硫主流工艺。利用水泥窑生产工艺特点，增强物料综合循环利用效益，窑灰-石膏湿法脱硫系统采用水泥窑窑灰作为脱硫剂，生成的石膏作为水泥生产的缓凝剂添加料，充分挖掘了循环经济的高附加值。实践证明，利用水泥窑窑灰作脱硫剂的钙基湿法脱硫工艺是可行的，在实际应用中，针对系统中存在的一些困难和问题，可通过设计、运行优化，科学管理，可以保证脱硫系统的安全稳定运行，实现二氧化硫的达标排放。