摘要：詳細(xì)介紹了SO2形成機(jī)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(yùn)行成本低，對(duì)窯系統(tǒng)影響小，在原燃料穩(wěn)定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)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(guó)GB4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定SO2排放限值為200mg/Nm3，重點(diǎn)地區(qū)為100mg/Nm3。京津冀等地區(qū)對(duì)水泥行業(yè)SO2排放限值則更為嚴(yán)格。這使得部分水泥生產(chǎn)線(xiàn)SO2排放超標(biāo)；同時(shí)，隨著未來(lái)含硫較高的劣質(zhì)原燃材料及替代燃料大規(guī)模使用，更多的硫?qū)⒈粠胨嗌a(chǎn)過(guò)程，必然會(huì)引起SO2排放水平的持續(xù)增高。采用適當(dāng)?shù)拿摿蚣夹g(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(guó)環(huán)境保護(hù)法》第二十四條、《水泥工業(yè)大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，伊犁天山水泥有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我公司”）把環(huán)境保護(hù)工作納入2019年年度工作計(jì)劃中，并建立環(huán)境保護(hù)責(zé)任制度，旨在降低SO2排放，達(dá)到標(biāo)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(jī)設(shè)備配置見(jiàn)表1。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我公司隨著原燃材料的改變，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(biāo)問(wèn)題。雖然解決了SO2波動(dòng)，但是運(yùn)行成本偏高，每天使用脫硫劑費(fèi)用約4萬(wàn)元。

2 水泥窯二氧化硫形成機(jī)理

水泥窯系統(tǒng)中的硫是由原料和燃料帶入的。原料中的硫以有機(jī)硫化物、無(wú)機(jī)硫化物（簡(jiǎn)單硫化物或者復(fù)硫化物）或者硫酸鹽的形式存在，單質(zhì)硫可以忽略不計(jì)。原料中存在的硫酸鹽在預(yù)熱器系統(tǒng)通常不會(huì)形成SO2氣體，大體上都會(huì)進(jìn)入窯系統(tǒng)。其中一部分硫酸鹽會(huì)在窯內(nèi)高溫帶發(fā)生分解，生成的SO2氣體隨煙氣向窯尾運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)最低兩級(jí)預(yù)熱器等溫度較低區(qū)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(nèi)，形成一個(gè)在預(yù)熱器和窯之間的循環(huán)，而未分解的硫酸鹽則會(huì)隨著熟料離開(kāi)窯系統(tǒng)。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(jí)預(yù)熱器的C2旋風(fēng)筒。

表1 燒成系統(tǒng)主機(jī)設(shè)備配置

在預(yù)分解窯系統(tǒng)內(nèi)，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(jí)旋風(fēng)筒由窯尾煙室進(jìn)入窯內(nèi)。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(tǒng)內(nèi)，并被分解爐內(nèi)的堿性氧化物吸收，形成硫酸鹽進(jìn)入回轉(zhuǎn)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(jí)旋風(fēng)筒時(shí)部分會(huì)被吸收，其余則隨廢氣一道從預(yù)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(yù)熱器環(huán)境下，當(dāng)溫度低于600℃時(shí)，CaCO3對(duì)SO2的吸收效率要遠(yuǎn)低于CaO。上面兩級(jí)預(yù)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(yù)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(yù)熱器之間增設(shè)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(jié)皮堵塞等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運(yùn)行；

（2）在春秋季生產(chǎn)外界溫度低，窯內(nèi)及預(yù)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(dǎo)致混凝土發(fā)生膨脹性骨料反應(yīng)；

（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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)露問(wèn)題，保證窯正常運(yùn)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(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(biāo)。

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(fù)責(zé)生產(chǎn)線(xiàn)脫硫技改項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工。該項(xiàng)目于2019年4月8日開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)改造施工，5月20日完成改造，技改目標(biāo)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(yīng)速率，因此通過(guò)從分解爐內(nèi)適當(dāng)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、無(wú)動(dòng)力設(shè)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(xiàn)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(tái)設(shè)施；調(diào)試按方案規(guī)程操作。

調(diào)試過(guò)程：對(duì)改造前SO2排放數(shù)據(jù)進(jìn)行雙方確認(rèn)，開(kāi)窯投料，進(jìn)行SO2數(shù)據(jù)對(duì)比；若未達(dá)標(biāo)，閥門(mén)開(kāi)度30%，進(jìn)行SO2數(shù)據(jù)對(duì)比分析，同時(shí)觀察窯尾余熱發(fā)電鍋爐、高溫風(fēng)機(jī)和窯尾袋收塵器進(jìn)口溫度變化；若還未達(dá)標(biāo)，閥門(mén)開(kāi)度50%，進(jìn)行SO2數(shù)據(jù)對(duì)比分析，同時(shí)觀察上述三個(gè)設(shè)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)?nèi)，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(diào)整幅度只能加10%，超過(guò)70%閥門(mén)開(kāi)度后，每次開(kāi)度調(diào)整幅度只能加5%，每次調(diào)整后，觀察不得低于1 h?；赟O2達(dá)標(biāo)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。

圖1 熱生料高效脫硫技改施工現(xiàn)場(chǎng)

5 運(yùn)行效果

在原材料沒(méi)有變化的情況下，對(duì)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(jié)塊；

（2）控制風(fēng)門(mén)閘閥不靈活；

（3）對(duì)高溫風(fēng)機(jī)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(dāng)SO2排放值升高時(shí)，中控操作員及時(shí)通知巡檢工，對(duì)接口處進(jìn)行清理，確保SO2排放值控制在合理范圍內(nèi)；

（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(nèi)，盡可能減小風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，降低高溫風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的磨損。

7 技改效益分析

1）脫硫效率高

與傳統(tǒng)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(chǔ)上，脫硫效率可以達(dá)到80%，當(dāng)SO2初始排放濃度較低時(shí)其脫硫效率更高。

2）運(yùn)行成本低

系統(tǒng)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(tǒng)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)，每天共計(jì)節(jié)約脫硫劑使用費(fèi)用約4萬(wàn)元。

3）運(yùn)行可靠性高

該技術(shù)繼承了傳統(tǒng)水泥窯干法脫硫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，工藝布置簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高。

4）投資成本低

該技術(shù)具有與傳統(tǒng)水泥窯干法脫硫相當(dāng)?shù)耐顿Y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(duì)窯系統(tǒng)影響不大

通過(guò)窯系統(tǒng)與脫硫系統(tǒng)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(duì)窯系統(tǒng)產(chǎn)量、質(zhì)量無(wú)明顯影響，對(duì)窯系統(tǒng)整體熱耗幾乎無(wú)影響。

8 結(jié)束語(yǔ)

脫硫技改項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工至調(diào)試，歷時(shí)一個(gè)月。5月20日調(diào)試成功至25日停窯、7月份開(kāi)窯期間SO2排放值低至平均50mg/Nm3，遠(yuǎn)低于200mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)本次改造，徹底解決了SO2排放波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)在原材料趨于穩(wěn)定的情況下可以滿(mǎn)足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，為區(qū)域環(huán)境治理起到了良好的帶頭作用。