窑尾烟气湿法脱硫技术的工程应用
一、生产线简介
某公司现有一条6000t/d新型干法水泥熟料生产线，拥有一个质量研究中心和一个混凝土研究中心，自备可开采60年的矿山，矿石可通过800m长的运输廊道直接进入厂区储库。公司已具备年生产熟料160万吨、生产水泥200万吨的能力。
目前，该公司窑尾袋收尘器的处理风量为105×10⁴m³/h，熟料产量平均为6500t/d。湿法脱硫工程技改之前采用氨法脱硫，窑尾收尘器出口粉尘浓度控制在20mg/m³(标)以下，氨法脱硫技术将SO₂浓度控制在200mg/m³(标)以下。氨法脱硫技术平均每天消耗20％浓度氨水36t。氨水消耗量过大，不仅增加了熟料的生产成本，而且对窑尾烟囱设备造成严重的腐蚀。2017年，该公司决定进行窑尾石灰石一石膏湿法脱硫技改。
该公司生产线所用的燃煤品种含硫量为0.8％以内，石灰石矿石原料中的含硫量很高(见表1)，使得窑尾烟气中的SO₂含量非常高。如果不喷氨水，生料磨停时SO₂排放浓度均值为2000mg/m³(标)，最大2500mg/m³(标)，生料磨开时SO₂排放浓度均值也达到了800mg/m³(标)，最大1200mg/m³(标)。
众所周知，燃煤炉窑烟气采用石灰-石膏湿法脱硫工艺，是目前技术最成熟、脱硫效率最高、应用最广泛、运行最稳定可靠的工业脱硫工艺。本技改工程采用的就是这种工艺。
在传统的石灰石-石膏湿法脱硫工艺基础上，结合水泥窑窑尾工艺和设备的特点，对生产线进行了优化和改进。以该公司生产线为例，湿法脱硫工艺由几个主要的子系统构成，包括：烟气非标系统、脱硫剂制备系统、脱硫塔系统、石膏脱水系统、工艺水系统等。该公司生产线湿法脱硫工艺流程图见图1。
图1.该公司生产线湿法脱硫工艺流程图
1、脱硫塔系统
本工程中脱硫塔塔径设计为8.8m，脱硫塔内配置2507不锈钢氧化风管一组，2507不锈钢侧搅拌器一组，2507不锈钢增效托盘一层，高铬合金浆液循环泵3台。高铬合金及双相不锈钢提高了设备的耐腐蚀性能，增加了设备的稳定性和耐用寿命。脱硫塔系统中还配置了浆液地坑一座，石膏排出泵一台，FRP喷淋层三层，PP屋脊式除雾器两层。屋脊式除雾器不仅可截留脱硫喷淋时雾滴中的颗粒物，原烟气中的颗粒物通过除雾器时，也会被部分截留下来。为了满足窑尾停磨和开磨两种工况下，脱硫塔进口SO₂含量变化时，氧化风的使用量，系统配置了两台75kW罗茨风机，很大程度上节省了脱硫系统的能耗。
2、石灰石浆液制备槽系统
本工程中的脱硫剂采用窑尾收尘器的回灰，充分体现了水泥窑脱硫用脱硫剂的成本优势。ф4.0m×4.0m浆液制备槽储罐放置在窑尾收尘器的回灰拉链机侧，通过下料管、锁风下料器直接将拉链机内的石灰石粉送入浆液制备槽中。该配置为脱硫浆液系统提供了4-5h的缓冲时间，且省去了窑灰储仓等设备，节省了一次投资成本，同时减少了系统维护检修点。该系统中另配置了一台浆液输送泵和一台罐顶搅拌器。
3、石膏脱水系统
本工程中的石膏脱水系统配置了8m²的真空皮带脱水机一台，与脱水机配套的设备有旋流器、滤液水箱、气液分离器、真空水环泵、滤布冲洗水泵各一台，同时设置了一间石膏堆库，用于临时堆放脱硫石膏。该脱水系统较之于旋转板框等脱水系统，稳定性高，故障率低，设备维护简单。
4、其他配套设备
脱硫系统为了获得稳定的水源，配套ф4.0m×4.0m工艺水箱一座、除雾器冲洗水泵一台。为了方便应对水泥窑系统的大修，为脱硫系统配置了一座ф7.0m×12.0m的浆液储槽，用于临时储存脱硫塔内未脱水的浆液。
由于脱硫系统是一个比较复杂的环保系统，为了尽可能地实现高度自动控制，脱硫系统单独设置了一套PLC控制系统，同时配套了多点压力、温度、密度和液位监测，并在各子系统间的管道上设置了多台电动阀，以实现浆液的顺利输送。
5、脱硫系统的布局
脱硫系统的整体布局需满足整个窑尾工艺并兼顾运行维护方便的特点，综合考虑工艺要求、布置条件、交通运输、整体美观和谐等。工程设计选择将脱硫塔系统放置在窑尾收尘器、生料库和窑尾烟囱之间的空档内。脱硫系统布置外观见图2。
图2.脱硫系统布置外观
本脱硫工程质量完全满足国家相关的设计、施工、验收规范及标准。工程验收指标为：
(1)窑尾主烟囱的SO₂排放浓度<35mg/m³(标)(此指标为基于脱硫系统前的SO₂浓度<2500mg/m³(标)，氧气浓度含量基于10％)；
(2)窑尾主烟囱的粉尘排放浓度<20mg/m³(标)(此指标为基于脱硫系统前的粉尘浓度<20mg/m³(标)，氧气浓度含量基于10％)。
脱硫系统运行考核期间各项指标情况如下：
(1)该系统考核期共一个月时间。在考核期间，为了考验脱硫系统的能力，提高了矿山高硫石灰石的比重，一度导致脱硫系统入口SO₂浓度升至超过CEMS的量程值2500mg/m³(标)，但主烟囱的SO₂排放浓度均<35mg/m³(标)。
(2)实际窑尾主烟囱的粉尘排放浓度远低于验收指标，窑尾主烟囱的粉尘排放浓度均<10mg/m³(标)。
脱硫系统产生的灰渣为石膏，即CaSO₄·2H₂0，本工程产生的副产品——脱硫石膏的纯度较高，成分检测结果见表2。
表2.脱硫石膏成分检测，％
检测结果表明，该脱硫石膏已十分接近天然石膏，完全可作为水泥缓凝剂使用。脱硫石膏的利用，一定程度上也降低了脱硫系统的运行成本。
1、环境效益分析
为了说明本工程污染物排放的变化所带来的环境效益，表3列出了生产线安装烟气湿法脱硫系统前后污染物排放的数据对比。
从表3可以看出，加装烟气脱硫装置后，正常运行时每年的SO₂排放量可由10224t减少到410.4t，SO₂平均每年的消减量达到了9813.6t。系统SO₂排放浓度(烟囱出口)控制在80mg/m³(标)(干基，10％O₂)，远远优于GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》以及环保政策所允许的污染物排放总量，给当地带来了巨大的环境效益。
2、经济效益分析
本脱硫技改工程建造前，系统采用氨法脱硫，控制烟囱出口SO₂排放浓度200mg/m³(标)(干基，10％O₂)，每年氨水的成本为300(d)×660(元/t)×36(t/d)，10000=712.8万元。
脱硫系统在考核期间(高硫原料)，系统平均电耗实测值为1.7kWh/t熟料，则每年所需电耗成本为：300(d)×6500(t/d)×1.7(kWh/t)×0.8(元/kW)/10000=265.2万元。此经济分析仅为简单计算，并未计算石灰石原料的消耗成本和产生脱硫石膏的收益。