摘要：詳細介紹了SO2形成機理、熱生料高效脫硫采取的措施及效益分析。實踐證明，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、運行成本低，對窯系統(tǒng)影響小，在原燃料穩(wěn)定時，可以實現(xiàn)低于50 mg/Nm3的排放控制。

SO2是水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要大氣污染物之一。我國GB4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》規(guī)定SO2排放限值為200mg/Nm3，重點地區(qū)為100mg/Nm3。京津冀等地區(qū)對水泥行業(yè)SO2排放限值則更為嚴格。這使得部分水泥生產(chǎn)線SO2排放超標；同時，隨著未來含硫較高的劣質(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)過程，必然會引起SO2排放水平的持續(xù)增高。采用適當?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《中華人民共和國環(huán)境保護法》第二十四條、《水泥工業(yè)大氣污染排放標準》要求，伊犁天山水泥有限責任公司（以下簡稱“我公司”）把環(huán)境保護工作納入2019年年度工作計劃中，并建立環(huán)境保護責任制度，旨在降低SO2排放，達到標本兼治的目的。

1 生產(chǎn)情況

我公司擁有一條4500t/d熟料生產(chǎn)線，配置9 MW純低溫余熱發(fā)電站，生產(chǎn)線主機設備配置見表1。在實際生產(chǎn)過程中，我公司隨著原燃材料的改變，近幾年來SO2排放值存在波動。鑒于以上情況我公司臨時使用了脫硫劑來解決硫超標問題。雖然解決了SO2波動，但是運行成本偏高，每天使用脫硫劑費用約4萬元。

2 水泥窯二氧化硫形成機理

水泥窯系統(tǒng)中的硫是由原料和燃料帶入的。原料中的硫以有機硫化物、無機硫化物（簡單硫化物或者復硫化物）或者硫酸鹽的形式存在，單質(zhì)硫可以忽略不計。原料中存在的硫酸鹽在預熱器系統(tǒng)通常不會形成SO2氣體，大體上都會進入窯系統(tǒng)。其中一部分硫酸鹽會在窯內(nèi)高溫帶發(fā)生分解，生成的SO2氣體隨煙氣向窯尾運動，在到達最低兩級預熱器等溫度較低區(qū)域時，冷凝在溫度較低的生料上，并隨生料沉積一起進入窯內(nèi)，形成一個在預熱器和窯之間的循環(huán)，而未分解的硫酸鹽則會隨著熟料離開窯系統(tǒng)。原料中以其他形式存在的硫，則會在300~600℃被氧化生成SO2氣體，主要發(fā)生在五級預熱器的C2旋風筒。

表1 燒成系統(tǒng)主機設備配置

在預分解窯系統(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)最低級旋風筒由窯尾煙室進入窯內(nèi)。窯頭喂入的燃料產(chǎn)生的SO2則會隨煙氣進入分解爐系統(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在通過上級旋風筒時部分會被吸收，其余則隨廢氣一道從預熱器排出。如果廢氣用于烘干原料，則SO2在生料磨中進一步被吸收。其中，需要指出的是，在預熱器環(huán)境下，當溫度低于600℃時，CaCO3對SO2的吸收效率要遠低于CaO。上面兩級預熱器中CaCO3分解率較低，雖然會有少量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)過程中的SO2排放通常與燃料帶入的硫和硫酸鹽在預熱器和窯之間的循環(huán)關系不大，而與原料中硫化物的量密切相關。

3 水泥窯熱生料高效脫硫

熱生料高效脫硫即在窯尾和預熱器之間增設脫硫裝置，主要解決以下三個問題：

（1）由于原材料的變化，來自原燃材料硫化物升高，造成二氧化硫波動范圍較大，在窯尾煙室、下料斜坡和旋風筒錐體部位容易發(fā)生結(jié)皮堵塞等現(xiàn)象，嚴重影響到燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運行；

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

（4）水泥熟料中氯含量較高會腐蝕混凝土中的鋼筋，影響結(jié)構(gòu)強度。

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)露問題，保證窯正常運行，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）不會造成氨逃逸超標。

4 技改方案

為了降低SO2排放，我公司委托吉林省惠凈環(huán)保有限公司負責生產(chǎn)線脫硫技改項目設計與施工。該項目于2019年4月8日開始現(xiàn)場改造施工，5月20日完成改造，技改目標SO2每小時平均排放濃度≤100 mg/Nm3。

水泥窯熱生料高效脫硫方案：考慮CaO與SO2具有較高的反應速率，因此通過從分解爐內(nèi)適當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行干法脫硫。該方案具有施工周期短、效果顯著、無動力設備等優(yōu)點。同時，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。

技改工程質(zhì)量控制：各閥門可控性、密封性和可靠性要重點控制；各操作點要有操作檢修平臺設施；調(diào)試按方案規(guī)程操作。

調(diào)試過程：對改造前SO2排放數(shù)據(jù)進行雙方確認，開窯投料，進行SO2數(shù)據(jù)對比；若未達標，閥門開度30%，進行SO2數(shù)據(jù)對比分析，同時觀察窯尾余熱發(fā)電鍋爐、高溫風機和窯尾袋收塵器進口溫度變化；若還未達標，閥門開度50%，進行SO2數(shù)據(jù)對比分析，同時觀察上述三個設備進口溫度變化，必須要保證袋收塵器進口溫度在200℃以內(nèi)，防止燒損濾袋。依此類推，超過50%閥門開度后，每次開度調(diào)整幅度只能加10%，超過70%閥門開度后，每次開度調(diào)整幅度只能加5%，每次調(diào)整后，觀察不得低于1 h?；赟O2達標排放同時閥門開度最小的原則來判定閥門的最佳開度。

圖1 熱生料高效脫硫技改施工現(xiàn)場

5 運行效果

在原材料沒有變化的情況下，對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，見表2。

表2 技改前后窯尾煙囪SO2排放情況

6 生產(chǎn)過程中存在的問題與解決措施

存在的問題：

（1）分解爐接口處容易結(jié)塊；

（2）控制風門閘閥不靈活；

（3）對高溫風機風葉造成磨損。

解決措施：

（1）在分解爐接口處安裝檢修門，當SO2排放值升高時，中控操作員及時通知巡檢工，對接口處進行清理，確保SO2排放值控制在合理范圍內(nèi)；

（2）控制閥門必須采用耐高溫風閥（800~1 000℃）；

（3）SO2排放值在合理范圍內(nèi)，盡可能減小風門的開度，降低高溫風機風葉的磨損。

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上，脫硫效率可以達到80%，當SO2初始排放濃度較低時其脫硫效率更高。

2）運行成本低

系統(tǒng)采用水泥生產(chǎn)過程產(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的標準，每天共計節(jié)約脫硫劑使用費用約4萬元。

3）運行可靠性高

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

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?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）對窯系統(tǒng)影響不大

通過窯系統(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，對窯系統(tǒng)產(chǎn)量、質(zhì)量無明顯影響，對窯系統(tǒng)整體熱耗幾乎無影響。

8 結(jié)束語

脫硫技改項目從設計、施工至調(diào)試，歷時一個月。5月20日調(diào)試成功至25日停窯、7月份開窯期間SO2排放值低至平均50mg/Nm3，遠低于200mg/Nm3的排放標準。通過本次改造，徹底解決了SO2排放波動問題，同時在原材料趨于穩(wěn)定的情況下可以滿足超低排放標準，為區(qū)域環(huán)境治理起到了良好的帶頭作用。