环保开发标准:水泥工业烟气脱硫超低排放

为更好的保护环境，进一步防止大气污染，《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)加严了水泥窑及窑磨一体机SO2的最高排放标准，一般限制为200mg/Nm3，特别排放限值为100mg/Nm3 。本文将介绍水泥工业烟气脱硫超低排放开发与研究。

据不完全统计，全国新型干法水泥熟料生产线截止2015年年底已经达到1764条(注：去除部分2015年已拆除生产线)。硫排放超标的水泥生产线约占100多条，主要分布在西南、两广、海南等片区，其中不少水泥厂每年的SO2的排污费高达几百万元，因此加快超标硫排放治理已刻不容缓。

水泥行业SO2主要来自于原料和燃料中的无机硫和有机硫氧化生成，因此，水泥行业硫减排一般从通过生产工艺自身对SO2吸收的自脱硫，调整操作工艺、减少末端SO2的排出前端防治，以及利用脱硫装置脱出SO2末端治理方面入手。

然而一直以来，窑尾烟气的SO2排放一直未引起人们的重视，《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)，要求SO2排放限值为200mg/m3,重点地区100mg/m3。

经调查分析，在一些特定地区，由于原料含硫特别高，SO2排放个别高达2000mg/m3。随着国家环保执法日趋严格，水泥企业因排放超标而被罚款的情况时有发生。

紧跟水泥大气污染物治理步伐，西安西矿环保科技有限公司建材事业部历经半年针对水泥脱硫技术的研究，在业内专家的指导和共同讨论下得到认可并立项，开发了XK-TD型(Condition Tower Desulphurization)增湿塔喷雾脱硫系统、XK-WD型(Wet Desulphurization)湿法脱硫系统、XK-HCDD型(High Efficiency Cyclone Integrated Simultaneous Desulfurization & De-dusting Equipment)高效脱硫除尘(雾)一体化系统具有水泥行业特点的脱硫新技术。

以XK-TD型(Condition TowerDesulphurization)增湿塔喷雾脱硫系统为例，针对水泥厂硫排放超标约500-600mg/m3，在不影响其生产工艺情况下，在增湿塔及磨机中喷入一定浓度的石灰石浆液来吸收二氧化硫，理论效率约可以达到60%~70%，大多的硫超标排放的企业愿意采取此种方案。通过对其工艺了详细的分析及增湿塔内的气流模拟，可提供在保证一定的脱硫效率的同时，让其反应后的浆液在增湿塔中的沉降时间大于蒸发时间，绝不会影响工艺生产和其他脱硫废弃物。增湿塔喷雾脱硫系统如图1。

图1 增湿塔喷雾脱硫系统图

以兰溪红狮为例详细计算浆液量、浓度及喷枪数量：当浆液浓度为5%时，温度可从进口240℃降至210℃以下;当浆液浓度为15%时，温度可从进口240℃降至230℃;按出口SO2浓度为200mg/Nm3，即效率按66.67%计算出需水量与增湿塔温度降;在满足脱硫效率66.67%时，通过调节喷浆浓度，温度降不会太大，不会影响窑尾正常生产。

而 XK-WD型(Wet Desulphurization)湿法脱硫系统，则针对水泥厂硫排放超标约700mg/m3以上，应用湿法脱硫的成熟技术及结合水泥工艺的特点研发。该系统在靠近尾排风机处增设一台脱硫塔，对尾气进行洗涤排放，效率可高达98%，对水泥窑尾的脱硫塔的一些关键技术参数做了定性并结合其特点，对整套系统也作了相应的优化改进。

以窑尾回灰作为脱硫吸收剂，通过向吸收塔内喷入吸收剂浆液，使之与从吸收塔下部进入的含SO2的烟气充分接触、混合，并对烟气进行洗涤，使烟气中的SO2与浆液及鼓入的强制氧化空气发生化学反应，生成硫酸钙达到一定饱和度，结晶形成石膏，经脱水处理后将其作为水泥缓凝剂。 XK-WD型(Wet Desulphurization)湿法脱硫系统如图2。

图2 XK-WD型(Wet Desulphurization)湿法脱硫系统图

而XK-HCDD型(High Efficiency Cyclone Integrated Simultaneous Desulfurization & De-dusting Equipment)高效脱硫除尘(雾)一体化系统，则针对水泥厂窑尾除尘排放不达标及考虑后期的超净排放，同时硫含量也过高时，考虑到占地、投资等因素可采用此方案。入口粉尘浓度可在100mg/m3，脱硫塔可做到除尘(雾)一体，出口粉尘做到达标排放，尾部电除尘不需进行大的改造，实现协同处理。

XK-HCDD型高效脱硫除尘(雾)一体化系统是基于多相紊流掺混的强传质机理，利用空气动力学原理，通过特制的脱硫除尘一体化技术系统装置，产生气液旋转翻腾的湍流空间，在此空间内气液固三相充分接触，大大降低了气液膜传质阻力的同时，提高了传质速率，迅速完成传质过程，从而达到提高脱硫效率、实现气体净化的目的。

为了让XK-HCDD型高效脱硫除尘(雾)一体系统更好的发挥作用，对其进行了严格的中试。运用CFD数值模拟实验，研究在水泥工艺改变的情况下(磨开和磨停)风量变化对脱硫除尘一体化技术稳定性的影响。

其采用单独的立式组合成除雾器，取代板式或屋脊式除雾器。高效立式除尘(雾)装置的使用环境是含有大量液滴的50℃饱和净烟气，特点是雾滴量大，雾滴粒径分布范围广，由浆液液滴、凝结液滴和尘颗粒组成，除尘主要是脱除浆液液滴和尘颗粒。

根据研究的需要，专门建立一套脱硫除尘一体化实验平台，该设备在正压情况下运行。实验方案为将取自水泥厂窑尾的灰在制浆罐中与一定比例的水制备成浆液，由浆液泵打入进风管道，与烟气一起进入设备内，对烟尘及水汽混合物进行脱除。

此外，更换不同的方案进行相同实验，对比各性能，从而得出更优的内部结构件的布置达到最好的脱除效果方式，并开发针对水泥行业脱硫除尘系统的检测技术。因此，项目从研究基础、研究内容和实施保障上都具有可行性，从项目指标和项目方法上具有先进性。

根据分析暂定管束种类为四种：

种分离器叶片角度为30°，增速器H1等于0mm; 种分离器叶片角度为30°，增速器H1等于200mm;种分离器叶片角度为45°，增速器H1等于0mm;种分离器叶片角度为45°，增速器H1等于200mm。

根据上述参数模拟结论(H1为文丘里直管段长度)：

当0mm200mm时，随着高度增加挡流环处的液体体积分数慢慢减小。因此文丘里直管段为200mm时，出口挡流环处的液体聚集程度最大，液体体积分数可达到3.88%。

最终得出最优组合对除雾效率的影响，最优组合表如下表所示。

最优组合表

随着气温变化，气候全球化发展，能源资源开发利用效率的大幅度提高，能源和水资源消耗、建设用地、碳排放总量大幅减少，资源、能源、环境容量约束大大增加，这对“十三五”水泥工业的发展提出了更严峻的挑战，将会继续削减二氧化硫和氮氧化物的排放。

尽管水泥行业现阶段一方面面临产能过剩与经济低迷的不利因素，另一方面又面临严格的环保法规政策。但在未来的市场竞争中，谁能降低水泥厂的环保投资与能耗，谁就能掌握市场。为此我们必须做好技术升级，不断研发出符合市场需求的新技术、新产品，做好水泥超净治理的技术储备。