加強水泥生產(chǎn)線環(huán)保設(shè)備自脫硫及S02排放優(yōu)化控制
水泥生產(chǎn)線降低S02排放的措施很多,主要分為三類:水泥生產(chǎn)線自身的S02脫除、改變水泥生產(chǎn)工藝和采取額外的S02脫除技術(shù)。如前所述,水泥窯系統(tǒng)中存在合適的條件可以脫除S02,脫除效率與生料硫堿比、原料中硫的存在形態(tài)有很大關(guān)系。同時如果生料磨采用預(yù)熱器廢氣作烘干熱源,會進一步脫除50%~70%的S02。從工藝角度來講,控制燒成帶的C0、CO2含量及火焰形狀有利于降低S02排放。改變原料硫含量和調(diào)節(jié)硫堿比均可以降低S02排放,但改變原料通常在經(jīng)濟上是不可行的。
1 硫的引入和存在形態(tài)
1.1原料硫
水泥生產(chǎn)所用原料中的硫化物大部分為黃鐵礦和白鐵礦(兩者均為FeS2),還有一些單硫化物(如FeS)。原料中的硫酸鹽主要包括石膏(CaS04·2H20)和硬石膏(CaS04),這兩種礦物在低于燒成帶溫度下很穩(wěn)定。原料中存在的硫酸鹽大體上都會進入窯系統(tǒng)。硫化物,比如硫鐵礦,會在500-600℃發(fā)生氧化生成S02氣體,主要發(fā)生在第二級旋風(fēng)筒。
1.2 燃料硫
燃料中的硫的存在形式和原料中的一樣,有硫化物、硫酸鹽還有有機硫。燃料在分解爐或者回轉(zhuǎn)窯燃燒,而分解爐存在大量的活性Ca0,同時分解爐的溫度正是脫硫反應(yīng)發(fā)生的最佳范圍,因此燒成帶產(chǎn)生的S02氣體可以在分解爐被Ca0吸收或者在過渡帶和燒成帶與堿結(jié)合生成硫酸鹽。也就是說正常情況下,燃料中的硫很少會影響到硫的排放。但是以下這些情況下會出現(xiàn)例外:
1)燃料的燃燒是在還原狀況下進行的;
2)生料易燒性很差,燒成帶溫度被提得很高;
3)硫堿比明顯偏高。
2 水泥生產(chǎn)線各工藝的脫硫作用
眾多因素影響著水泥生產(chǎn)線各工藝的脫硫效果,例如脫硫劑、水含量、反應(yīng)面積和停留時間等。Ca0和Ca(OH)2的脫硫效果優(yōu)于CaC03,CaC03在溫度低于600℃的情況下,如果沒有水的作用,脫硫效果很差。與長窯相比,預(yù)熱器窯和預(yù)分解窯中原料和氣體在旋風(fēng)筒和風(fēng)管中的接觸要充分的多,因此SO2排放量要低得多。一般而言,水泥窯系統(tǒng)對原燃料帶入硫的脫除率超過50%。
2.1生料磨和除塵器
生料磨中石灰石(CaC03)持續(xù)產(chǎn)生新鮮表面,同時粉料有較長的停留時間;另外立磨中氣體溫度通常已經(jīng)降到200℃以下,因此相對濕度較高。盡管較低溫度會降低脫硫反應(yīng)速率,但考慮到參與反應(yīng)的物料擁有巨大的反應(yīng)面積、較長的停留時間,同時水蒸氣也會促進脫硫反應(yīng)進行,立磨中硫的脫除率還是很可觀的。Goldmann的研究表明,采用立磨可以脫除大約50%的S02,其脫硫產(chǎn)物是Ca(HS03) 2,入窯后會被氧化生成H2S02和CaS02。Rose對比了生料磨開和停情況下的S02排放濃度,數(shù)據(jù)表明生料磨可以脫除超過61%的S02。上面這些結(jié)論主要針對立磨,當(dāng)采用球磨機的時候,脫硫效率降低,主要受到球磨機中含硫氣體和生料的接觸程度的影響。
除塵器中氣體和粉料緊密接觸以及相對濕度較高,也可以脫除一小部分硫。有文獻報道袋除塵器的脫硫效果要稍好于電除塵器,但是沒有給出原因。
2.2窯系統(tǒng)
2.2.1預(yù)熱器
和生料磨相比沒有新鮮的CaCO3表面產(chǎn)生,Ca0和Ca(OH)2含量較低,濕度和溫度較低,這幾方面綜合作用的結(jié)果是,預(yù)熱器的上面幾級旋風(fēng)筒(300-600℃)的脫硫效率很低。
2.2.2分解爐
分解爐是干法脫硫發(fā)生的理想場所。從熱力學(xué)和動力學(xué)角度來講,新生成的活性較高的Ca0很容易和S02發(fā)生反應(yīng)。分解爐和下面幾級旋風(fēng)筒溫度范圍在800—950℃,脫硫反應(yīng)可以很好地進行。溫度過高或者過低,都不利于該反應(yīng)的進行。另外,煙氣中過剩02濃度、C0濃度都會影響CaS04的分解,從而對分解爐脫硫效果產(chǎn)生影響。缺氧會增加分解爐和上級預(yù)熱器脫硫的難度。盡管還原氣氛對干法窯S02排放的影響程度遠沒有濕法窯或者半濕法窯那么明顯,硫酸鹽沉積導(dǎo)致干法窯窯尾上升管道和旋風(fēng)筒的結(jié)皮帶來的操作問題更值得關(guān)注;但是通過對窯尾02、CO濃度以及C4下料SO3含量之間的相互關(guān)系研究,Lowes發(fā)現(xiàn)在硫堿比為1的情況下,將窯尾煙氣02含量從2%降低到l.0%~l.5%,會使S02排放增加50-800ppm。
再者,熱生料在下面兩級旋風(fēng)筒和連接風(fēng)管中的分布也會影響到脫硫效率。Schmidt曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于上述原因,一條帶多筒冷卻機的預(yù)熱器窯S02排放值特別高。當(dāng)物料分布情況改善后,S02排放量大大降低。
最后,生料經(jīng)過特定溫度范圍(易于脫硫反應(yīng)進行的溫度范圍)的時間長短對分解爐脫硫效果有著重要的影響。該溫度范圍與喂入生料的組分、顆粒分布以及窯氣中C02含量相關(guān)。
2.2.3前過渡帶
脫硫反應(yīng)在溫度高于1050℃后難以進行,因此前過渡帶不再有利于石灰脫硫的進行。前過渡帶中硫被堿或者鈣吸收后以K2S04、3K2S04·Na2S04、Na2S04、2CaS04·K2S04形式存在。隨著溫度增加,與堿的硫酸鹽相比,CaS04、2C2S·CaS04、3Ca0·3A1203·CaS04(C4A3)穩(wěn)定性變差。在前過渡帶或燒成帶CaS04會分解,分解程度取決于過剩O2含量、溫度以及C0含量。在C0含量為2000ppm的情況下,CaS04在1000℃就開始分解。
2.2.4燒成帶
硫在窯系統(tǒng)的揮發(fā)與循環(huán)與很多因素有關(guān),其中生料的易燒性是一個很重要的因素,如果生料易燒性差,為了不影響C3S的形成,一般采取提高燒成帶溫度的方法,這樣物料中更多的硫會揮發(fā)出來。另外,堿的硫酸鹽比較穩(wěn)定,可以隨熟料離開窯系統(tǒng),所以硫堿比會影響硫在燒成帶的揮發(fā)。改善燃燒器的設(shè)計和操作也可以減輕硫的循環(huán)門。盡管燒成帶中一些因素會阻礙CaS04分解反應(yīng)的進行,如窯氣中存在S02和O2以及物料在燒成帶的停留時間較短,但當(dāng)溫度超過1250%,該反應(yīng)還是會劇烈進行。也就是說,盡管水泥窯系統(tǒng)自身可以起到一定的脫硫的作用,還是應(yīng)該通過控制窯和預(yù)熱器之間的硫循環(huán)進一步降低S02排放量。
3 額外的S02脫除技術(shù)
水泥廠可采用的S02脫除技術(shù)包括干反應(yīng)劑噴注法、熱生料噴注法、噴霧干燥脫硫法、濕式脫硫法。
3.1干反應(yīng)劑噴注法
干反應(yīng)劑噴注法是指將熟石灰噴入預(yù)熱器系統(tǒng)適當(dāng)位置。Nielsen報道將熟石灰加入最上面兩級旋風(fēng)筒之間的連接管道,鈣硫比在2.5和4的情況下,脫硫效率可以分別達到50%和70%。RMC Pacific公司曾經(jīng)將干的Ca(OH)2喂入上面兩級旋風(fēng)筒之間的連接管道和出頂級預(yù)熱器后的廢氣管道,鈣硫比在40~50之間,脫硫效率在55%~65%之間。當(dāng)將熟石灰噴入生料磨時,可以達到最高的脫硫效率80%。Polysius公司開發(fā)了一種Polydesox系統(tǒng),即將熟石灰喂入上面兩級旋風(fēng)筒之間的連接管道或者喂入第二級旋風(fēng)筒,該公司報道脫硫效率可達到85%。
3.2熱生料噴注法
熱生料噴注法是指將已分解生料喂入預(yù)熱器系統(tǒng)適當(dāng)位置。Fuller公司的De-SOx旋風(fēng)系統(tǒng)便屬于此類,該旋風(fēng)除塵器安裝在上面兩級旋風(fēng)筒之間的連接管道附近,從分解爐出口引出一部分廢氣進入旋風(fēng)除塵器,然后將收集下的粉塵喂入上面兩級旋風(fēng)筒之間的廢氣管道。熱生料中包含大量的活性Ca0,在鈣硫比為5-6的情況下,脫硫效率可以達到25%~30%。對原料中硫鐵礦含量高的水泥廠而言,大約5%~10%分解爐廢氣即可滿足要求。另外RMC公司也作過類似嘗試,將窯尾下料處已分解生料喂入上面兩級旋風(fēng)筒之間的連接管道或者喂入出頂級預(yù)熱器后的廢氣管道,鈣硫比在30左右,脫硫效率分別可以達到30%和40%。
3.3噴霧干燥脫硫法
噴霧干燥脫硫法是一種濕法與干法相結(jié)合的脫硫方法,石灰消化后形成的漿液由噴霧裝置噴入吸收塔,脫硫效率可以達到50%~90%。RMC公司曾將石灰消化后噴入增濕塔。增濕塔中有9個噴霧嘴,分為兩組,一組用來噴入石灰漿液,另一組用來噴入冷卻水。被霧化成細小液滴的脫硫劑與煙氣中的S02發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而脫除煙氣中的S02。煙氣中未反應(yīng)的石灰顆粒和反應(yīng)生成物等隨煙氣帶出增濕塔,進入除塵器被收集下來。該脫硫系統(tǒng)存在兩個控制回路,一個用來控制增濕塔出口氣體溫度,另一個用來控制煙囪S02排放濃度。Envirocare公司也是利用水泥廠的增濕塔引入脫硫劑,該脫硫劑漿液中懸浮著很多微細Ca(0H) 2顆粒(通常在3~10μm),SO2氣體易溶于漿液并與其發(fā)生反應(yīng),與此同時,漿液中的水分在熱煙氣作用下蒸發(fā),脫硫效率超過90%。這兩種方法中,收集下來的含硫化合物的窯灰進入生料磨,不存在廢物處理的問題。
3.4濕式脫硫法
濕式脫硫法已廣泛應(yīng)用于很多行業(yè)像電力、冶金行業(yè),目前國外有多家水泥廠也采取了該方法。Fuller公司的濕法脫硫成套設(shè)備一般安裝在除塵器后面,并以正壓工作。氣體進口設(shè)在吸收塔下部,吸收塔頂部裝有成組霧化噴嘴。用20%的石灰石和80%的水在漿液池制成石灰石液漿,進入吸收塔底部的沉淀槽,然后被泵入噴嘴。在石灰石稀漿沿吸收塔下降過程中,與煙氣形成逆流接觸,脫除煙氣中的硫,生成的CaS02和CaS02進入沉淀槽。沉淀槽底部鼓入空氣,將CaS02強制氧化生成石膏。生成的石膏進入水力旋流器,再通過離心機,這樣可以得到含水10%-15%的石膏,此種質(zhì)量的石膏可以部分替代水泥粉磨過程中使用的石膏。當(dāng)水和石膏分離出來后,水再返回漿液池。石灰石料漿與氣體中的SO2反應(yīng)是在接近露點條件下進行的,經(jīng)過吸收塔的氣體需要通過除霧器除去懸浮水滴和顆粒物,然后再從煙囪排出。Monsanto Envir0—Chein公司的Dyna Wave動力波逆向噴射洗滌器也屬于此類。煙氣由風(fēng)機白洗滌筒的頂端進入,洗滌液通過一個大口徑的噴嘴逆著氣流噴入洗滌筒中,氣體與液體相撞,從而迫使液體呈輻射狀自里向外射向筒壁,在氣一液界面區(qū)域形成強烈的湍流區(qū)域,氣液緊密接觸而產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫區(qū),在此區(qū)域產(chǎn)生顆粒捕集、氣體吸收和氣體急冷的作用。動力波洗滌器采用大口徑、無堵塞的噴頭,以便適合于漿料處理。處理后的氣體通過兩層帶有自動水噴淋系統(tǒng)的除沫器,從頂部離開動力波洗滌器,由煙囪排放。反應(yīng)生成的CaS03被洗滌器底部鼓入的攪拌空氣氧化成CaS04(石膏),循環(huán)料漿中CaS04達到一定濃度時由泵抽出。單套洗滌器可以實現(xiàn)90%的脫硫效率,如果將兩套甚至多套進行聯(lián)用,脫硫效率甚至可以達到99.9%。
盡管干反應(yīng)劑噴注法的脫硫效率較高,但其成本較高,主要是購置熟石灰的費用。噴霧干燥脫硫法投資低于濕法工藝,可以通過對水泥廠增濕塔進行改進來實現(xiàn),其優(yōu)點是脫硫效率較高,不存在脫硫產(chǎn)物的處理問題,但石灰漿液噴注過程中管路、閥門、噴頭、預(yù)熱器風(fēng)機的堵塞問題比較嚴(yán)重,檢修維護工作量較大;脫硫劑漿液固體含量超過13%將造成噴嘴霧化困難,這一系列的操作問題給其在水泥行業(yè)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。濕式脫硫法效果較好,脫硫效率可以達到80%~95%,漿液固體含量可達到30%,堵塞和維修問題較少,但受設(shè)備投資、運行費用和技術(shù)要求高的限制,難以適合我國的國情;另外脫硫石膏含有大量雜質(zhì),很多情況下再利用的價值不大,最終不得不作拋棄處理。比較而言,熱生料噴注法如De-S0x旋風(fēng)系統(tǒng)較節(jié)省投資,在S0x排放不嚴(yán)重超標(biāo)的情況下,較適合我國水泥行業(yè)的具體情況。
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