引言

由于水泥窯熟料生產過程中整個系統物料處于堿性狀態，大部分生產線的窯尾SO₂排放濃度較低，無脫硫措施即可實現達標甚至超低排放，但少部分熟料線因原料中的有機硫化物、無機硫化物(簡單硫化物或者復硫化物如硫鐵礦等)含量較高，直接在窯尾預熱器C1～C3旋風筒內分解氧化形成SO₂，在原料磨運行時，石灰石中的CaCO₃被粉磨后在水汽的作用下與廢氣中的SO₂反應生成CaSO₄而被固化到生料中，但在原料磨停磨時，仍有部分SO₂排入大氣中，造成窯尾SO₂排放濃度波動大甚至超標。一般該類型的生產線在停磨期間SO₂排放初始濃度低于300mg/Nm3，較多的采用干粉脫硫或者復合脫硫以確保達標排放。而本文是對鋼鐵行業應用的固定床脫硫技術進行分析，探討其在水泥行業的適用性，探索一條新的脫硫途徑以應對原料磨停產期間窯尾SO₂階段性偏高現象。

1.1 固定床脫硫技術的發展情況

該固定床脫硫技術于2018年在鋼鐵行業開始應用，初期認可度較低，推進較為緩慢，但近兩年隨著國家環保管控趨嚴，尤其是京津冀地區環保管控力度較大，對脫硫廢水和煙囪煙羽的管控導致部分企業開始采用該技術，尤其是2020年以來在鋼鐵等行業的鍋爐煙氣凈化方面應用較多，目前江蘇利淮鋼鐵、河鋼股份、唐山新晶等鋼鐵公司以及包頭鋁業、唐山亨遠清潔能源等公司采用了該脫硫工藝，水泥行業目前正在探索論證階段。

1.2 脫硫機理

含SO₂廢氣經引風機將廢氣鼓入固定床，廢氣中的SO₂先被廢氣中的O₂氧化成為SO₃，然后被填裝在固定床內的條形脫硫劑(主要成分ca(OH)₂等)吸收生成硫酸鈣，脫硫后的廢料可回收用作水泥混合材。反應化學方程式為：

(1)SO₂+1/2O₂→SO₃

(2)SO₃+Ca(OH)₂→CaSO4+H₂O

另外，該條形脫硫劑也同時能去除其他多種污染物，如汞鉛等重金屬、HF、HCl、二噁英甚至粉塵，值得注意的是，因脫硫劑主要成分為Ca(OH)₂，同樣可以與廢氣中的CO₂反應生成碳酸鈣，從而增加了脫硫藥劑的使用量。

1.3 脫硫工藝流程

固定床脫硫工藝流程較為簡單，具體為：廢氣由引風機引入固定床煙氣脫硫系統(見圖1)，裹挾SO₂和NOx等物質的廢氣與藥劑發生化學反應后從煙囪排出，廢氣在固定床內的流速為0.2m/s。該工藝處理工況風量一般設計為2～300萬m3/h，5000t/d熟料生產線的窯尾風量約為50～55萬m3/h，可以在水泥行業適用，最核心的技術是條形脫硫劑和固定床單元的設計(見圖2)。

1.4 主要工藝特點

(1)廢氣凈化量可自由調節。

在固定床進口風管處設有閥門將煙氣分兩路，一路進固定床凈化處理，一路直接由固定床頂部排出，與凈化后的廢氣混合后進入煙囪排出，可以根據混排的污染物濃度控制閥門開度，控制污染物排放濃度。該特點特別適合水泥窯停磨期間窯尾SO₂排放濃度波動的生產線。

(2)可去除多組分污染物。

原則上，該固定流化床工藝可以同時填裝脫硫、脫硝藥劑，可以去除煙氣多組分污染物(顆粒物、SO₂、SO₃、NOx、氟化物、VOCS等)。

(3)水分對藥劑成效有促進作用。

該脫硫脫硝劑對廢氣中的濕度沒有要求，水汽有助于提高脫硫成效，機理是水與廢氣中的SO₂反應生成硫酸，能促使與堿性物質的反應。

將從礦山采下的石灰石破碎，然后煅燒生成CaO，再經破碎后進入緩沖罐，然后加水消化、進倉陳化，生成Ca(OH)₂，進入高級分級機進行分選，成品納米級Ca(OH)₂進入儲存罐，一部分作為粉劑外賣，一部分與水、高嶺土等輔料按照一定比例進行搭配，在攪拌機內混勻攪拌，然后進入成型機擠壓成條形四葉草狀(見圖3)，過網烘干后外賣。

圖3 條形脫硫劑

3.1 固定床脫硫技術應用案例

某鋼企新區脫硫工藝皆采用固定床條形藥劑脫硫工藝，共計21套，皆為一層布置。該企業目前除燃氣發電工序2套使用干法脫硫同時嘗試使用脫硝外，其余僅使用條形脫硫劑進行脫硫。

3.2 固定床脫硫運行情況

3.2.1 2#高線工序固定床脫硫應用情況

2#高線有兩股廢氣(見圖4)，一股是煤煙廢氣(含硫量相對高)，一股是空煙廢氣(含硫量相對低)，煙氣量約為14萬m3，固定床為一塔兩套一層設計，占地共計約312m2，初裝催化劑約780t，投資約1200萬元，目前已運行6個月而未更換脫硫劑，運行較為穩定。含硫廢氣主要是燃燒高爐煤氣產生。經監測，SO₂初始濃度約為70～80mg/m3，煙溫約為80～150℃，在線監測數據顯示，出口SO₂濃度皆低于6mg/m3(在線監測數據見圖5)，排放濃度較為穩定。

3.2.2 2#發電工序固定床脫硫應用情況

2#發電工序的廢氣是燃燒高爐煤氣、轉爐煤氣等產生，廢氣量約76萬m3工況風量(約50~55萬Nm3)，固定床為一塔一套一層設計，占地約900m2，初裝藥劑填充1600t，投資約6325萬(含兩年運維、藥劑費)。經檢測，煙氣中的SO₂初始濃度約100～200mg/m3，煙溫約為80～150℃，在線數據顯示，煙囪SO₂排放濃度皆低于5mg/m3，運行較為穩定。

經了解，隨著時間的推移，藥劑有風蝕、風化等現象，粒料會粉化一部分，系統阻力會上升，原則上要更換藥劑。為節約成本，現場對藥劑進行篩分，將粉料篩除后回裝。

固定床位置設在熟料線窯尾附近(見圖1)，接口位置為風機和煙囪之間，5000t/d熟料線窯尾風量約50～55萬Nm3/h，初步核定建設一套固定床占地約為250m2，兩層一塔設計，初步預測投資約2000萬元(不含藥劑和運維費用)。根據熟料線窯尾氧含量6％，初始SO₂濃度300mg/Nm3(10％O₂)，目標濃度20mg/Nm3(10％O₂)，窯年運行330d，原料磨運轉率80％(磨開SO₂達標)計算，預計年SO₂消耗藥劑約1164t，年運行費用約為303萬元，按照5000t/d熟料線年產能190萬t，則折算噸熟料藥劑成本約為1.6元/t，相關指標預測見表1。

表1 固定床脫硫與水泥窯現有脫硫工藝對比

從表1可以看出，固定床脫硫技術相對于濕法脫硫和干粉脫硫雖然有一定的不足，但優勢也較為明顯，適合在水泥工業上應用，優勢與不足具體分析如下。

4.1 優勢

(1)系統阻力小。由于過濾風速約為0.2m/s，整個系統阻力在實際運行過程中低于500Pa，系統阻力和電耗增加較小。

(2)運維較簡單。該工藝運行較為穩定，日常運行過程中通過監控系統阻力和SO₂排放濃度來確定是否進行藥劑更換或篩分，其余時間幾乎沒有什么運維工作。

(3)脫硫產物處理簡單。脫硫主要產物為固態的CaSO₄等，可以作為水泥和熟料生產的原料，也可以作為高硫生產線的脫硫藥劑而進一步資源化利用。

(4)過程無其他污染物。不產生脫硫廢水、窯尾煙羽等次生污染，同時還能吸附重金屬、氟化物等污染物。

(5)建設周期短。固定床主要由鋼構架組成，箱體等部件皆模塊化設計，整個建設周期約為45d。

(6)可在線運維。通過控制各倉室的閥門等，可以在線進行換藥作業。

(7)運行成本適中。經初步測算，一條5000悄熟料線的窯尾SO₂從300mg/m3降至20mg/m3以下，噸熟料綜合成本約為1.6元，成本優于干粉脫硫。

4.2 不足

(1)占地面積大。根據現場調研和預計，處理76萬m3/h工況風量(約50～55萬Nm3/h)占地約900m2，即使兩層設計也需要450m2。

(2)投資成本高。根據對唐鋼的調研，處理76萬m3/h工況風量(標況約50～55萬Nm3/h)，脫硫設施投資約6325萬元。

根據鋼鐵行業的應用成效及水泥行業的SO₂排放特性，結合目前水泥行業的脫硫工藝、運行成本及存在的問題，固定流化床的脫硫工藝雖有不足，但優勢也較為明顯，適合在水泥行業進行應用。另外，后期隨著水泥行業規模化應用，脫硫成本將會降低40％。

作者：吳鐵軍，范警衛，章嗣福，馬明，李志強

來源：《安徽海螺水泥股份有限公司》

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