回轉(zhuǎn)窯熱生料脫硫技術(shù)的應(yīng)用

摘要：本文介紹了S02形成機(jī)理，熱生料脫硫技術(shù)使用的方法及

效益分析。通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)了水泥窯熱生料脫硫技術(shù)可行性，可以

證明有效降低S02排放（實(shí)現(xiàn)低于50mg/Nm3的排放控制），而

且投資低、運(yùn)行成本可以忽略不計(jì)低。對(duì)窯系統(tǒng)影響不大，但是

對(duì)于高溫風(fēng)機(jī)葉輪的磨損嚴(yán)重。

前言：

二氧化硫（化學(xué)式：SO2）又稱(chēng)亞硫酸酊，是最常見(jiàn)的硫氧化

物，常溫下為無(wú)色有刺激性氣味的有毒氣體，是大氣主要的污染

物之一。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生二氧化硫，煤和石油通常都含有硫

化物，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化硫。二氧化疏溶于水中會(huì)形成亞硫酸

（酸雨的主要成分），酸雨給地球生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)都帶

來(lái)嚴(yán)重的影響和破壞。有研究表明酸雨對(duì)土壤、水體、森林、建

筑等人文景觀(guān)均帶來(lái)嚴(yán)重危害，不僅是經(jīng)濟(jì)損失，更是危及人類(lèi)

生存和發(fā)展。

懸浮預(yù)熱窯外分解窯水泥熟料線(xiàn)，大部分生產(chǎn)線(xiàn)由于燃料中

含有硫的氧化物，當(dāng)然水泥生產(chǎn)的原材料中也會(huì)帶入部分硫的氧

化物，在南方有的地區(qū)石灰石中也會(huì)帶入部分的三氧化硫。熟料

形成由于是在高溫氧化條件下煨燒，原材料中的硫會(huì)生成大量的

S02,并隨著窯尾煙囪排入大氣，對(duì)大氣造成污染。

根據(jù)國(guó)家2013年12月發(fā)布的《水泥工業(yè)大氣污染物排放

標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915-2013）規(guī)定：自2015年7月1日開(kāi)始，熟料生

產(chǎn)線(xiàn)SO2排放濃度不得高于200mg/Nm3,重點(diǎn)地區(qū)不得高于

100mg/Nm3o其實(shí)空氣污染嚴(yán)重的地區(qū)（如京津冀地區(qū)）現(xiàn)階段已

經(jīng)控制在30mg/Nm3o對(duì)于水泥企業(yè)來(lái)講毫無(wú)疑問(wèn)嚴(yán)格控制S02的

排放濃度，既是對(duì)社會(huì)也是對(duì)人類(lèi)的貢獻(xiàn)，又是企業(yè)自身生存和

發(fā)展的必要過(guò)程。

一、水泥廠(chǎng)硫化物的現(xiàn)狀

硫化物毫無(wú)疑問(wèn)來(lái)源于原燃材料，以固體形式存在。在高溫

氧化條件下生成新的硫化物（二氧化硫），以氣體形式排入大氣,

造成大氣污染。

在南方某些地區(qū)石灰質(zhì)材料中含有較高的S03,因此會(huì)形成

S02,大部分企業(yè)往往以濕法脫硫模式進(jìn)行脫硫，雖然一次性投資

成本高、運(yùn)行費(fèi)用較高，但是技術(shù)成熟、運(yùn)行安全可靠，脫硫效

率較高。當(dāng)然它同樣適應(yīng)于輔料中帶入的大量的硫化物生產(chǎn)線(xiàn)。

對(duì)于大部分地區(qū)的水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)講，原材料帶入的硫并

不很高，只要是控制好燃料中的硫，就能使其窯尾排放的廢氣達(dá)

標(biāo)，所以很少企業(yè)實(shí)施脫硫。但是隨著國(guó)家環(huán)保政策的力度加大,

原先的邊緣排放已經(jīng)很危險(xiǎn)，現(xiàn)在開(kāi)始考慮回轉(zhuǎn)窯熟料線(xiàn)的脫硫

技術(shù)。特別是隨著煤價(jià)的提高，替代燃料成為水泥企業(yè)生存和發(fā)

展的可選項(xiàng)。替代原料的不足之處是往往會(huì)帶入有害成分，如硫、

氯、堿等。同時(shí)劣質(zhì)煤甚至煤阡石也成了替代優(yōu)質(zhì)煤考慮的重點(diǎn)。

而劣質(zhì)煤和煤阡石最大的弊病就是含硫高，煤質(zhì)發(fā)熱量越低往往

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性投資太大，使用脫硫劑運(yùn)行成本太高，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際情況來(lái)

看，熱生料比較合適，所以我公司決定使用熱生料脫硫法。

三、二氧化硫形成的機(jī)理與熱生料脫硫技改方案及實(shí)施

（一）水泥窯二氧化硫形成機(jī)理

前邊說(shuō)過(guò)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中的硫是由原料和燃料帶入的，原料中

的硫首先進(jìn)入預(yù)熱器，但是在預(yù)熱器中由于溫度低一般不會(huì)生產(chǎn)

二氧化硫，而是隨著物料進(jìn)入窯內(nèi)在高溫下進(jìn)行分解，一部分以

硫酸鈣、硫酸鉀（鈉）的形式包裹于熟料中，與熟料一起進(jìn)入篦

冷機(jī)，排出窯系統(tǒng)。一部分硫在高溫下生成二氧化硫，變?yōu)闅怏w,

隨著窯內(nèi)的廢氣一起又回到預(yù)熱器內(nèi)，部分二氧化硫在合適的溫

度下變成固態(tài)又回到窯內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。

另一部分二氧化硫以氣體狀態(tài)排出生產(chǎn)線(xiàn)。此時(shí)窯頭煤粉燃

燒形成的二氧化硫與窯尾燃燒器燃燒形成的二氧化硫一起，在預(yù)

熱器與窯內(nèi)進(jìn)行循環(huán)分解與化合反應(yīng)。有些人認(rèn)為這部分二氧化

硫進(jìn)入分解爐后，由于窯尾及分解爐內(nèi)有大量的氧化鈣，會(huì)與二

氧化硫一起反應(yīng)生產(chǎn)硫酸鈣。

事實(shí)上不是的，不管是原料中的硫高或者是煤中的硫，都會(huì)

體現(xiàn)到廢氣中。假如原材料和燃料中的硫不高，廢氣中的硫也不

高，但是換成高硫煤后就會(huì)發(fā)現(xiàn)窯尾廢氣的硫會(huì)超標(biāo)。同樣原材

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料中的硫高，再低的燃煤硫廢氣中的二氧化硫也會(huì)超標(biāo)，這就是

事實(shí)。這可能是與分解溫度有關(guān)。當(dāng)然在分解爐內(nèi)也可能有部分

二氧化硫與分解爐內(nèi)的氧化鈣生產(chǎn)硫酸鈣后又回到窯內(nèi)，最后排

出窯頭。但是窯內(nèi)來(lái)的二氧化硫和分解爐內(nèi)煤粉燃燒生產(chǎn)的二氧

化硫一起進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)后會(huì)有部分二氧化硫與氧化鈣一起生成

硫酸鈣，但還是有大量的二氧化硫與廢氣一起排出窯系統(tǒng)，造成

環(huán)境污染。

（二）技改方案

水泥窯熱生料脫硫?qū)嶋H上就是考慮CaO與S02具有較高的反

應(yīng)速率，因此通過(guò)從分解爐內(nèi)適當(dāng)位置安裝脫硫管道至S02高效

反應(yīng)位置，通過(guò)管道抽取含CaO的熱生料作為脫硫劑，利用高活

性氧化鈣在預(yù)熱器內(nèi)進(jìn)行干法脫硫。氧化鈣和二氧化硫反應(yīng)生產(chǎn)

硫酸鈣后包裹于熟料中排出窯系統(tǒng)。

我廠(chǎng)采取的措施是由三根脫硫管道實(shí)施的方案，其中兩根脫

硫管是由分解爐引入二級(jí)旋風(fēng)筒的旋風(fēng)筒內(nèi)（每個(gè)二級(jí)筒各一

根）；另有一根由分解爐引入一級(jí)筒匯集后進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)的廢氣

管道。引入二級(jí)旋風(fēng)筒的氧化鈣會(huì)被二級(jí)旋風(fēng)筒收下在五級(jí)至二

級(jí)旋風(fēng)筒進(jìn)行分解反應(yīng)。而另一個(gè)引入預(yù)熱器系統(tǒng)外氧化鈣是在

余熱鍋爐、高溫風(fēng)機(jī)甚至是在生料磨系統(tǒng)、窯尾收塵器內(nèi)與氧化

鈣反應(yīng)，最后進(jìn)入生料庫(kù)，通過(guò)入庫(kù)提升機(jī)重新進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)

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內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。該方案具有施工周期短、效果顯著、無(wú)動(dòng)力設(shè)備等

優(yōu)點(diǎn)。所以我廠(chǎng)選擇了該方案。

（三）生產(chǎn)過(guò)程的操作與實(shí)踐

脫硫管安裝完成在投料后為確保二氧化硫不超標(biāo)，煤肝石暫

時(shí)不摻入，首先投入脫硫管，在確保廢氣二氧化硫排放值很低的

情況下，開(kāi)始逐步增加煤阡石摻量。摻加煤肝石后注意觀(guān)察二氧

化硫的排放值，根據(jù)二氧化硫排放值調(diào)節(jié)煤肝石的摻加量和脫硫

管道閥門(mén)。

投入使用后觀(guān)察發(fā)現(xiàn)進(jìn)入二級(jí)旋風(fēng)筒的脫硫管效果不明顯，

當(dāng)煤肝石加大到74的時(shí)候，需要預(yù)熱器系統(tǒng)外的脫硫管道開(kāi)度達(dá)

到60%以上。此時(shí)的二級(jí)筒脫硫管開(kāi)度大小已經(jīng)是沒(méi)有效果。標(biāo)

準(zhǔn)煤耗可以降低至102kg/t熟料左右，一級(jí)筒的溫度可升高10

度以上，發(fā)電負(fù)荷可以帶到8000KW/時(shí)。二氧化硫排放值完全控

制在30mg/Nm3以下，并且能夠穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)煤肝石摻加量7%,

運(yùn)行到一個(gè)月的時(shí)候發(fā)現(xiàn)高溫風(fēng)機(jī)的振動(dòng)值開(kāi)始升高。待停窯期

間檢查高溫風(fēng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)高溫風(fēng)機(jī)的葉片磨損大。補(bǔ)焊后做動(dòng)平衡

重新投入生產(chǎn)，在半個(gè)月后發(fā)現(xiàn)高溫風(fēng)機(jī)振動(dòng)值上升比較快，開(kāi)

始考慮與熱生料脫硫的關(guān)系，逐步降低煤肝石摻加量，當(dāng)脫硫管

關(guān)閉后，高溫風(fēng)機(jī)的振動(dòng)值開(kāi)始平穩(wěn)不再升高。此時(shí)判斷高溫風(fēng)

機(jī)振動(dòng)值與熱生料脫硫有直接關(guān)系。

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當(dāng)再次停窯時(shí)檢查風(fēng)機(jī)葉片磨損更加嚴(yán)重，又重新補(bǔ)焊做動(dòng)平衡,

再投入生產(chǎn)后煤肝石不得停用。在一次偶然的機(jī)會(huì)找到一家做高

溫耐磨風(fēng)機(jī)葉輪的廠(chǎng)家，通過(guò)改造后重新用上煤肝石，但是結(jié)果

一樣，仍然是磨損嚴(yán)重，甚至是吸入口、殼體都嚴(yán)重磨損。

四、熱生料脫硫的優(yōu)缺點(diǎn)

（一）熱生料脫硫的優(yōu)點(diǎn)

1.運(yùn)行成本低

該方案是利用水泥生產(chǎn)過(guò)程中自身產(chǎn)生的氧化鈣做脫硫劑，不需

要額外添加費(fèi)用。相比于脫硫劑的使用運(yùn)行費(fèi)用大大降低。

2.投資成本低投資回報(bào)率高

相比濕法脫硫投資可以忽略不計(jì)，年投資回報(bào)率高達(dá)近10倍。并

且工藝布置簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高。

3.對(duì)窯系統(tǒng)影響不大

通過(guò)窯系統(tǒng)與脫硫系統(tǒng)優(yōu)化，在保證脫硫效果達(dá)標(biāo)的情況下，該

技術(shù)所用熱生料量不大，對(duì)窯系統(tǒng)質(zhì)量、產(chǎn)量無(wú)明顯影響。雖然

是理論上能夠增加熱耗，但是由于發(fā)電和煤阡石的利用，回報(bào)率

遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)熱耗的影響。

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（二）熱生料脫硫的副作用

1.對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的影響

由于使用熱生料脫硫，該工藝對(duì)高溫風(fēng)機(jī)影響很大。最關(guān)鍵的是

風(fēng)機(jī)葉輪及其殼體甚至是某些小件的磨損也很大。風(fēng)機(jī)葉輪磨損

后會(huì)引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)，直接影響高溫風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。配件磨損會(huì)

造成高溫風(fēng)機(jī)功率下降（轉(zhuǎn)速高但是風(fēng)量?。?；殼體磨損造成粉

塵外揚(yáng)，嚴(yán)重影響環(huán)境衛(wèi)生的同時(shí)外部環(huán)保檢查也會(huì)嚴(yán)查?？傊?

熱生料脫硫最大的問(wèn)題是影響了高溫風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

2.二級(jí)旋風(fēng)筒的脫硫效果不好

本次技術(shù)改造設(shè)計(jì)是由三根脫硫管構(gòu)成，兩根脫硫管進(jìn)入二級(jí)旋

風(fēng)筒進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。一根進(jìn)入一級(jí)筒后的主管道，進(jìn)行外循環(huán)。

最終從使用效果看進(jìn)入二級(jí)筒內(nèi)循環(huán)的管道沒(méi)有效果，而進(jìn)入一

級(jí)筒出口后管道外循環(huán)的脫硫管效果明顯，也是此次成功的保證。

3.對(duì)熱耗的影響

應(yīng)該說(shuō)從實(shí)際的情況來(lái)看，脫硫管造成的熱耗損失還是很大的。

單單從分解爐抽取的高溫廢氣就在900°C以上，外加幾十噸的回

灰增加量，也是不小的熱損失。當(dāng)然了如果從收獲的效益來(lái)講，

這點(diǎn)損失又不算什么。

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（三）綜合效益

熱生料脫硫只從反應(yīng)過(guò)程和工藝上講是成功的。如果是按照5%的

煤肝石摻加量，當(dāng)發(fā)熱量大于400kcal/kg時(shí)，每噸熟料的標(biāo)準(zhǔn)煤

耗可降低5kg/t熟料標(biāo)煤耗。5000t/d的生產(chǎn)線(xiàn)，年節(jié)約700萬(wàn)

元以上（包含發(fā)電量）是沒(méi)問(wèn)題。并且投資少、工藝簡(jiǎn)單、便于

操作，能夠達(dá)到環(huán)保嚴(yán)格要求一一二氧化硫排放值30mg/Nm3以

下。

五、熱生料脫硫今后的改進(jìn)構(gòu)思

毫無(wú)疑問(wèn)，此次技改的效果是明顯的，但是問(wèn)題也很多，在這里

不再談?wù)搩?yōu)點(diǎn)只談不足處的原因和改進(jìn)方法。

1.高溫風(fēng)機(jī)磨損原因及解決的方法

（一）造成的原因

增加脫硫管的主要目的就是把分解爐分解后的部分生料重新回收

于預(yù)熱器系統(tǒng)，使其分解后的氧化鈣與煙氣中的二氧化硫反應(yīng)生

成硫酸鈣。此次改造最大的副作用是高溫風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行受到了

影響，即加快了高溫風(fēng)機(jī)的磨損周期。高溫風(fēng)機(jī)磨損的原因個(gè)人

認(rèn)為有以下幾項(xiàng)因素：

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（1）廢氣中物料的硬度變大。分解爐抽回的熱風(fēng)攜帶的物料是碳

酸鹽分解后的物料，相比生料的硬度要高得多，對(duì)鋼材的磨損就

大。

（2）廢氣中的物料濃度變大。熱生料脫疏的目的就是為了回收部

分碳酸鹽分解后的氧化鈣，勢(shì)必就會(huì)造成廢氣中的物料濃度加大,

固氣比變大。而高溫風(fēng)機(jī)的磨損主要還是因?yàn)閺U氣中帶有的物料

量決定的。

（3）廢氣溫度上升。分解爐抽出的900。C左右的溫度，摻入一

級(jí)筒出口后一級(jí)廢氣溫度會(huì)大幅度增高。同時(shí)由于煤肝石的用量

也能提高一級(jí)筒溫度。在共同的作用下，進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)的廢氣溫

度會(huì)大幅上升。高溫風(fēng)機(jī)的葉片及鋼材都會(huì)受到溫度的影響，耐

磨性下降。

（二）改機(jī)措施

（1）避免過(guò)多的回灰進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)。最好的辦法就是在余熱鍋爐

上做文章，在鍋爐下口就把大部分的物料回收，使其直接進(jìn)入生

料庫(kù)，不經(jīng)高溫風(fēng)機(jī)去生料磨，但是要考慮氧化鈣和二氧化硫生

成硫酸鈣的位置。

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（2）改進(jìn)入二級(jí)旋風(fēng)筒的脫硫管，使其氧化鈣在預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)部

循環(huán)，不進(jìn)行外部循環(huán)。但是同樣要確定氧化鈣和二氧化硫發(fā)生

反應(yīng)的溫度。

（3）整體改進(jìn)高溫風(fēng)機(jī)材質(zhì)，提高耐高溫的溫度和提高風(fēng)機(jī)的耐

磨性。

2.二級(jí)旋風(fēng)筒安裝脫硫管的效果及改進(jìn)

（一）造成的原因

個(gè)人認(rèn)為二級(jí)旋風(fēng)筒安裝脫硫管效果不明顯的原因如下：

（1）負(fù)壓差小，抽出的灰量小。從分解爐出口入二級(jí)旋風(fēng)筒，相

互之間的短路壓差來(lái)講遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高溫風(fēng)機(jī)入口和分解爐出口的壓

差。風(fēng)量小，灰回來(lái)的少。

（2）有可能是回灰在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)時(shí)間短，氧化鈣和二氧化硫反

應(yīng)的不完全。

（3）有可能是系統(tǒng)內(nèi)的溫度高對(duì)氧化鈣和二氧化硫的反應(yīng)有影

響。

（二）改進(jìn)的措施

有條件的情況下，對(duì)進(jìn)入二級(jí)筒的脫硫管改造，要加大脫硫管的

直徑，讓更多的灰進(jìn)入二級(jí)筒，或者是把該脫硫管的出口放在二

級(jí)筒上升管道上，讓其也在一級(jí)筒內(nèi)循環(huán)?？傊ㄟ^(guò)改進(jìn)能夠使

預(yù)熱器內(nèi)循環(huán)的脫硫管起到作用后，可以停止外循環(huán)管的使用，

這樣就可以解決了高溫風(fēng)機(jī)磨損的問(wèn)題。同時(shí)還避免了外循環(huán)造

成的熱量損失。所以