技术丨加拿大VC水泥生产线脱硫工艺介绍
1 生产情况简介
2017年11月，我公司承接了加拿大VC水泥生产线高效烟气脱硫工程，负责设计、供货，以及后期的安装指导、运行调试工作。加拿大VC水泥厂为6 500 t/d生产线，位于加拿大多伦多市。该生产线所用石灰石中的含硫量较高，造成了窑尾排放烟气中的SO2含量远远超过了允许值。2016年1月至9月份第三方环保检测机构的实测数据统计显示，生料磨关闭时SO2排放浓度（烟囱出口）均值为1 405 mg/Nm3，生料磨运行时SO2排放浓度均值也达到了1 084 mg/Nm3，脱硫改造势在必行。表1为2016年生产线烟气参数，年排放均值高达1 117 mg/Nm3。
多伦多市当地采用的是总量控制政策，政府环保部门对于该水泥生产线所确认的现有工程总量控制指标为：SO2在1 200 t/a范围内，具体折算到窑尾废气的SO2单位排放浓度为均值不高于125 mg/Nm3，因此脱硫改造势在必行。
2 脱硫工艺方案
2.1 脱硫工艺的选择
目前国内外脱硫方案很多，本期工程脱硫方案的确定遵循以下原则：
（1）烟气脱硫工程建设应符合水泥行业的方针和政策，贯彻安全、可靠、经济、适用，并符合国情。
（2）烟气脱硫工艺应是技术成熟、先进、经济合理、有工业化业绩的工艺系统。
（3）为控制工程造价，应尽量考虑设备的国产化，对国内无法生产或达不到技术要求的设备和材料才考虑进口。
（4）应考虑烟气容量和温度变化的要求。
（5）应考虑燃煤硫份、石灰石原矿硫份、二氧化硫控制规划、环评要求的脱硫效率。
（6）该地区如缺水，工艺设计突出考虑节约用水，优先利用循环水系统的循环水。
（7）该项目为老厂改造项目，尽量降低对原有设施的拆迁及改造工程量。
（8）应考虑脱硫剂供应条件、脱硫副产品的综合利用。
综合以上因素考量，本项目采用石灰-石膏湿法脱硫工艺，也是目前技术最成熟、应用最广泛、运行最可靠的工艺。
2.2 脱硫工艺简介
图1为加拿大VC水泥生产线脱硫工程烟气示意图。
窑尾袋除尘器及旁路除尘器处理后的烟气经过增压风机增压后进入脱硫塔系统，经吸收剂洗涤脱硫后的清洁烟气，通过两级除雾器除去雾滴后成为净烟气。由吸收塔上侧引出，经净烟气烟道至原尾排烟囱（防腐改造）排放。
为节约运行成本，脱硫剂使用窑尾收尘和C5筒收下来的窑灰。其主要成分为石灰，石灰粉经消化处理后加水搅拌制成吸收剂浆。在吸收塔内，吸收剂浆液与烟气接触混合，烟气中的SO2与浆液中的氢氧化钙以及鼓入的氧化空气进行化学反应，最终反应产物为石膏。脱硫后的烟气经除雾器除去带出的细小液滴，经出口烟道排入烟囱。脱硫石膏浆经脱水装置脱水后回收。由于吸收剂浆的循环利用，脱硫吸收剂的利用率很高。
该工艺适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫，脱硫效率可达到95%以上。
石灰-石膏湿法脱硫工艺脱硫过程的主要化学反应为：
中和反应：2CaO+H2O+2SO2＝2CaSO3·1/2H2O
氧化反应：2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O＝2CaSO4·2H2O
脱硫石膏可作为水泥缓凝剂自行消化，大大降低了脱硫系统运行成本。
2.3 脱硫系统布置
脱硫系统的布置见图2。此次布置将脱硫塔放在了尾排烟囱附近，节约空间且降低了整体运行阻力，布局合理美观。
3 系统物料平衡及水平衡
脱硫工艺参数及物料平衡计算见表2。
由表2可知，脱硫系统每小时的耗水量为烟气带走的水量、脱硫石膏结合水、脱硫石膏游离水这三部分的总和，总计57.15 t（不含外排废水量）。考虑到一般脱硫废水处理量为系统耗水量的10%左右，则脱硫系统水平衡量为63 t/h。
4 脱硫废水处理
该脱硫系统中的Cl-主要来源于两个部分，工艺水和脱硫剂。首先是工艺水，该工艺水来自于安大略湖的湖水，水中的Cl-浓度极高，达到了2 110 mg/L（见表3），而正常的脱硫工艺水Cl-浓度一般不超过100 mg/L（马来西亚脱硫工艺水Cl-浓度24 mg/L），因此这种水质严重加快了脱硫系统的Cl-含量增速。还有就是脱硫剂里的Cl-，按照窑灰为C5灰和窑尾收尘灰各50%计算脱硫剂里的Cl-含量为0.175%（见表3）。由于脱硫废水系统内部循环使用，如果不外排的话，Cl-一直保持在溶液中，不断地积累，很快就会达到20 000 ppm的限值。高氯离子浓度对脱硫系统的影响主要在以下几个方面：
1）对CaSO3·1/2H2O的氧化效果的影响
盐水溶液通常会产生泡沫，浆液中的泡沫存在影响氧气在浆液中的流动混合，进而影响到氧气的溶解和与CaSO3·1/2H2O的氧化反应。另外脱硫反应吸收SO2，溶液会呈弱酸性，Cl-浓度越高对H+的束缚性越大，使得CaSO3·1/2H2O的氧化环境偏离最佳值。
2）对脱硫石膏的影响
对于高Cl-浓度而言，硫酸盐的饱和浓度很低。随着亚硫酸盐生成之前SO2的脱除，浆液中相对过饱和石膏急剧增加，这对石膏晶体的析出速度产生影响。特别要强调的是，在这种情况下沉淀和结垢的危险性极大地增加。实际过程中也是如此，每次停运时都会从塔底部清理出大量的沉淀物。
3）对脱硫设备的腐蚀影响
设计吸收塔内金属件时把吸收塔内浆液允许的氯离子浓度作为一个重要的设计依据，允许氯离子浓度越高，使用的材料就越好，同时造价就越贵。不同型号的不锈钢材质对于氯离子浓度的适应范围：T304不锈钢要求氯离子浓度＜200 mg/L，T316不锈钢要求氯离子浓度＜1 000 mg/L，T317不锈钢要求氯离子浓度＜5 000 mg/L。因此应严格控制合金材料接触介质的氯离子含量，行业中普遍认可的数值为20 g/L。
由表3可知，当脱硫废水处理量为6 100 kg/h时，系统浆液的氯离子含量将控制在20 000 ppm以下。废水处理除了保证氯离子含量以外，也是去除重金属和保证废水pH值的重要手段，对于脱硫系统的稳定运行意义重大。
电力行业的脱硫一般会配备独立的废水处理系统。脱硫系统排放一定量的废水，进入废水处理系统，经中和、絮凝和沉淀等处理过程，达标后排入电厂除灰系统。加拿大VC水泥厂没有废水处理系统，为此单独上一套处理系统又很不经济。前期讨论时业主提出可以将此部分废水排到他们已有的废水罐中，由他们自行处理，后期在了解到废水水质及水量后发现可行性不高。经与业主多次技术沟通并进行了实地考察后，最合理的方案是将此部分废水作为篦冷机喷水内部消化掉。设计上在滤液水箱底部新增了一台10 m3/h的外排废水泵（见图4），并增加设计了从滤液水箱至篦冷机的管路，业主为此单独增补了合同。
5 结束语
加拿大VC水泥生产线高效烟气脱硫工程是我公司承接的第一条发达国家水泥线脱硫项目，也将成为国外水泥生产线石灰-石膏湿法脱硫的示范性项目。该项目目前已完成设计及供货任务，计划明年投入运行。将会给业主带来巨大的社会和环境效益，为实现国产脱硫技术及脱硫设备走向世界打下坚实的基础。该工程的脱硫废水内部消化方案也为水泥线的废水处理开辟了一条新途径。
作者单位：中材装备集团有限公司
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