王曉龍

（西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院粉體工程研究所，山東 青島 710055）

0 引言

水泥是工程建設(shè)中的基礎(chǔ)材料，與工程建設(shè)質(zhì)量和安全息息相關(guān)。隨著我國(guó)水泥工業(yè)不斷發(fā)展，其在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)地位也在不斷提高，由于城鎮(zhèn)化促使城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快，新建房屋數(shù)量增多促進(jìn)了水泥工業(yè)發(fā)展進(jìn)程。水泥生產(chǎn)作為典型的傳統(tǒng)類(lèi)型產(chǎn)業(yè)，在實(shí)際生產(chǎn)中存在資源損耗高、能源損耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。近些年，我國(guó)大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，推動(dòng)綠色工業(yè)發(fā)展，因此水泥產(chǎn)業(yè)必須遵循節(jié)能減排原則、走可持續(xù)發(fā)展道路，向新型工業(yè)領(lǐng)域推進(jìn)，減少資源浪費(fèi)、提升生態(tài)環(huán)境效益。

1 工程概況

某水泥生產(chǎn)企業(yè)熟料生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)模為5000t/d，原料系統(tǒng)采用石灰石、砂巖及粉煤灰三組分配料。窯尾設(shè)有生料磨和SP 余熱發(fā)電鍋爐系統(tǒng)；窯頭設(shè)有煤磨和AQC 余熱發(fā)電鍋爐系統(tǒng)，煙氣經(jīng)脫硫脫硝后排放。窯尾預(yù)熱器出口廢氣溫度為330℃，窯頭出口溫度為350℃；窯尾SP 余熱發(fā)電鍋爐出口廢氣溫度約210℃，窯頭AQC 余熱發(fā)電鍋爐出口廢氣溫度約105℃，出篦冷機(jī)熟料溫度約為85℃。窯尾預(yù)熱器出口煙氣攜熱量約為138GJ/h，窯頭煙氣熱量約為53GJ/h，煤磨用熱約21GJ/h，生料磨用熱約99GJ/h。系統(tǒng)廢氣中二氧化硫含量約為600mg/Nm3，生料消耗量約為1.63kg/kgcl。

由以上運(yùn)行參數(shù)可知，系統(tǒng)料耗較高，原料系統(tǒng)可進(jìn)行優(yōu)化。鍋爐出口廢氣溫度過(guò)高，熱量損耗較大，窯尾SP 鍋爐煙氣出口溫度210℃，經(jīng)生料磨降溫至185℃；窯頭AQC 鍋爐煙氣出口溫度為105℃，還有進(jìn)一步回收利用的空間。本系統(tǒng)煙氣不達(dá)標(biāo)，應(yīng)增設(shè)脫硫裝備。

2 節(jié)能的關(guān)鍵

本水泥廠(chǎng)的節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)在于提高系統(tǒng)效率、降低系統(tǒng)熱耗；減排的關(guān)鍵點(diǎn)優(yōu)化生產(chǎn)工藝及設(shè)備，增加脫硫脫硝設(shè)備。具體減排工藝方案流程如圖1 所示。從

圖1 節(jié)能減排工藝方案流程圖

2.1 具體節(jié)能措施

（1）針對(duì)生料料耗較高，石灰石消耗較大，在原料工序上，對(duì)配料進(jìn)行調(diào)整，添加工業(yè)廢棄爐渣，減少原料損耗量，降低能源、資源浪費(fèi)。

（2）熟料煅燒工序，對(duì)篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)，窯頭、窯尾風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，降低煅燒工藝能耗量；采用富氧燃燒技術(shù)，提高燃燒效率，降低燃煤損耗量。

（3）針對(duì)余熱鍋爐出口煙氣溫度過(guò)高，為了更進(jìn)一步利用廢氣中熱能，在鍋爐尾部設(shè)置熱水加熱裝置，產(chǎn)生熱水用于廠(chǎng)區(qū)供暖。

（4）對(duì)窯頭電收塵器改造為袋收塵器，降低原料損失量，減少排放含塵量。

（5）根據(jù)余熱鍋爐的清灰特點(diǎn)，嚴(yán)格控制用風(fēng)量，使煙氣在進(jìn)入鍋爐后熱面之前煙氣中較大顆粒的粉塵自然沉降下來(lái)。

（6）借助循環(huán)水利用技術(shù)、污水處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水零排放，降低新鮮水消耗量。

3 減排技術(shù)設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)思路

由于該生產(chǎn)法在投入過(guò)程中，一些原料內(nèi)會(huì)產(chǎn)生硫化物，最典型的是黃白鐵礦投入，而且部分原料本身就含有單硫化物。因此，水泥在生產(chǎn)時(shí)，溫度在不斷提升，當(dāng)達(dá)到一定溫度后則會(huì)將硫化物以氣體的形式釋放。例如，當(dāng)溫度=600℃這個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)，受氧化及高溫的作用影響，二氧化硫氣大量產(chǎn)生。如果原料中含有較高的揮發(fā)性硫，那在預(yù)熱階段就會(huì)從預(yù)熱器中逃離，此時(shí)因?yàn)榛钚匝趸}反應(yīng)不足，或在生料磨料環(huán)節(jié)無(wú)法將含硫氣體排除，就會(huì)產(chǎn)生二氧化硫排放[1-2]。

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)流程分析可知，在生產(chǎn)中所產(chǎn)生的二氧化硫可通過(guò)分解爐中新產(chǎn)生的氧化鈣吸收，這是由于氧化鈣活性高，可有效吸收氣體的二氧化硫。因此，從這里可以看出，這一方法本身就可以進(jìn)行脫硫。將生產(chǎn)廢氣用于原材料烘干，在原料磨料中還會(huì)進(jìn)一步吸收廢氣中的二氧化硫。但需要注意的是，如果生產(chǎn)環(huán)境溫度＜600℃的時(shí)候，吸收二氧化硫性能氧化鈣＞碳酸鈣。且兩級(jí)預(yù)熱器碳酸鈣的分解率極低，氧化鈣數(shù)量在高溫帶含量少，煙氣停留在排放前的時(shí)間相當(dāng)少，因此二氧化硫吸收率大打折扣。這就是為什么出現(xiàn)了高耗能以及高污染的重要原因之一。

3.2 節(jié)能減排技術(shù)流程分析

3.2.1 石灰石的漿液制備過(guò)程

在該制備過(guò)程中，所要選擇合適粒徑的石灰石粉進(jìn)行，通常情況下，φ＜45μm 最合適。把這些選擇出現(xiàn)的石灰石粉加入到粉倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)葉輪給料機(jī)作用，把原料分批投入漿液內(nèi)，制作成石灰石漿液（30%），并通過(guò)泵送方式將石灰石水輸送到循環(huán)泵口處[3]。

3.2.2 煙氣系統(tǒng)

窯尾煙氣進(jìn)入至吸收塔內(nèi)之前要通過(guò)脫硫擋板，之后與噴淋漿液、煙氣逆流相接觸后發(fā)生吸收性的化學(xué)類(lèi)反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程煙氣的溫度會(huì)不斷在噴淋的作用下下降，經(jīng)過(guò)脫硫之后排放到大氣中。同時(shí)為了更好發(fā)揮脫硫系統(tǒng)的作用，同時(shí)在煙氣系統(tǒng)中增設(shè)多個(gè)擋板，擋板的作用自然不言而喻，是為了可以有效對(duì)旁路進(jìn)行遮擋，并對(duì)煙氣起到一定的脫硫作用。旁路擋板在脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)處是關(guān)閉的，另?yè)醢彘_(kāi)啟，可以幫助煙氣更好進(jìn)入吸收塔，并開(kāi)啟噴淋反應(yīng)[4]。一旦運(yùn)行中出現(xiàn)異常情況，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)旁路擋板，自動(dòng)關(guān)閉脫硫煙氣擋板。

3.2.3 吸收與氧化系統(tǒng)

在節(jié)能減排系統(tǒng)中，吸收氧化系統(tǒng)是核心結(jié)構(gòu)，直接決定了“石灰石-石膏”脫硫工藝的使用效能。該系統(tǒng)包括吸收塔、噴淋及漿液循環(huán)泵系統(tǒng)。吸收塔的底部可在存儲(chǔ)大量的石灰石漿液，通過(guò)循環(huán)泵把這些漿液傳輸至上部，行噴淋作用。此時(shí)，氣和漿液產(chǎn)生了一系列的化學(xué)反應(yīng)可有效吸收二氧化硫。此時(shí)，通過(guò)反應(yīng)后產(chǎn)生的碳酸鈣則會(huì)都匯集于塔底，并能過(guò)塔底進(jìn)入循環(huán)漿液池內(nèi)的。石膏漿液的生成是在氧化風(fēng)機(jī)作用下完成，并通過(guò)排放泵排出，進(jìn)行副產(chǎn)品處理系統(tǒng)行后續(xù)工作。

脫硫后，煙氣中的含水量較高，采用除霧器將煙氣水分去除。為了保證除霧效果，除霧器呈三角結(jié)構(gòu)放置，均勻設(shè)置于吸收塔頂端。使用工藝水對(duì)除霧器進(jìn)行沖洗，該過(guò)程由自動(dòng)程度自主完成。采用鋼制設(shè)計(jì)吸收塔的塔體，內(nèi)部涂上防腐作用的材料，并進(jìn)行鍍膜處理，噴淋系統(tǒng)（噴嘴+母管+支管）共三層，該采用了三臺(tái)智能漿液循環(huán)泵設(shè)備，可借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制，也就是根據(jù)新型干法水泥生產(chǎn)中的二氧化硫排量調(diào)節(jié)運(yùn)行速率，無(wú)需人為操作，降低系統(tǒng)能耗。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如下[5]：

表1 系統(tǒng)運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.4 副產(chǎn)品處理系統(tǒng)

系統(tǒng)可生成石膏水、石膏。旋流器、真空皮帶過(guò)濾器共同構(gòu)成副產(chǎn)品處理系統(tǒng)。石膏漿液被吸收塔排出，送至旋流器，并進(jìn)行濃縮處理，之后石膏漿液被送至過(guò)濾機(jī)脫水進(jìn)行處理。此時(shí)，得到的石膏產(chǎn)品含水率極低，便可行統(tǒng)一的儲(chǔ)存、運(yùn)輸。

3.3 節(jié)能減排技術(shù)效益評(píng)價(jià)

該水泥生產(chǎn)企業(yè)采用“石灰石-石膏”節(jié)能降耗工藝后，經(jīng)檢測(cè)脫硫率在92%以上，滿(mǎn)足新型干法水泥節(jié)能減排生產(chǎn)需求，提高了水泥生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。具體技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 “石灰石-石膏”系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

對(duì)“石灰石-石膏”工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，熟料脫硫成本2.2 元/t（加入電耗，預(yù)計(jì)為3.3 元/t），經(jīng)濟(jì)性有效了明顯提升[6]。整體來(lái)看，節(jié)能減排系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

（1）整個(gè)節(jié)能減排系統(tǒng)脫硫效率較高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、前期投入低、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)。

（2）整個(gè)系統(tǒng)可以生成石膏等副產(chǎn)品，可用于制作水泥緩凝劑，不僅減少了二次污染，同時(shí)也提高了水泥廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，且只需要占極小的地方就可工作，經(jīng)過(guò)科學(xué)證明，流程科學(xué)有效。

（4）未來(lái)可進(jìn)一步借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)優(yōu)化模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行綜合效能。

（5）系統(tǒng)采用了煙氣流速量化設(shè)計(jì)，根據(jù)煙氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)噴淋系統(tǒng)，除了可以保證短時(shí)間內(nèi)完成脫硫目標(biāo)，并且降低了能源損耗，經(jīng)濟(jì)效益較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，雖然新型干法水泥生產(chǎn)工藝在我國(guó)發(fā)展有一段時(shí)間，但該項(xiàng)技術(shù)還有很大的發(fā)展空間和發(fā)展前景。并且，通過(guò)對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)不斷優(yōu)化、調(diào)整，可以有效降低水泥生產(chǎn)企業(yè)能源損耗、污染物排放量。本文重點(diǎn)介紹了一些節(jié)能降耗工藝措施，該系統(tǒng)在能夠滿(mǎn)足新型干法水泥生產(chǎn)節(jié)能減排要求的基礎(chǔ)上，還可以降低運(yùn)行成本、提高處理效率，綜合優(yōu)勢(shì)非常明顯，還能夠適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)工況，綜合效益非常高。