摘要

　　介绍了高性能脱硫脱白技术的主要特点及其应用。本技术是高性能湿法脱硫技术和相变凝聚节水脱白技术的高效耦合。应用结果表明：脱硫塔出口SO2和粉尘含量分别达到22.8 mg/Nm3和6.6 mg/Nm3，远低于设计值，脱硫除尘效率分别为99.6%和78%；相变凝聚器出口粉尘含量3.15 mg/Nm3，协同除尘效率高达52.2%，回收冷凝水14.5 t/h，收水率78.4%。相变凝聚节水脱白技术实现了在水泥行业超低排放中的首台套应用，具有冷凝收水、协同除尘、有色烟羽控制等多重功效，对水泥行业超低排放改造具有重要的借鉴价值。1　水泥工业大气污染物排放及控制情况

　　国家现行标准《水泥工业大气污染物排放标准》GB 4915—2013规定，水泥窑烟气在基准氧含量10%的条件下，颗粒物、SO2、NOx排放浓度特别排放限值分别为20 mg/Nm3、100 mg/Nm3、320 mg/Nm3。然而，随着国家对水泥行业大气污染物排放治理力度的逐步加大，超低排放改造已是大势所趋，特别是2018年以来，包括京津冀及周边地区、长三角等多省市均进一步严格了水泥工业大气污染物特别排放标准，如表1所示。

　　水泥行业超低排放政策及标准的陆续实施，给水泥行业污染物治理带来了极大的挑战。水泥行业排放的污染物主要包括颗粒物、SO2、NOx、HF、Hg及其化合物、NH3等。目前颗粒物减排主要采用袋式除尘技术，电除尘及电袋复合除尘技术应用较少，脱硝技术主要采用前端治理技术（低氮燃烧、分级燃烧）和末端治理技术（SNCR和SCR），主要脱硫技术及其对比如表2所示[1]。由表2可知，综合考虑投资、运维及治理指标三方面，石灰石/窑灰-石膏湿法脱硫技术仍是当前主流的窑尾烟气末端治理技术。然而，湿法脱硫技术引起的有色烟羽问题虽在燃煤电厂已有一定应对措施，但在水泥行业尚处空白。针对此问题，本文采用高性能脱硫脱白技术，在某5?000 t/d生产线上取得了应用，实现了SO2低于35 mg/Nm3、粉尘低于10 mg/Nm3排放的同时，回收了烟气含水超过14.5 t/h并彻底消除了有色烟羽，对于水泥行业超低排放改造具有重大的借鉴意义。2　技术简介

　　2.1　高性能湿法脱硫技术工艺流程

　　高性能脱硫脱白技术已在燃煤电厂、热电厂、食品等领域湿法脱硫工艺中应用较多。它是高性能湿法脱硫技术和相变凝聚节水脱白技术的高效耦合，其工艺流程如图1所示。本技术能高效脱除SO2，协同深度脱除烟气中的粉尘、多种非常规污染物，冷凝回收饱和烟气中20%~25%的水蒸气，并有效消除视觉污染。

　　表1　部分地区水泥窑尾烟气超低排放执行标准mg/Nm3

　　图1　高性能脱硫脱白工艺流程

　　2.2　高性能湿法脱硫技术

　　高性能湿法脱硫技术核心装备如图2所示，包括沿脱硫塔自下而上布置的氧化空气管网、入口顶部翼板、托盘、增效环、高效喷淋层、高效除雾器等。其中：

　　（1） 托盘采用2205材质，设置于脱硫塔入口上方，常设置1~2层，呈多孔状，孔径28~40 mm，实现均布气流、提高脱硫效率，增加气液传质面积、减少液气比，凝聚粉尘、提高除尘效率等功效。

　　（2） 高效喷淋层[4]采用FRP材质，设置于托盘上方，常设置3~5层，各层相互交错，并在不同位置选择不同型式喷嘴，以达到300%以上的喷雾覆盖率。

　　（3） 高效除雾器[5]采用PP材质，设置于顶层喷淋层上方，根据不同要求设置2~3级屋脊式或管式，出口液滴浓度*低可低于20 mg/Nm3。

　　图2　高效能脱硫塔示意

　　2.3　相变凝聚节水脱白技术

　　脱白是高湿烟气冷凝收水、有色烟羽消除及多污染物协同控制的简称，采用湿法脱硫工艺后的烟气直接排放均会产生有色烟羽，其机理如图3所示[6]。脱硫塔出口烟气处于或接近饱和状态，如图3中A点所示，环境状态如O点所示，脱硫后烟气直接排放运动轨迹近似A、O两点连线，AO线与饱和区产生重叠，重叠区域的大小反映有色烟羽的严重程度。根据有色烟羽产生的机理，脱白技术分为加热法、冷凝法和冷凝再热法3种，分别如图3中A→B→D→E→O路线、A→C→E→O路线、A→C→D→E→O路线所示。

　　相变凝聚节水脱白技术是冷凝法或冷凝再热法中冷凝技术的一种。其主要设备为相变凝聚器，布置于湿法脱硫塔出口烟道，将进入相变凝聚器中的饱和湿烟气与换热管内的低温冷却水进行热交换，烟气降温冷凝，烟气中的水蒸气凝结成水雾，大部分顺着换热管外壁流向集水槽中收集回用，同时在水蒸气凝结过程中协同脱除烟气中SO3、可凝结颗粒物、PM2.5、石膏液滴、可溶盐等污染物。相变凝聚器常采用改性PTFE或TA2管等耐酸腐蚀材质，模块示意图如图4所示。

　　图3　烟气有色烟羽产生及脱白原理

　　图4　相变凝聚器模块示意3　工程应用

　　3.1　改造前系统

　　CJ水泥公司3×5?000 t/d（1#、2#、3#线）和1×12?000 t/d（4#线）新型干法水泥熟料生产线全部被列为海南重点建设项目，核心技术设备全部从德国Polysius进口，具有产量高、能耗低、自动化程度高、环境保护好等特点。其原有脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，于2015年间投产，脱硫塔入口烟气SO2、SO3、粉尘含量分别为1?500 mg/m3、40 mg/m3、30 mg/m3（标干、10%O2，以下同），按照出口烟气SO2、粉尘含量分别低于200 mg/Nm3、20 mg/Nm3设计，3层喷淋，浆液循环量为5?470 m3/h。运行近4年来，随着地方政府排放标准日趋严格，该工艺已无法满足运行需求。

　　3.2　改造要求

　　根据工程实际需要，采用本文所述的高性能脱硫脱白技术对2#线湿法脱硫系统进行改造，具体设计要求包括：

　　（1） 脱硫技术采用石灰石-石膏法，脱硫塔入口烟气SO2、粉尘含量分别按5?500 mg/Nm3、30 mg/Nm3设计，脱硫系统在设计条件下运行时，出口烟气SO2、粉尘含量分别低于35 mg/Nm3、10 mg/Nm3。

　　（2） 脱硫塔出口烟气携带的水滴含量低于20 mg/Nm3。

　　（3） 脱白技术采用冷凝再热法，其中冷凝采用相变凝聚器，再热采用蒸汽加热器，脱硫塔出口烟气温度按52 ℃设计，冷凝幅度按5 ℃设计，再热幅度的设计满足在地面环境温度高于17 ℃、相对湿度低于60%条件下完全消除有色烟羽，相变凝聚器出口粉尘含量低于5 mg/Nm3。

　　3.3　技术应用

　　2#线高性能脱硫脱白技术改造于2019年10月正式投运，其现场图如图5所示。投运以来，系统稳定运行。

　　图5　高性能脱硫脱白技术现场装置

　　根据3.2节所述改造要求，改造工程的主要应用技术包括：

　　（1） 脱硫塔增设1层托盘，尺寸为Φ8 m×4 mm，孔径34 mm，增加2层高效喷淋，浆液循环量由5?470 m3/h增加至14?470 m3/h，两层屋脊式除雾器改造为管束式，设计参数见表3。

　　（2） 相变凝聚器烟气进出口温度分别为52 ℃和47 ℃，采用改性PTFE材质，光管，总换热面积为6?600 m2；相变凝聚器循环冷却水进出口温度分别为32 ℃和42 ℃，循环水量1?350 t/h，理论冷凝水量约18.5 t/h。

　　（3） 蒸汽加热器烟气进出口温度分别为47 ℃和73 ℃，采用2205材质，螺旋翅片管，总换热面积为3?600 m2；蒸汽加热器蒸汽入口为0.6 MPa饱和蒸汽，蒸汽耗量为10 t/h。

　　表3　CJ水泥2#线湿法脱硫系统改造设计参数（停磨）

　　技术应用后，现场脱硫、脱白、除尘等方面效果均远超设计要求。其中，脱硫塔出口SO2含量22.8 mg/Nm3、粉尘含量6.6 mg/Nm3，远低于设计值，脱硫和除尘效率分别达到99.6%和78%；相变凝聚器实现显着的粉尘协同脱除和有色烟羽控制效果，粉尘排放3.15 mg/Nm3，协同除尘率52.2%，冷凝收水约14.5 t/h，收水率78.4%。其现场效果如图6所示。4　结论

　　（1）高性能脱硫脱白技术应用于CJ水泥公司2#线（5?000 t/d）超低排放改造，实现了高效脱硫、协同除尘、冷凝水高效回收、有色烟羽有效控制。同时，相变凝聚节水脱白技术实现我国水泥行业有色烟羽治理领域首台套应用，对水泥行业超低排放改造具有重大的借鉴意义。

　　（2） 采用高性能脱硫技术后，稳定保持脱硫塔出口SO2含量低于35 mg/Nm3，脱硫效率高达99.6%；脱硫塔出口粉尘含量低于10 mg/Nm3，除尘效率高达78%。

　　（3） 采用相变凝聚节水脱白技术，相变凝聚器出口粉尘含量3.15 mg/Nm3，协同除尘效率高达52.2%；实现冷凝水回收14.5 t/h，收水率78.4%。

　　作者单位：浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江大学能源工程学院

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