包勤立：通过工艺措施优化实现水泥窑的SOX减排
摘要：在环保要求不断提高、市场竞争日趋激烈的当今，充分用好现有生产工艺所具有的功能对水泥企业提高环保水平、降低生产投入都无疑是非常重要的。
日本太平洋中国投资有限公司副总经理包勤立
前言
现在被广泛使用的预分解水泥生产工艺本身具备一定的脱硫功能（简称：工艺脱硫），这不仅是该技术在开发当时的一个重要考虑1)，也是水泥窑能够成为协同处置废弃物的一个重要条件。在环保要求不断提高、市场竞争日趋激烈的当今，充分用好现有生产工艺所具有的功能对水泥企业提高环保水平、降低生产投入都无疑是非常重要的。
在国内利用工艺脱硫的先例不多，而且也似乎未被广泛认识。原因是多方面的，除了对工艺本身的理解、材料的制约以外，还有对调整既有工艺、改变某些操作习惯的不情愿所带来的影响。但是，充分发挥工艺本身具备的功能应是首选的脱硫对策，其他的脱硫措施无非是对该功能的补充。本文对工艺脱硫的特点作一简要介绍，为企业选用相应的脱硫措施提供一些参考。
1 工艺脱硫的概念
所谓工艺脱硫主要是指在基本不增加脱硫设备的前提下，通过对现有预分解工艺的调整或优化来实现脱硫的做法。分析SOX的形成机理可知，其主要是由原燃料带入烧成系统的硫组分在窑内高温区域（burning zone）发生分解而生成SO2所构成的。尤其是窑内存在还原性物质时，例如：CO、C（未燃碳）等，这种分解反应会进一步加快。针对这些在高温区域生成的SO2，可以设法通过操作工艺的调整，在SO2所经过的分解炉区域，营造出一个利于捕捉SO2的环境，促使其与该区域大量存在的CaO发生反应生成硫酸盐，而固溶进入熟料，由此来降低烟气排放中SOX的浓度。这就是工艺脱硫的基本原理，也是预分解水泥工艺本身所具备的功能。在此，可以说预热器也就相当于一个脱硫塔。如何设置有效的工艺条件、发挥自身的功能就是工艺脱硫所要做的事情。
值得注意的是，工艺脱硫基本上是针对进入烧成系统高温区域的硫组分所采取的措施，对于在进入高温区以前（500℃以下，一般是在分解炉的3级旋风筒以上）就已经分解而释放出SO2的含硫物料则效果不佳。
2 工艺脱硫的技术要点
从工艺脱硫的概念可知，如何在熟料烧成过程中营造出一个有效的捕捉SOX的环境是其技术的关键。通过捕捉SOX、实现脱硫效果的化学反应可由以下方程式来概括。
CaSO4⇔CaO ＋ 1/2O2＋ SO2↑（1）
式1）是一个可逆反应，正向为吸热、逆向为放热反应。正反应速度在1100℃左右开始明显提高，逆反应在800℃以下温度区域就开始了，在825℃以后反应速度呈现出明显加快的趋势。这些反应特征、反应条件实际上就构成了工艺脱硫过程的技术基础。
CaSO4 ⇔ CaO ＋ 1/2O2 ＋ SO2 ↑（1）
根据式1）所示的SO2的形成机理可知，所要营造的捕捉SO2的环境，其实质就是创造条件，使式1）的反应更有利于逆向进行，促使更多的SO2与CaO和O2发生反应，生成易于固溶入熟料岩相中的硫酸盐。在此过程中，可采取的工艺操作并不复杂，主要是控制好分解炉区域的氧气浓度，使其能够满足式1）反应逆向进行的条件。因为分解炉内有大量的活性很高的CaO粉料，只要能够提供充分的氧气，式1）反应逆向进行的驱动力就会大为提高。其次是控制该区域的温度不要过高，因为式1）的逆向反应是放热反应，正常运行的分解炉内的温度与式1）逆反应发生的温度范围基本上相吻合。所以只要这两个条件控制好了，捕捉来自高温区域的SO2是可以做到的。在实际操作过程中，分解炉内温度应控制在不高于880℃、氧气浓度应控制在足以促使式1）的反应逆向进行的状态。这样就可降低外排烟气中SO2的浓度。
3 工艺脱硫的操作特性
只要掌握了硫化物在烧成系统中不同区域的存在形态和特性，就可以在工艺设置和运行操作过程中有的放矢地采取相应的技术措施。但是，仅有这些定性的说明还不足以在实际操作过程中把工艺本身的脱硫功能完全发挥出来。还应了解和掌握在高温区域内可能对硫化物的物化性能产生影响的其他因素，因为这些因素会对SO2的捕捉或释放形成重要的影响。下图1显示了在相当于窑内的高温区域内、硫酸盐随着温度的变化可能发生的一些化学反应的特征。
由图中可见，当温度接近1100℃时，CaSO4的分解速度呈现快速上升，与之相对应，SO2的浓度也迅速上升。同时，如果窑内存在燃烧不完全的情况，有CO产生或者有未燃碳C存在时，CaSO4开始分解的温度有明显下降，在900℃前后的区域就开始了，而且反应速度加快。通过这些现象可以做出如下推断。
1）在燃烧正常的烧成系统中，由CaSO4的分解而产生的SO2的过程一般只发生在窑内的高温区域。而且随着温度的升高其生成速度呈现出指数性增长。
2）促使式1）反应逆向进行的最佳区域是在分解炉及其附近，因为在该区域有着足够多的CaO，且温度相对较低。只要该区域能够保持足够的氧气浓度和合适的温度，就能促使式1）反应逆向进行，从而降低SO2的浓度。
3）如果燃烧状况不佳，在窑尾和分解炉区域存在CO或C时，硫酸盐的分解反应温度会下降，并会对脱硫反应产生影响。不仅导致捕捉SO2的反应难以进行，甚至可能会促进SO2的形成。
4）分解炉的温度控制过高将不利于脱硫反应的进行。
可见，当分解炉区域的氧气浓度很低时，SO2的捕捉就难以稳定地进行，预热器本身所具有的脱硫功能会被大幅度地消弱。如果再加之CO或C的影响，烧成系统本身所具备的脱硫功能可能就基本失效了。这些现象也是在生产实践中经常遇到的，是不应该被忽视的问题。
上述的反应以及对策是工艺脱硫的基础，是控制SOX排放的有效措施，而且在世界多地都有实际应用的成功案例。其中，控制好脱硫反应区域的氧气浓度、调整好燃烧状态是最为重要的措施。
4 实际应用中的注意事项
工艺脱硫并非是一项新的技术，仅是将烧成系统本身具备的功能发挥出来一种工艺措施，通过对工艺的调整达到脱硫目的。而且基本上是使用现有的生产设施，无需增加硬件设施和使用任何外加耗材。但是，为了降低由局部调整工艺、改善燃烧状况所带来的消耗，在实际运行过程中可能需要对部分硬件设施开展局部的调整。例如：导入分级燃烧技术，来改善燃烧状态、抑制SO2的形成，并解决由于控制SO2而带来的氮氧化物浓度升高等问题。但是，这些投入以及工艺条件变化带来的影响与其他脱硫措施的投入相比较是很少的。
由于工艺脱硫主要是针对进入烧成系统高温区域硫组分的影响的，对于由原料带入的、但无法进入高温区域、在预热器上级旋风筒区域内就生成SO2的效果是不明显的。所以，在选择脱硫技术时，首先要尽量确定所用原料中的硫组分是何种形态存在的，是在何种温度条件下可能会发生分解并释放出SO2的。这些通过简单的实验是可以验证的。当然，窑内情况复杂，其低氧和高碱性的高温环境会对一些反应产生影响，可能会改变某些反应的发生条件。这些情况都应在选择针对性的脱硫技术前要搞清的问题。在此基础上才能有效地选择有针对性的、更为经济的脱硫措施。
5 结束语
通过调整工艺运行条件，可以有效地发挥水泥窑本身所具备的脱硫功能，从而控制由原燃料带入烧成系统中的硫酸盐分解产生的SO2浓度、确保排放环保达标。而调整和控制分解炉区域的氧气浓度和温度、确保良好的燃烧状态是实现工艺脱硫的关键措施。
（此文为2016’中国国际水泥峰会主题报告摘选）
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