陶瓷行業煙氣半干法綜合治理技術分析

黃賓　王力行　楊立群

摘 要：針對陶瓷行業噴霧塔和輥道窯的傳統煙氣處理存在的問題，本文介紹了一種煙氣半干法綜合治理技術，分析了其脫硫除塵的物理化學過程和原理，以及采用該系統取得的節能降耗和環保效果，指出了未來脫硫除塵治理的發展方向。

關鍵詞：陶瓷；煙氣；脫硫；半干法；治理

1 引言

陶瓷企業所產生煙氣主要來自于噴霧干燥塔和燒成窯爐，這些煙氣的主要污染物是粉塵和二氧化硫。目前陶瓷企業的煙氣脫硫治理方式大多是采用傳統的方法，即噴霧塔外排煙氣采用袋除塵器+雙堿法脫硫塔的方式，而輥道窯煙氣脫硫采用濕法脫硫方式。事實上，這些傳統的煙氣脫硫方式在運作過程中還存在很多的問題，影響了企業的生產和環保治理效果。

本文主要介紹一種煙氣半干法綜合治理技術，專門針對噴霧塔和陶瓷輥道窯的煙氣進行脫硫除塵一體化處理。

2 傳統煙氣脫硫方式及存在的問題

2.1 傳統煙氣脫硫方式

2.1.1噴霧塔外排煙氣

噴霧塔外排煙氣的治理工藝采用袋除塵器+雙堿法脫硫塔的方式。該方法的布袋除塵器設置是每個噴霧塔配一臺布袋除塵器，然后將經過布袋除塵器的煙氣集中到一座脫硫塔內進行脫硫。

2.1.2陶瓷輥道窯煙氣脫硫

陶瓷輥道窯煙氣脫硫采用濕法脫硫（雙堿法脫硫工藝）。即把現有窯爐的煙氣集中到一起，再進入一座噴淋塔進行脫硫，待煙氣凈化后再排放。

2.2 傳統煙氣脫硫方式存在的問題

從企業運作的情況來看，當前大多數企業采用的這種傳統脫硫除塵工藝至少存在以下問題：

2.2.1影響通風，影響產量

很多陶瓷企業噴霧塔的布袋除塵器是在邊生產、邊改造的過程中完成的，造成環保設備布局混亂，管網連接迂回曲折，通風阻力過大。從而影響通風和生產，使噴霧塔產能下降。

2.2.2設計有結構缺陷，易沾粘堵塞，濾袋破損快

該類布袋除塵器最初的設計是用于處理干態煙氣、粗顆粒粉塵的，不適合處理噴霧塔這種含水、含酸以及含焦油等多種沾粘成分的復雜煙氣。清灰均采用箱式脈沖，每個室僅配一只脈沖閥，布袋上口處未設置噴吹管，清灰強度低，容易堵塞布袋，造成酸性物質凝聚，腐蝕布袋和箱體內壁。

2.2.3使用壽命短

由于生產工藝現狀造成噴霧塔布袋除塵器時停時開，造成噴霧塔煙氣中的水分在除塵器內積留。當除塵器停機超過一定時間時，除塵器的溫度就會下降，積留在內部的水蒸汽就會凝結成小水滴，對設備造成腐蝕。

3 新型煙氣脫硫除塵一體處理系統

3.1 系統設備

該煙氣處理系統的主要設備包括：半干法脫硫塔系統、灰循環系統、吸收劑存儲與輸送系統、布袋除塵系統。煙氣脫硫除塵一體處理系統如圖1所示。

3.1.1半干法脫硫塔系統

半干法脫硫及煙氣系統主要包括半干法脫硫塔、連接煙道。煙氣由脫硫塔下部通過布風裝置進入脫硫塔。霧化水由脫硫塔喉口部的雙流體霧化噴嘴噴入脫硫塔，以很高的傳質速率在脫硫塔中與煙氣混合，煙氣中小液滴與吸收劑顆粒以很高的傳質速率和煙氣中的SO2等酸性物質混合反應。

3.1.2 灰循環系統

為提高吸收劑的利用率，系統設有灰循環系統，可根據反應器中吸收劑的濃度來調整循環倍率。

3.1.3 吸收劑存儲及輸送系統

吸收劑存儲設備主要是儲粉倉。通過儲粉倉下部出口的螺旋給料機送入空氣斜槽，與空氣斜槽中的循環灰混合后進入半干法脫硫塔。

3.1.4布袋除塵器系統

當脫硫反應后的含塵氣體由脫硫塔進入布袋除塵器進風口，與導流板相撞擊，在此沉降段內，粗顆粒粉塵掉入灰斗，起到預收塵的作用。考慮到噴霧塔煙氣的特性和脫硫除塵效率的要求，布袋除塵器內部結構上增設了沉降室，進一步加強預收塵的作用。

氣流隨后折轉向上，通過內部裝有金屬架的濾袋，粉塵被捕集在濾袋的外表面，使氣體凈化。凈化后的氣體進入濾袋室上部的清潔室，匯集到出風管排出。

3.2 系統技術設計

該技術主要是根據循環流化床理論和噴霧干燥原理，采用懸浮方式，使吸收劑在半干法脫硫塔內懸浮、反復循環，與煙氣中的SO2充分接觸、反應來實現脫硫的一種方法。

煙氣脫硫工藝分為以下7個步驟：

（1） 吸收劑存儲、輸送和制備；

（2） 煙氣霧化增濕調溫；

（3） 吸收劑與含濕煙氣霧化顆粒充分接觸混合；

（4） 二氧化硫吸收；

（5） 灰循環；

（6） 廢渣排除。

注：（2）、（3）、（4）、（5）四個步驟均在半干法脫硫塔中進行，其包括化學過程和物理過程。

3.2.1化學過程

當霧化水經過雙流體霧化噴嘴在脫硫塔中霧化，并與煙氣充分接觸，煙氣冷卻并增濕，氫氧化鈣粉顆粒同H2O、SO2和H2SO3反應生成干粉產物，整個反應分為氣相、液相和固相三種狀態反應，反應步驟及方程式如下：

（1） SO2被液滴吸收：

SO2（氣）+H2O→H2SO3（液）

CaO經過干式消化器后變為Ca（OH）2：

CaO （固）+H2O（液）→Ca（OH）2（固）

（2） 吸收的SO2同溶液吸收劑反應生成亞硫酸鈣：

Ca（OH）2（液）+H2SO3（液）→CaSO3（液）+2H2O

Ca（OH）2（固）+H2SO3（液）→CaSO3（液）+2H2O

（3） 液滴中CaSO3達到飽和后，即開始結晶析出：

CaSO3（液）→CaSO3（固）

（4） 部分溶液中的CaSO3與溶于液滴中的氧反應，氧化成硫酸鈣：

CaSO3（液）+1/2O2（液）→CaSO4（液）

（5） CaSO4（液）溶解度低，從而結晶析出：

CaSO4（液）→CaSO4（固）

（6） 對未來得及反應的Ca（OH）2 （固），以及包含在CaSO3（固）、 CaSO4（固）內的CaO（固）進行增濕霧化：

Ca（OH）2（固）→Ca（OH）2（液）

SO2（氣）+H2O→H2SO3（液）

Ca（OH）2（液）+H2SO3（液）→CaSO3（液）+2H2O

CaSO3（液）→CaSO3（固）

CaSO3（液）+1/2O2（液）→CaSO4（液）

CaSO4（液）→CaSO4（固）

（7） 布袋除塵器脫除的煙灰中的未反應的Ca（OH）2 （固），以及包含在CaSO3（固）、 CaSO4（固）內的Ca（OH）2 （固）循環至半干法脫硫塔內繼續反應：

Ca（OH）2（固）→Ca（OH）2 （液）

SO2（氣）+H2O→H2SO3（液）

Ca（OH）2（液）+H2SO3（液）→CaSO3（液）+2H2O

CaSO3（液）→CaSO3（固）

CaSO3（液）+1/2O2（液）→CaSO4（液）

CaSO4（液）→CaSO4（固）

3.2.2 物理過程

物理過程系指液滴的蒸發干燥及煙氣冷卻增濕過程。液滴從蒸發開始到干燥所需的時間，對脫硫塔的設計和脫硫率都非常重要。影響液滴干燥時間的因素有液滴大小、液滴含水量以及趨近絕熱飽和的溫度值。液滴的干燥大致分為兩個階段：第一階段由于漿料液滴中固體含量不大，基本上屬于液滴表面水的自由蒸發，蒸發速度快而相對恒定。隨著水分蒸發，液滴中固體含量增加，當液滴表面出現顯著固態物質時，便進入第二階段。由于蒸發表面積變小，水分必須穿過固體物質從顆粒內部向外擴散，干燥速率降低，液滴溫度升高并接近煙氣溫度，最后由于其中水分蒸發殆盡形成固態顆粒而從煙氣中分離。霧化液滴的干燥及反應順序如圖2所示。

半干法脫硫塔內反應灰的高倍率循環使循環灰顆粒之間發生激烈碰撞，使顆粒表面生成物的固形物外殼被破壞，里面未反應的新鮮顆粒暴露出來繼續參加反應。客觀上起到了加快反應速度、干燥速度以及大幅度提高吸收劑利用率的作用。另外由于高濃度密相循環的形成，半干法脫硫塔內傳熱、傳質過程被強化，反應效率、反應速度都被大幅度提高。而且反應灰中含有大量未反應吸收劑，所以半干法脫硫塔內實際鈣硫比遠遠大于表觀鈣硫比。

在半干法脫硫塔內設置有多級增濕活化裝置。經過增濕活化后原來位于反應物產物層內部的Ca（OH）2 從顆粒內部向表面發生遷移，并形成亞微米級細粒，沉積在顆粒表面或與表層產物層相互夾雜。遷移還改變了當地的孔隙結構。這些綜合效果使反應劑重新獲得反應活性。

4 系統工程實施

4.1 實施概況

本系統在某陶瓷公司實施，該公司現有兩條輥道窯（產量分別為20000m2/天和12000m2/天）和兩座噴霧塔。為達到最新環保要求，配套建設"半干法煙氣脫硫系統+布袋除塵器"煙氣凈化系統，系統由煙氣脫硫系統、布袋除塵器系統、灰循環系統、吸收劑存儲給料系統、外排灰系統和增濕霧化水系統等組成。兩條窯爐配置一套脫硫塔，兩座噴霧塔各配置一套脫硫系統，三套脫硫系統尾部共同設置一套布袋除塵器。

4.1.1設計參數

該系統設計的窯爐煙氣和噴霧塔煙氣參數如表1和表2所示。

4.1.2 性能指標

在水、電、壓縮空氣和消石灰按設計要求正常供應，煙氣排放質量滿足脫硫裝置設計參數情況下，煙氣通過該系統處理后，系統排放的煙氣中，粉塵≤30 mg/Nm3、SO2≤50 mg/Nm3。

4.2 系統設計及設備選型

4.2.1 煙道系統

兩臺噴霧塔煙氣脫硫各采用一臺脫硫塔（1#脫硫塔、2#脫硫塔），兩條窯爐共用一臺脫硫塔（3#），煙氣分別先從相應脫硫塔下部進入，脫硫后三臺脫硫塔煙氣共同進入一臺布袋除塵，經布袋收塵后由煙囪直排。

4.2.2 脫硫塔系統

（1）系統設計

在脫硫塔中，脫硫煙氣和含吸收劑的循環灰接觸，完成脫硫反應。

（2）設備選型

所選脫硫塔主要性能參數如表3所示。

4.2.3 吸收劑存儲輸送系統

（1） 系統設計

吸收劑采用消石灰作為原料，其存儲和輸送系統主要包括消石灰粉倉、變頻卸灰閥、噴射泵、粉倉庫頂除塵器等。

（2） 設備選型

1）消石灰粉倉；

2）粉倉庫頂除塵器；

3）消石灰星型卸灰閥。

4.2.4 脫硫灰循環系統及輸灰系統

（1） 系統設計

根據脫硫塔中灰的濃度和脫硫效率來調節循環倍率。

（2） 設備選型

1）空氣斜槽；

2）循環灰流量控制閥；

3）循環灰星型卸灰閥；

4）外排灰氣動閥；

5）羅茨風機；

6）循環灰斜槽流化風機。

4.2.5工藝水系統

（1）系統設計

工業水主要作用為：脫硫塔增濕活化及調節煙氣溫度用水。煙氣通過蒸發霧狀水來冷卻。

（2）設備選型

1）脫硫水泵；

2）工藝水箱。

5 工程實例分析

某陶瓷企業采用該系統進行處理粉塵的治理，總處理煙氣量約為700000 m3/h，濾袋的數量為3456條。在使用兩年以后，對其布袋除塵器進行了全面檢查，發現設備內部的情況良好，濾袋需要更換的數量只有300多條，為濾袋總數的十分之一。

5.1 延長設備使用年限

由于系統為多塔多窯爐共用一套系統，在單塔或單窯解列退出生產時，仍然能夠維持設備內部的溫、濕度，起到抑制煙氣中的水出現結露的作用，延長設備的使用壽命。

5.2 降低能耗

本系統采用半干法脫硫工藝，系統的用水量小，水泵的功率小，一般為3～5 kW左右。不像濕法脫硫整個過程需要大量的噴淋水來吸收SO2，通常SO2濃度越高需要的液氣比越高，循環水量也就越大，能耗也就越高。

5.3 降低成本

半干法脫硫系統所使用的吸收劑為熟石灰。

5.4 環保效果明顯

系統實施企業經第三方檢測機構在線監測，系統的顆粒物濃度、二氧化硫濃度都達到標準的要求，環保效果明顯。

6 結語

本文針對陶瓷企業噴霧塔、輥道窯煙氣中粉塵含水量高的特點，以及目前企業采用方法存在的問題，設計出包含半干法脫硫塔系統、灰循環系統、吸收劑存儲與輸送系統和布袋除塵系統的煙氣半干法綜合治理系統，能夠取得比傳統除塵脫硫系統明顯的治理效果，可以延長設備的使用壽命、降低能耗和成本，具有明顯的環保效果，是陶瓷行業未來除塵脫硫治理的一個發展方向。