一种水泥窑炉烟气脱硫系统的制作方法

文档序号：12157029阅读：441来源：国知局

本实用新型属于水泥窑炉烟脱硫技术领域，具体涉及一种利用氨水作为脱硫剂的水泥窑炉烟气脱硫系统。

背景技术：

火电厂、钢厂、工业锅炉、水泥厂等燃煤设施生产过程中会产生大量的二氧化硫，二氧化硫在大气中会氧化成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，它是造成酸雨的重要前驱物。火电厂、钢厂、工业锅炉等大都配套建有脱硫设施，水泥厂由于其在生产过程中产生的硫大部分会被氧化钙吸收，所以二氧化硫排放浓度不高，大部分生产线可以满足标准要求。但有些厂区原料含硫量过高，二氧化硫的排放浓度也较高，在200～2000mg/m³不等。近年来国家对环保的要求越来越严格，按照最新水泥企业尾气排放标准《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)中规定，水泥窑二氧化硫最高排放浓度不超过200mg/m³，重点地区低于100mg/m³。因此，对于二氧化硫超标的企业，迫切需要一套成熟的水泥窑炉脱硫系统。

水泥窑系统中的硫是由原料和燃料带入：1)、原料中存在的硫酸盐在预热器系统通常不会形成SO₂气体，大体上都会进入窑系统。其中一部分硫酸盐会在窑内高温带发生分解，生成的SO₂气体随窑气向窑尾运动，在到达最低两级预热器等温度较低区域时，冷凝在温度较低的生料上，并随生料沉集一起进入窑内，形成一个在预热器和窑之间的循环系统，而未分解的硫酸盐则会随着熟料离开窑系统。原料中以其他形式存在的硫(主要以硫化物形式存在)，则会在300～600℃被氧化生成SO₂气体，主要发生在五(四)级预热器的第二级旋风筒或者六级预热器的第三级旋风筒。2)、在预分解窑系统内，燃料由窑头和分解炉喂入。分解炉燃料燃烧生成的SO₂会被分解炉存在的大量活性CaO吸收，生成的CaSO₄随物料经最低级旋风筒由窑尾烟室进入窑内。窑头喂入的燃料产生的SO₂气体会和硫酸盐在窑内高温带分解产生的SO₂气体经历类似的历程。

原料中的硫氧化产生的SO₂在通过上级旋风筒时会被部分吸收，其余则随废气一道从预热器排出。如果废气用于烘干原料，则SO₂在原料磨中进一步被吸收。在温度低于600℃的情况下，CaCO₃对SO₂的吸收效率要远低于CaO。上面两级预热器中CaCO₃分解率极低，且仅有少量CaO被烟气从高温部分带上去，因此吸收效率很低。再加上此时湿度较低以及排放前的停留时间较短，SO₂排放浓度可能很高。如果存在有机硫化物，其氧化行为与硫铁矿接近。

目前主要的常规脱硫工艺分为干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫三类。干法脱硫工艺包括反应剂喷注法、热生料喷注法等，半干法脱硫主要是喷雾干燥脱硫法，湿法脱硫包括氨法脱硫、双碱法脱硫、石灰石石膏法等脱硫工艺。

干法及半干法脱硫工艺运行成本高，脱硫效率低，应用于水泥窑炉有很大的限制。双碱法、石灰石膏法广泛应用于火电厂、钢厂、工业锅炉等行业，脱硫效率高，但该类型脱硫工艺一次投资较大，运行成本高，对于普通水泥企业负担过重，也不适用。

水泥生产线具有烟气量大、物料多级预热、烟气停留时间长等特点，此外窑系统内还特有硫的循环效应，使得常规的脱硫工艺并不适用于水泥窑炉。因此，亟需开发一种水泥窑炉专用的低成本、高效率的脱硫工艺。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种利用氨水作为脱硫剂的水泥窑炉烟气脱硫系统，解决现有技术中水泥窑炉脱硫效率低的技术问题。

为了解决该技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种水泥窑炉烟气脱硫系统，包括氨水储罐、输送泵、喷射枪、水泥分解炉、水泥窑预分解系统和自动控制系统，水泥窑预分解系统包括多级预热器，所述氨水储罐通过输送泵与喷射枪连通，喷射枪的喷射点位于第二级预热器旋风筒的出口处，所述喷射枪至少一支；所述输送泵的出口端与喷射枪之间的管道上设置有气动调节阀，水泥窑预分解系统中设置有检测装置，检测装置和气动调节阀与自动控制系统之间电气连接。

进一步改进，还包括回流管，所述回流管的一端与氨水输送泵的出口端连通，另一端与氨水储罐连通，回流管上设置有回流阀和氨水输送压力表。通过调节回流阀调节回流量来控制氨水输送压力，回流管上的压力表显示氨水输送压力值。

进一步改进，所述输送泵为两个，且并联设置，输送泵与氨水储罐之间设置有系统总阀。两个输送泵交替使用，延长其使用寿命，且当其中一个损坏时，另外一个开启，保证脱硫系统能够正常运行。

进一步改进，所述输送泵的出口端与喷射枪之间的管道上设置有针阀、电磁流量计、压力开关、氨泄露检测仪和氨水环管；其中，气动调节阀与针阀并联设置，氨水进入氨水环管后均匀分布至每一支氨水喷射枪。针阀为检修旁路阀门，另外，当气动调节阀全部打开时流量仍无法满足要求可通过针阀适当补充流量。氨水的流量监测通过电磁流量计检测。压力开关检测整个系统中氨水的压力，当压力过高时会报警关停系统，氨泄露检测仪检测整个输送系统是否有氨水泄露，保证整个系统的安全。

进一步改进，还包括压缩空气输送装置，包括减压阀、压力表、止回阀、和压缩空气环管，压缩空气经压缩空气环管分配给每一支喷射枪，喷射枪为双流体喷枪。压缩空气压力位0.3Mpa左右，通过减压阀来保证压缩空气压力，压力表显示减压后的压缩空气压力。止回阀目的是防止氨水倒流至压缩空气管道内。减压后的压缩空气进入压缩空气环管，通过环管均匀分配给每支喷射枪。采用双流体喷枪，通过压缩空气将氨水雾化成雾滴喷入烟道内，增加和二氧化硫的接触面积，提高反应效率。

氨水通过卸氨泵将槽罐车内的氨水转移至氨水储罐内，水泥厂内会建有SNCR脱硝系统，采用氨水作为还原剂的脱硝系统设有卸氨泵及氨水储罐，所以本实用新型无需另设卸氨泵和氨水储罐以节省投资，本实用新型水泥窑炉烟气脱硫系统可以利用SNCR脱硝系统的设备，大部分设备可以和脱硝系统共用，减少一次投资成本，运行管理方便。

进一步改进，所述喷射枪为多支，喷射点均匀设置在第二级预热器旋风筒的内壁上，喷射枪的喷射角度为20-40度，喷射枪为侧喷式喷枪，且所有喷射枪的侧喷偏转方向相同，偏转角度为0-30度。通过将喷射枪设置为侧喷式，使氨水喷雾在烟道内形成环向旋流流场，充分保证覆盖面积。因为直喷式喷枪在环形烟道的烟道壁附近有较大的盲区，而中心区域重叠部分较多，所以采用侧喷式喷枪可以减少盲区和重叠区域，增加覆盖面积。

一种采用水泥窑炉烟气脱硫系统进行脱硫的方法，包括如下步骤：

步骤一、配置15％-25％的氨水，并输送到氨水储罐中；

步骤二、通过自动控制系统设定SO₂浓度预设值，检测装置实时检测水泥窑预分解系统烟气中SO₂浓度，并将实测值传送给自动控制系统，自动控制系统根据预设值与实测值的偏差实时计算、调整氨水的喷射量；

步骤三、按照步骤二中计算得出的氨水喷射量，将氨水经输送泵增压后注入喷射枪后喷射在水泥窑预分解系统内，喷射位于水泥窑炉第二级预热器旋风筒的出口处，第二级预热器出口处的温度为350～500℃；喷入的氨水与烟气中SO₂发生脱硫反应：

SO₂吸收过程：2NH₃+H₂O+SO₂→(NH₄)₂SO₃ (1-1)；

氧化过程：(NH₄)₂SO₃+O₂→(NH₄)₂SO₄ (1-2)；

分解反应：3(NH₄)₂SO₄→4NH₃+N₂+3SO₂+6H₂O (1-3)；

再吸收过程：2SO₂+2CaO+O₂→2CaSO₄ (1-4)；

其中，SO₂吸收过程和(NH₄)₂SO₃氧化过程发生在第二级预热器中，烟气中富含有10％左右的氧气。在第二级旋风筒中氨水和SO₂发生反应生成亚硫酸铵，在富氧条件下亚硫酸铵会被氧化成硫酸铵，硫酸铵附着在生料上随物料向下落，此时温度会升高，硫酸铵在280℃开始分解，在500℃以上具有较高的分解率，在513℃以上完全分解，分解后产生NH₃、N₂、SO₂和H₂O，产生的SO₂一部分被生料中CaO吸收生成CaSO₄进入分解炉，部分CaSO₄高温分解参与水泥窑系统的硫循环过程，未分解的CaSO₄被排出窑系统；另一部分随烟气上升的SO₂进入第二级预热器中继续和氨水反应生成硫酸铵，形成循环，直至大部分的SO₂都被固化排出。

脱硫效率最主要影响因素是喷射反应区的位置，氨水喷射点的位置选取主要考虑以下几个因素：

1)喷射点应该位于窑系统SO₂产生位置之后，根据水泥窑系统SO₂产生机理，生料中的硫化物在300～600℃被氧化生成SO₂气体，主要发生在五(四)级预热器的第二级旋风筒或者六级预热器的第三级旋风筒。

2)脱硫反应区要避免温度过高，因为脱硫产物硫酸铵高温会瞬间分解，造成脱硫效率降低。脱硫剂吸收SO₂后主要产生硫酸铵、亚硫酸铵，亚硫酸铵会被氧化成硫酸铵，硫酸铵在280℃开始分解，在500℃以上具有较高的分解率，在513℃以上完全分解。水泥窑炉第二级旋风筒出口温度一般为350～500℃，第三级旋风筒出口温度为550～650℃。

3)喷射点选取在水泥窑预分解系统内，可以将脱硫反应生成物随生料带入下一级的旋风筒内，参与窑系统的硫循环，甚至直接随孰料直接排出，整个系统投资及运行成本会大幅减少。

因此，本实用新型将喷氨位置设置在第二级预热器旋风口出口处，可以同时满足以上三个要求，达到提高脱硫效率、降低脱硫成本的目的。

本实用新型所涉及的脱硫工艺在开始喷氨水后，SO₂浓度由初始值降至排放限值100mg/m³以下需要20～30min，主要是因为脱硫反应生成的硫酸铵随物料进入更高级的旋风筒内后会产生在高温状态下分解产生N₂、NH₃、SO₂，分解产生的SO2随着烟气向上运动后会重新被氨水吸收，形成一个SO₂的循环。部分SO₂被窑系统内的CaO吸收并氧化生产硫酸钙，进入窑系统参与窑系统自身的硫循环，最终固化排出。因此，开始喷氨水后SO₂不会瞬间降低，会慢慢的减少，实际的工程案例也证明如此。

另外，CaCO₃本身对SO₂的吸收效率很低，但是喷入的氨水中含有水分，水和SO₂反应生成亚硫酸，亚硫酸和和生料中的CaCO₃发生反应生成CO₂和CaSO₃，水的存在会促进CaCO₃对SO₂的吸收效果，CaSO₃在O₂存在的情况下会被氧化成CaSO₄，CaSO₄随物料进入窑系统，参与窑系统的硫循环或被排出。由于水泥窑炉烟气温度一般都比较高，水与SO₂反应停留时间短，因此该部分反应发生的量较少。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、根据水泥窑炉二氧化硫的产生机理，原料中的硫化物在第三级旋风筒附近开始生成二氧化硫，脱硫剂喷射区要位于二氧化硫产生位置之后，以保证脱硫效果，同时要避免喷射区温度过高，直接将硫酸铵分解。因此喷射区一般位于五级旋风筒的第二级出口，提高脱硫效果。本实用新型脱硫效率可达95％以上，脱硫效率高；通过自动控制系统、检测装置实时计算、调整氨水的喷射量，SO₂和氨水中NH3摩尔比1:2-1:2.5，运行成本低。

2、本实用新型所涉及的脱硫工艺可根据二氧化硫排放浓度实时调整氨水流量，实现自动化控制，保证脱硫效率，精确控制氨水流量的同时，避免氨逃逸过高造成设备腐蚀。

3、本实用新型的脱硫剂输送单元采用多级离心泵输送，计量分配系统采用气动调节阀控制流量。输送和计量分配系统集成为一套设备，模块化设计，占地面积小，施工工期短，控制系统可并入到原有脱硝系统，或独立设计一套新的系统，运行管理方便。

4、本实用新型采用双流体喷枪，采用环向旋流的方式将脱硫剂喷入烟道内，保证覆盖面积及停留时间以达到最佳的脱硫效率。

5、本实用新型采用氨水作为脱硫剂，在高温条件下运行，投资成本低，运行稳定，对窑系统的影响较小。

附图说明

图1是本实用新型水泥窑炉烟气脱硫系统示意图。

图2是本实用新型水泥分解炉、水泥窑预分解系统示意图。

图3是实施例一中侧喷式流场分布示意图。

图4是对比例一中直喷式流场分布示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一：

如图1所示，一种水泥窑炉烟气脱硫系统，氨水通过卸氨泵1将槽罐车内的氨水转移至氨水储罐2内，水泥厂内会建有SNCR脱硝系统，采用氨水作为还原剂的脱硝系统会设有卸氨泵及氨水储罐，所以本实用新型一般不另设卸氨泵1和氨水储罐2以节省投资。在氨水储罐出口设有开/停脱硫系统氨水供应的总阀3和开/停脱硝系统氨水供应的第二总阀4，以便随时切换不同系统的氨水供应。

在本实施例中，脱硫系统采用两个离心输送泵5输送氨水，一用一备，通过调节回流阀6调节回流量来控制氨水的输送压力，回流管上的氨水输送压力表7显示氨水输送压力。氨水的流量通过调节气动调节阀8的阀门开度来控制，可根据窑尾在线检测装置实时检测SO₂的浓度来调节阀门开度，达到自动控制的目的。针阀9为检修旁路阀门；另外，当气动调节阀8氨水输送全部打开时氨水的流量仍无法满足要求，可通过针阀9适当补充氨水流量。氨水的流量监测通过电磁流量计10检测。压力开关11检测整个系统的压力，压力过高时会报警关停系统，氨泄露检测仪12检测整个输送系统是否有氨水泄露，保证整个系统的安全。

氨水进入氨水环管17后均匀分布至每一只喷射枪18。喷射枪18采用双流体喷枪，利用压缩空气将氨水喷入烟道内。压缩空气压力位0.3Mpa左右，通过减压阀13来保证压缩空气压力，压力表14显示减压后的压缩空气压力。止回阀15目的是防止氨水倒流至压缩空气管道内。减压后的压缩空气进入压缩空气环管，通过环管均匀分配到每只喷枪。

当氨水进入喷射区，根据高温氨法反应机理及水泥窑炉SO₂产生机理，喷射区温度不能过高，防止硫酸铵分解，还需保证所有的炉内产生的SO₂都经过反应区域，最合适的位置位于二级旋风筒出口烟道上，如图2所示。

如图3所示，设六支喷射枪，第二级预热器旋风筒的直径为6m，喷射枪雾化距离均取3.5m，喷射角度为30°，采用侧喷式喷射枪，偏转角度α为19°，则六支直喷枪的烟道截面氨水喷雾覆盖率为44.66％。

侧喷枪喷射角度α的选取方式为：根据喷枪数量n将烟道直径等分为n个喷射点，连接相邻喷射点AB，取AB的中线C，连接OC，OC的中点D与喷射点A的连线为喷射中心线，AD与OA的夹角为喷射角α，经过计算，该喷射角的覆盖面积较直喷式喷枪的覆盖面积有较大提升，从而达到提高反应效率，降低氨水耗量的目的。

对比例一：

如图4所示，设六支喷射枪，采用直喷式设置，即第二级预热器旋风筒的直径为6m，喷射枪雾化距离均取3.5m，喷射角度为30°，其他与实施例一中相同。经计算，六支直喷枪的烟道截面氨水喷雾覆盖率为34.95％。

实施例一和对比例一比较：

经对比，采用侧喷式喷射枪相对与直喷式设置，覆盖率比直喷式喷枪增加了9.71％，从而达到提高脱硫反应效率，降低氨水耗量的目的。

实施例二：