水泥厂窑尾袋除尘器酸结露现象的分析和研究

枣庄大气网讯:摘要:分析了水泥厂窑尾袋式除尘器酸结露、酸腐蚀的原因,估算了水泥窑尾烟气在不同SO2 浓度下的烟气酸露点;并结合水泥行业实际情况,针对避免和减少袋除尘器酸结露和腐蚀问题,提出保证窑尾烟气温度高于酸露点减少冷凝现象、降低漏风率、采用耐腐蚀材料(推荐考登钢)和采用防腐涂层等一系列相关措施。

1 除尘设备酸腐蚀的现状

随着国家对矿山开采的限制以及优质石灰石存量的减少,很多水泥厂不得不使用低品位石灰石,其含硫量为0.2%~2.0%。由于目前水泥行业中大量余热发电项目的实施,使得窑尾烟气温度越来越低(<110 ℃),窑尾除尘器、风机、烟囱出现严重的酸腐蚀现象(如图1所示)。水泥行业开始关注并尝试解决SOx排放问题。

2 腐蚀的原因分析

2.1 硫的转化

(1)燃料硫。水泥厂燃料大多采用破碎后的煤粉,煤粉中含有硫化物、硫酸盐和有机硫。煤粉喷在分解炉或回转窑内,分解炉中存在大量的活性CaO,同时温度处在高温脱硫反应的温度区间,因此产生的SO2 或SO3 气体可以在分解炉被CaO吸收或在过渡带和烧成带与碱结合生成硫酸盐。可以说正常情况下,燃料中的硫很少会影响窑尾烟气硫的排放。

(2)原料硫。水泥厂原料中的硫化物大部分为黄铁矿和白铁矿(两者均为FeS2),还含有少量单硫化物(如FeS),该类硫化物会在500~600 ℃发生氧化反应生成SO2,位置位于C2或C3 旋风筒处。原料中还含有部分硫酸盐(CaSO4或CaSO4·2H2O),这两种矿物质在低于1 400 ℃下很稳定。

2.2 SO3 的产生

SO3 的生成非常复杂,主要是原子氧的作用而生成SO3,而原子氧主要是在燃烧反应中形成的。如:CO+O2→CO2+O H+O2→OH+O

这些原子氧很活泼,容易将SO2 转化成SO3。另外,氧分子、二氧化碳及金属氧化物在高温辐射下,其中一部分也会分解出原子氧而使SO2 转化成SO3。当压力一定时,SO2 转化成SO3 的平衡曲线如图2 所示。从图2 可以看出低温时对转化成SO3 有利,在850 ℃以上的高温下,SO3 几乎不产生。

图3 为各种催化物质的作用下SO2 转化成SO3 与温度的关系。从图3 可以看出,催化物质作用一般只发生在500~800 ℃之间,其中Fe2O3 和烟尘对转化所起的影响最为显著。对于化工行业来说,转化率一般为3.2%~8.7%,对于重有色冶金来说,转化率一般为6%~10%,燃煤在燃烧过程中,绝大部分都是气态SO2,仅有1%~5%的SO2会被氧化成SO3。

水泥生产工艺中,由于C2 或C3 旋风筒存在着Fe2O3、Al2O3、SiO2 和烟尘等催化物质,烟气里的SO2有一部分会转化成SO3。其中SO3 生成量的多少取决于SO2 的浓度、烟尘成分和流量、预热器的温度分布以及过剩空气量等。水泥熟料生产整个工艺是碱性环境,SO3 生成后部分会被生料粉吸收,最终有多少SO3 会进入窑尾烟气净化系统中,并无具体数据,这需要根据具体工程或项目进行测定。建议设计选型时暂按重有色冶金的转化率作为参考(6%~10%),计算SO3量和烟气酸露点。

3 酸露点的计算

气态SO3 对设备几乎不发生腐蚀,但当它与烟气中水蒸气结合形成硫酸蒸汽时,却大大提高了烟气的酸露点,并在结露部位发生气液相转变,凝结成硫酸液滴腐蚀设备。

影响烟气酸露点温度的因素很复杂,目前尚没有烟气酸露点的理论计算公式,一般皆由试验取得,或通过试验加上理论推导等方法确定。Müller[2]在1959 年使用热力学关系式计算了含有很低浓度H2SO4 蒸气的烟气的酸露点,并为许多研究者的试验所证实。Müller曲线是现在评价各种酸露点测量方法的基础。

荷兰学者A.G.Okkes[3]根据Müller试验数据提出,式(1)中原文分压单位均为标准大气压。文献比较了式(1)计算结果与该文中由碳、硫含量及过量空气系数绘制的计算图确定露点结果,两者相差不到1.5 ℃,式(1)计算精度比较高,适用范围广。

考虑到生料磨运行时,窑尾烟气中SOx的浓度会大幅度下降,计算酸露点时,只需考虑生料磨停止运行时的SOx的浓度。水泥厂的生产工艺和某些重有色冶金相似,根据经验和相关资料SO2 转化为SO3 的转化率介于6%~10%之间。为了考虑窑尾相关设备的安全,在没有SO3 浓度数值时,计算烟气酸露点温度时建议采用6%的转化率。根据公式(1)计算出不同SO2浓度下酸露点值,具体数据见图4。

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