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在国家“双碳”政策的推动下，水泥企业加大协同处置生活垃圾、一般工业固废、危险废物等替代原燃料成为趋势。但是，其带入的硫、氯、碱等有害元素会威胁到水泥窑的正常运行和产品质量，所以很多水泥企业利用除氯系统来解决这一难题。蓝天众成公司从窑尾烟室抽风后在汇风箱内与鼓入的冷空气进行混合冷却，然后进入旋风筒进行初步收尘，收下的粉尘回到分解炉中，旋风筒顶部出去的热风进入强制冷却器进行第二次冷却，最后经过袋收尘器处理；天津水泥工业设计研究院有限公司从烟室中抽取烟气首先经过旋风筒进行收尘，收集的粉尘返回分解炉，出旋风筒的高温烟气再与冷空气混合急冷，急冷后的烟气再经过收尘器进一步处理；中国中材国际工程股份有限公司抽取烟室烟气后，在上行管道内设置雾化喷枪进行水冷降温，然后再经过袋收尘器处理。

综上，目前绝大部分水泥企业的除氯系统都采用风冷且经过两次分段冷却，水冷及其运行情况的鲜有报道。本文介绍了某水泥厂水冷式除氯系统的工艺流程、设备选型，并根据实际运行情况进行了跟踪分析和技术优化，供同行学习参考。

除氯系统从窑尾烟室取风，经过喷雾急冷室冷却后，通过袋式收尘器收集细灰。喷雾急冷室底部的粗灰可回窑，收尘器收集的细灰可水洗提盐，工艺流程如图1所示。由于水的比热容远远大于空气比热容，所以水冷式除氯系统相比较风冷式除氯系统，其流程简单、主机设备小、运行费用低、占地面积少、施工快、投资省。

图1　水冷式除氯系统工艺流程

2.1　项目概况

某工厂3 000 t/d熟料生产线，配套了固废协同处置系统（包括污泥、一般固废、危险废物等）。因受原料资源限制，其入窑生料氯离子平均为0.041%，超过了水泥窑生料有害成分氯含量的限值，所以需要采取除氯系统解决上述问题。

本项目除氯系统设计的放风比例为12%，烟室温度为1 100 ℃。参照GB/T 26281—2021《水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法》计算系统的热平衡，考虑系统漏风、表面散热、结皮等相关因素的影响，从而确定系统设备的配置，见表1。

表1　除氯系统主机设备

2.2　运行效果

工厂启用除氯系统后，除氯效果非常明显，烧成系统结皮情况得到了较大改善，固废投烧量有了较大提高。在窑产量2 350 t/d的情况下，固废投喂量为168 t/d，热替代率达33.35%。除氯系统采用24 h运行模式，旁路灰约12 t/d，不同物料有害成分含量见表2。

表2　不同物料有害成分含量

从表2可以看出，热生料/熟料倍率：Cl-＞K2O＞Na2O＞SO3，说明通过除氯系统从烟室带出的烟气中，气态的氯更容易与碱结合生成氯化盐，与氯结合后剩余的碱再与硫结合生成硫酸盐及其复盐。挥发率：Cl-＞K2O＞Na2O＞SO3，这主要是因为氯化盐的沸点较硫酸盐的低，更容易从物料中挥发出来，所以表现在熟料中的硫含量较碱和氯高；同时，氯化盐的熔点较硫酸盐的熔点低，在除氯系统喷雾急冷室的急冷作用下，更容易冷凝转化为固态，所以表现在旁路灰中的硫含量较碱和氯低，这也验证了除氯系统放Cl-的效率较放SO3更高。另外，K2O的热生料/熟料倍率是Na2O倍率的2.11倍，这是因为受矿产资源元素分布特点的影响（K2O的含量高于Na2O），而且KCl熔点较NaCl更低，更加容易急冷生成KCl。一般没有除氯系统时，Cl-的热生料/熟料倍率在50左右，甚至更高，所以从数据上可以看出，除氯系统降低了Cl-的热生料/熟料倍率，说明除氯系统对放氯有效果。实际生产中Cl-在水泥窑内的挥发率一般在99%以上，而该工厂Cl-的挥发率偏低，可能是液相提前出现，引起部分Cl-被包裹在物料中而无法挥发出来，从而表现为熟料中的Cl-偏高。

2.3　技术优化

该工厂的除氯系统运行一段时间后，会出现喷雾急冷室结皮，引起系统压差增加，从而被迫停机处理。另外，随着国家超低排放的环保政策越来越严，特别是今年《关于推进实施水泥行业超低排放的意见》的发布，对水泥行业的排放明确了时间和相关指标要求，这对除氯系统的尾排烟气接入窑尾烟囱排放带来了压力。

2.3.1　热风管道优化

为了找出喷雾急冷室的结皮原因并加以改进，结合CFD软件对烟气流场进行了模拟和分析，改造前后急冷室模型见图2。图中不同颜色代表不同的速度，线条为烟气运动的轨迹。

图2　改造前后急冷室模型图

从改造前模型图可以看出，高温热烟气直接冲刷喷雾急冷室的内壁，近壁处最大风速约12 m/s，浇注料磨损较大，且近壁处的气流压力集中，阻力较大。由于烟气流动的惯性，部分烟气沿内壁产生了横向涡流，从而导致烟气在喷雾急冷室内分布不均，形成了两柱涡流空腔，所以雾化的液滴与气流的热交换不彻底，冷却效果较差，引起了喷雾下方结皮，导致生产运行无法持续。

从改造后模型图可以看出，喷雾急冷室进口进行喇叭口改造，使喷雾急冷室内的烟气横向涡流强度降低，近壁处的最大流速减小，且近壁处的气流压力较分散，减缓了对浇注料的冲刷，阻力减小。形成的纵向涡流表现在急冷室进口及下1 m内气流分布略不均匀，向下由于气流的逐渐扩散，气流很快均匀分布，使得雾化的液滴能够很好地与之进行热交换，冷却效果得到了提高，同时，均匀的气流与急冷室内壁没有激烈碰撞，大大减小了结皮的概率。

2.3.2　喷雾系统优化

为了后续超低排放更好地实施，在喷雾急冷室前端增加控温风门和氨水喷枪，保持水泥窑和除氯系统稳定运行的一段时间内，考察不同氨水流量下的除氯系统尾排烟气的排放情况，试验结果如表3所示。

表3　除氯系统尾排烟气

注：“L”表示项目未检出，报出结果为该项目的方法检出限。

由表3可知，无论氨水流量如何，在水冷式除氯系统的尾排烟气中均未检测出二氧化硫，这可能是因为水蒸气的存在，促进了二氧化硫与氧化钙发生反应，从而被袋收尘器捕集下来。还可以看出，除氯系统尾排烟气中的氮氧化物浓度随着氨水流量的增加而呈现先减小后增加的趋势，这可能是因为在氨水添加量较低时，流量小雾化效果更好，其与烟气接触更充分，能够促进脱硝反应；当氨水添加量增加到一定程度时，可能烟气中的氧与过量的氨发生反应生成了氮氧化物，同时流量大雾化效果差，接触不充分，只有部分氮氧化物参与脱硝反应，所以氮氧化物浓度反而上升。

随着水泥厂不断增加替代燃料的投烧，而市场上替代燃料的质量参差不齐，加上新国标《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2023）的强制性约束，所以除氯系统将来可能成为水泥厂的标配。针对不同工厂的不同需求和实际情况，确定不同类型冷却方式的除氯系统。但是，为了更好地处理除氯系统尾排烟气中的氮氧化物，单独设置SCR系统对于企业而言显得不划算，而风冷式除氯系统因为没有合适的氨水反应温度区间、窑头篦冷机高温段不能完全接受消纳等原因，从而无法很好地实现NOx超低排放，所以通过本项目水冷式除氯系统进行了初步尝试。另外，摸索出最优的运行条件（低氨水消耗的低氮稳定运行）、匹配好后端的水洗提盐等相关问题需要进一步深入研究。