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水泥窑系统二氧化硫（SO₂）排放浓度过高，通常是由多种因素共同作用导致的。下面系统地分析原因，并提供相应的预防与控制措施。

一、二氧化硫（SO₂）的主要来源有两个：

1、原料硫：这是最主要的来源。石灰石、黏土、砂岩等原料中含有的硫化物（如FeS₂，黄铁矿）和硫酸盐（如CaSO₄·2H₂O，石膏）。

2、燃料硫：煤等燃料中含有的硫分，在燃烧时会被氧化成SO₂。

二、SO₂浓度高的主要原因分析

1、原料方面

原材料中黄铁矿（FeS₂）含量高是导致SO₂瞬时峰值飙升的最常见原因。黄铁矿在500-600℃的预热器系统（通常是C3或C4级旋风筒）中会迅速分解氧化，生成大量的SO₂。反应式为：4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂

硫酸盐（如石膏）含量高：硫酸盐在高温下（>1050℃）会分解生成SO₂，但这部分贡献通常小于黄铁矿。如硫酸钙CaSO4在1350～1400℃时能完全分解。但如果有碳素（煤粉）存在时，分解温度便大大降低：

CaSO4 + 2C = CaS + CO2

CaS + 3CaSO4 = 4CaO + 4SO2

2CaSO4 + C = 2CaO + 2 SO2 + CO2

如果进厂原料质量控制不严，原料成分波动大，导致某一批次的含硫原料进入生产系统，会引发SO₂排放的剧烈波动和超标。一般入窑生料的全硫含量控制在0.8%以下，基本能控制SO₂的排放。

2.工艺与操作方面

1）、预热器温度控制不当可能导致SO₂超标，如C3、C4级旋风筒温度过高，会加速黄铁矿的分解，导致大量SO₂在预热器内生成。FeS2的分解反应是一个吸热反应，意味着它需要吸收热量才能进行。温度是影响这一反应的重要因素。根据资料显示，FeS2在高于400℃时开始分解，而在900℃时，分解反应最为显著。这表明在900℃的高温下，FeS2几乎完全分解。

2）、窑炉系统气氛不当，局部缺氧：在窑尾烟室和分解炉底部如果出现还原性气氛（缺氧），原料中的硫酸钙（CaSO₄）会被还原成CaO和SO₂，这部分SO₂进入上部温度较低的预热器后，无法被有效吸收，直接排出系统。硫酸钙在还原气氛中的分解方程式为：

CaSO4(高温)=CaO+SO2↑+1/2O2↑。

3）、过剩空气系数不足，如果总风量不足也会导致系统内出现还原性区域。

4）、内循环效应减弱：正常情况下，在预热器下部（C5级）和分解炉中生成的SO₂会与新鲜分解出来的高活性CaO反应，生成CaSO₄，这部分CaSO₄随物料再次进入窑内，形成“内循环”，从而固定住硫。但如果分解炉温度过低：CaCO₃分解不充分，生成的CaO少，吸收SO₂的能力不足。

6）、生料易烧性差，需要更高的煅烧温度，可能导致硫酸盐在窑内高温区分解。

7)、窑尾温度过低：不利于硫碱的稳定循环，使得SO₂逃逸。

8）、生料喂料和喂煤不稳定：大幅度的波动会破坏系统热工制度和气氛的稳定，导致SO₂控制失效。

3. 燃料方面

如果使用的煤种硫分超标，燃烧后直接增加了系统的SO₂总负荷。同时，煤的不完全燃烧会产生CO，造成还原性气氛，如同前面所述，会促使硫酸盐分解。

三、预防与控制措施

针对以上原因，可以采取“源头控制、过程优化、末端治理”的综合策略。

1、源头控制

做好石灰石预均化工作，对石灰石等主要原料进行预均化堆放，稳定入磨原料的化学成分，避免硫含量的剧烈波动。将高硫原料与低硫原料按比例搭配使用，控制入窑生料的总硫含量（通常建议控制在SO₃< 0.8%以下，具体视系统承受能力而定）。在条件允许的情况下，优先选择低硫品位的矿山或原料供应商。同时，控制燃料品质，采购和使用低硫煤，严格控制入厂煤的硫分指标。

2、过程优化与操作调整

1）、优化配料方案：

适当提高生料的碱度（SM）或铝率（IM），可以增加液相量，有助于在窑内形成更稳定的硫碱化合物（如2CaSO₄·K₂SO₄），将其固定在熟料中带出系统。

2）、精确控制工艺参数：稳定预热器温度：防止C3、C4级温度过高，避免黄铁矿过早大量分解。确保氧化气氛：适当加大窑尾高温风机拉风，保证分解炉和窑尾烟室处于充足的氧化气氛中，防止硫酸盐的还原。监控O₂和CO含量。

3）、提高分解炉温度和效率：确保生料在分解炉内分解率达到90%-95%以上，产生足量的高活性CaO来吸收SO₂。

4）、稳定操作：保持喂料、喂煤、风量等参数的稳定，维持整个系统热工制度的稳定。

四、末端治理

目前，水泥行业降硫措施主要有以下几种：

1、氨-硫酸铵法脱硫工艺 

该工艺系统中，烟气中的二氧化硫与硫酸铵饱和浆液充分混合后被吸收，通过控制反应区内的浆液pH值范围，脱硫塔内发生以下反应。 

（1）二氧化硫与水的吸收反应 

SO₂+H₂O=H₂SO₃

 H₂SO₃+（NH₄）₂SO₄=NH₄HSO₄+NH₄HSO₃

_{(2）氨在浆液里的中和反应} 

H₂SO₃+NH₃=NH₄HSO₃

NH₄HSO₃+NH₃=（NH₄）₂SO₃

NH₄HSO₄+NH₃=（NH₄）₂SO₄

（3）亚硫酸铵强制氧化为硫酸铵的化学反应 

（NH₄）₂SO₃+1/2O₂=（NH₄）₂SO₄

烟气中的水不断蒸发，硫酸铵固体从溶液中结晶析出。

2、氧化镁（锌）法脱硫工艺

该工艺系统包括浆液制备、吸附与氧化装置、悬浮体分离机等设备，使用氢氧化镁Mg（OH）₂或氧化镁MgO作为脱硫剂，其工作流程为：在脱硫塔内，将烟气中的二氧化硫和氢氧化镁浆液完全混合吸收后，对塔底的浆液进行强制氧化处理，再通过分离设备进行分离，工艺副产物硫酸镁按工业废弃物处理。 

该工艺脱硫效率较高，但会产生大量废弃物，且系统耗水量巨大。

3、石灰石脱硫工艺

该工艺是二十世纪末兴起的一种半干法脱硫技术，其工艺流程为：在反应器内喷水使石灰石表面包裹一层水膜，进入石灰石循环流化反应器内的含二氧化硫气体与脱硫剂接触，二氧化硫在水的存在下与碳酸钙发生化学反应，在石灰石表面生成亚硫酸钙。反应过程如下：

SO₂+CaCO₃+1/2H₂O=CaSO₃·1/2H₂O+CO₂

在温度适宜时，亚硫酸钙可进一步生成硫酸钙，反应过程如下：

CaSO₃·1/2H₂O+1/2O₂+3/2H₂O=CaSO₄·2H₂O

吸附在石灰石表面的硫酸钙及亚硫酸钙经筛选，与未参与反应的石灰石颗粒分离，筛选出的石灰石颗粒与新加入脱硫系统的石灰石混合均匀，再次进入系统循环使用。

4、喷射熟石灰粉Ca(OH)₂：原理与喷生料类似，但Ca(OH)₂的活性更高，脱硫效率也更好，成本介于喷生料和喷小苏打之间。

5、石灰石-石膏湿法脱硫工艺 

石灰石-石膏湿法脱硫工艺为基础，融合了常规的水泥窑炉工艺，主要由烟气非标系统、脱硫剂制备系统、脱硫塔系统、石膏脱水系统、工艺水制备系统等子系统构成。烟气经窑尾袋除尘器后，由尾排风机进入脱硫塔内并作上升运动，浆液经循环泵上升至喷淋层并向下喷淋，同时，由氧化风机在塔底鼓入过量的空气，使浆液中的亚硫酸钙完全氧化为硫酸钙。主要包括如下反应： 

H₂O+SO₂=H₂SO₃

CaCO₃+H₂SO₃=CaSO₃+CO₂+H₂O

H₂O+1/2CaSO₃=CaSO₄

CaSO₄+2H₂O=CaSO₄·2H₂O

经脱硫剂洗涤脱硫后的湿烟气，向上方继续运动，由除雾器去除过量雾滴后，经脱硫塔出口引至烟囱排放。

脱硫后产生的浓浆由石膏排出泵送往石膏脱水系统处理，经旋流器进行一级脱水，含较少细颗粒石膏的一级脱水浆液溢流后返回塔内，含有较多石膏颗粒的浆液则因重力作用落入真空胶带机进行二级脱水。石膏库可暂存脱水处理后的石膏。

石灰石-石膏湿法脱硫工艺运行稳定，应用广泛，适用于任何浓度的含硫烟气脱硫，脱硫效率可达 99.9%，尤其是在烟气量较大的工况应用时，优势更加明显。

总之，控制水泥窑SO₂的核心在于“管好原料，稳住工况，强化内循环，必要时辅以末端治理”。通过系统性的分析和综合施策，完全可以有效解决SO₂排放高的问题。