水泥厂窑尾袋除尘器酸结露现象的分析和研究

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。

4 防腐蚀的对策

影响水泥厂窑尾设备腐蚀的因素很多，但最直接的原因是烟气中含有SO2 等酸性物质和烟气温度接近酸露点，甚至低于酸露点，致使烟气中水蒸气发生冷凝，在金属表面析出冷凝水，形成酸液腐蚀设备[4]。

控制酸腐蚀最有效的措施是改进工艺系统和操作方法，减少或避免出现冷凝现象。但水泥厂实际生产中，烟气全部用于余热发电，再通过立磨烘干和粉磨物料后，窑尾除尘器进口温度大多低于酸露点温度。减少酸腐蚀具体措施如下：

4.1 增加生料磨运转率，减少进入除尘器的SO3

现在大多数情况下，NSP 窑的烟气全部用于余热发电后，再通过生料磨烘干和粉磨物料。由于烟气和磨内物料（大部分是石灰石细粉）均匀接触，烟气中绝大部分SO3 会被物料所吸收，烟气的酸露点将会大幅度提高，所以提高生料磨运转率有利于提高窑尾烟气酸露点温度，也利于减少设备的酸腐蚀。

4.2 控制好除尘器进口烟气温度，降低漏风率

1）提高除尘器进口温度

由于水泥厂的原料无法变化，烟气中含有的SOx浓度是稳定的，酸露点温度也是相对固定的，提高除尘器进口温度是减少酸腐蚀关键措施之一。

除尘器温度过低还会造成烟气中水分冷凝析出。特别是北方的水泥厂冬天温度特别低，除尘器进口温度低于110 ℃，很难保证除尘器顶部不低于100℃，大量酸性气体会和析出冷凝水分形成酸液，该酸液的腐蚀性远远强于酸性气体的腐蚀。

根据相关经验建议，冬天时除尘器温度南方的水泥厂不低于120 ℃，北方的水泥厂不低于130 ℃。

2）降低漏风率

漏风是造成除尘器腐蚀的原因之一。除尘器密封性的好坏主要取决于壳体。要使壳体保持良好的密封性，必须保证其制造、安装质量。人孔门和检查孔处最容易漏风，建议采用双层门，密封可以采用耐热硅橡胶。

输灰系统的漏风是一个特别容易被忽视的位置，可以考虑多增加部分回转卸料器或翻板阀来减少漏风率。

3）加强除尘器顶部保温

大多数水泥厂袋除尘器采用顶部检修、换袋，这种结构容易造成保温不完整，门盖漏风、结露现象。改造设计时，建议采用大门配小门的双层门组合模式，减少顶部散热和漏风现象。

4.3 加强除尘器的保温

由于窑尾除尘器进口温度不高，保温变得愈发重要。但很多水泥厂由于对除尘器保温重视不够，材料质量差、施工水平低，使用一段时间后，保温材料大面积脱落，致使壳体内、外壁的温差较大而产生冷凝水，造成壳体和靠近壳体的内部构件被腐蚀。保温层的材质和厚度应根据当地最低气温和除尘器进出口气体温差以保证≯ 30 ℃为宜，并通过计算确定。

4.4 采用耐腐蚀材料

除尘器的部分位置和主要部件，如花板、龙骨等可采用不锈钢材。但不锈钢材只抗硫酸，不抗盐酸。当出现酸性气体会和析出冷凝水分形成酸液时，不锈钢材仍会有腐蚀，只是腐蚀的速度比普通钢材缓慢。对于大型窑尾袋除尘器而言，采用不锈钢材材质，价格将十分昂贵，大多用户难以接受。

水泥厂的SOx浓度大多数在300~1 200 mg/Nm3范围内，远小于很多行业的浓度。壳体、花板、袋笼可考虑采用考登钢（ND钢）代替昂贵的不锈钢，虽然这种钢材不如不锈钢耐腐蚀，但是价格却便宜得多。美国对考登钢的研究表明，耐蚀率为一般低碳钢的20 倍。我国相关资料也表明，考登钢耐蚀性为Q235钢的2.5 倍，若采用高性能考登钢，耐蚀效果会更好。考登钢的价格只比普通Q235钢贵20%。

4.5 采用防腐蚀涂层

防腐蚀涂层有多种，壳体现在常用的是铝粉有机硅高温防腐漆，涂两层WE61-400（耐温300 ℃），每层膜厚约60 μm。袋笼采有机硅喷涂。

5 结束语

随着国家对矿山的管控，水泥厂原料中硫含量波动越来越大，窑尾袋除尘器的腐蚀现象越来越多，也越来越严重。若要控制和减少腐蚀，保证窑尾烟气温度都高于酸露点是最关键因素，同时减少除尘器顶部冷凝现象、降低漏风率、采用耐腐蚀材料和防腐涂层也是减少腐蚀重要措施。本文的分析和研究结果对设计和实际运行具有一定的参考价值。