煤矸石電廠爐內外聯合高效脫硫技術研究

文 // 陳渝飛 葉培祥 黃鐵軍 四川華鎣山廣能集團四方電力有限責任公司

煤矸石是在煤礦建設、煤炭開采和加工過程中產生的廢棄物，是目前我國排放量最大的固體廢棄物，占全國工業固體廢棄物的20%以上。華鎣山礦區內鈣質型煤矸石發熱量低于1500kcal/kg，含硫量超過5%，但其中石灰石（CaCO3）含量高達50%。如能夠直接利用煤矸石中的石灰石成分脫硫，不僅降低煤矸石發電煙氣達標排放的治理成本，還能增加煤矸石發電的資源綜合利用量和發電量。

1 燃煤鍋爐爐內固硫技術研究

1.1 爐內固硫化學反應機理

燃煤鍋爐爐內固硫的原理是：燃煤鍋爐煤燃燒過程中生成的SO2，遇到堿金屬物CaO、MgO等時，生成CaSO4、MgSO4等而被脫出，隨鍋爐灰渣排出鍋爐，從而降低煙氣中SO2的排放濃度。

采用石灰石（CaCO3）作為脫硫劑是燃煤電廠普遍采用的脫硫方法。該方法就是在煤燃燒過程中，煤中加入的石灰石分解生成石灰（CaO），CaO在氧化性氣氛下與煙氣中的SO2及氧反應生成硫酸鈣（CaSO4）。

1.2 循環流化床鍋爐

循環流化床燃燒系統主要包括爐膛、氣固分離器和返料器這三個關鍵部件。循環流化床爐燃燒分布在整個爐膛范圍內，爐膛溫度上下均勻；被煙氣攜帶出爐膛的物料被分離器分離后經返料器返回爐膛，物料如此反復循環燃燒；鍋爐熱容量大、燃燒溫度便于控制、燃燒效率較高、適用低熱值煤矸石做為燃料。

由于循環流化床鍋爐的工作特點，燃料在循環流化床中燃燒時，被煙氣帶走的細顆粒能在循環灰分離器中被分離出來并送回爐內再進行反應，延長了脫硫劑的停留時間；其次，流化床整個爐膛范圍內，爐膛溫度上下均勻，剛進入爐膛內的新鮮燃料和脫硫劑顆粒能在瞬間即被加熱到爐膛溫度，而且在整個固體物料的循環系統內溫度分布均勻，使得脫硫劑和SO2的反應能在整個爐膛和分離器內進行；還有，在爐膛內的內循環和整個物料通過分離器的外循環過程中，脫硫劑的顆粒會被因為顆粒間的碰撞發生破碎而出現新的反應表面，增加煤中硫分燃燒后在煙氣中形成SO2的接觸反應面積；這一切大大改善了脫硫性能，提高了脫硫劑的鈣利用率，可以達到比一般鍋爐更高的爐內脫硫效率。用循環流化床加石灰石脫硫時，當Ca/S=1.5～2.0，可以達到90%的脫硫效率。

1.3 影響燃用煤矸石流化床鍋爐爐內固硫效率的因素及措施

循環流化床鍋爐的燃燒和脫硫過程十分復雜，影響脫硫效率的因素很多，使用低熱值煤矸石做為入爐燃料的流化床鍋爐爐內脫硫主要影響因素如下：

①使用燃料發熱量不高但含硫量偏高，摻入石灰石后降低入爐燃料發熱量，影響鍋爐燃燒。

②爐膛溫度偏離石灰石分解生成石灰的最佳反應溫度850℃，石灰生成量不足。

③粗顆粒石灰石生成的粗顆粒石灰，不能與SO2充分接觸反應，就被排出鍋爐，爐內固硫效率低。

1.3.1 爐膛溫度

爐膛溫度對循環流化床鍋爐脫硫效率有很大影響。爐膛溫度的變化直接影響到脫硫劑的反應速度、固體產物分布及孔隙堵塞特性，從而影響脫硫劑的利用率。為了保證爐內石灰石分解生成石灰所要求的溫度水平，鍋爐必須控制在850℃低溫燃燒，為了保證煤炭的燃盡率，選擇高溫分離器替代原來的中溫旋風分離器，增加回收效率，同時回收回來的灰具有較高溫度，不會降低鍋爐燃燒室的溫度水平，為鍋爐低溫燃燒提供技術保障。

1.3.2 鈣硫摩爾比（Ca/S）

如圖1所示，在煤燃燒過程中采用石灰石脫硫，由于反應過程中CaCO3顆粒轉變成CaO顆粒時其摩爾體積縮小45%，因而使原CaCO3內的自然孔隙擴大了許多，這有利于多孔隙的CaO與SO2反應生成CaSO4。但是，由于由CaO轉變成CaSO4的反應過程其摩爾體積增大180%左右，在反應一開始，就會在CaO的表面生成一層厚度為32μm的致密CaSO4薄層。這一CaSO4薄層的孔隙比SO2分子的尺寸小，從而阻礙了SO2進入CaSO4薄層進一步擴散到CaO顆粒內層進行反應，所以在煤燃燒過程中用石灰石脫硫時，其鈣利用率通常較低，如果要達到較高的脫硫效率，應投入比化學當量多得多的石灰石。一般流化床鍋爐脫硫時的鈣硫摩爾比（Ca/S）在2～3的范圍內。

1.3.3 脫硫劑顆粒粒徑

石灰石粒徑大時其脫硫效率明顯下降，這主要是因為脫硫劑的反應表面積小而鈣利用率低。但石灰石顆粒的粒徑也不能太細，因為現在常用的循環灰分離器只能分離出粒徑大于75μm的顆粒，而小于75μm的顆粒由于不能再返回爐膛而降低了利用率。一般燃煤鍋爐爐內噴入的石灰石粒徑控制在0～2mm，平均100～500μm的粒徑為宜。

圖1 石灰石在煤燃燒過程中的脫硫原理

2 利用煤矸石中高含量石灰石脫硫存在的問題及解決措施

2.1 利用煤矸石中高含量石灰石存在的問題

為了保證鍋爐的燃燒效率，使用煤矸石做燃料的循環流化床鍋爐，燃煤粒徑一般在0～13mm之間。這樣，煤矸石中石灰石反應生成的CaO，受與SO2反應生成的致密CaSO4薄層影響，阻礙了SO2進入CaSO4薄層進一步擴散到CaO顆粒內層進行反應，降低爐內固硫效率。大量CaO隨鍋爐爐渣排除爐外。

2.2 爐渣中CaO分離技術

爐內大量未及時地、充分地與SO2反應的CaO，隨著爐渣排出爐外，通過機械轉運至渣倉后裝車外運。為了將爐渣中的CaO分離回收利用，設計在機械轉運環節，對灰渣進行弱酸性水水洗，酸性水進入CaSO4薄層進一步擴散到CaO顆粒內層進行反應，CaO顆粒迅速膨脹爆裂，與水充分接觸全部反應生成含堿性物質Ca(OH)2的堿漿液。

2.3 利用堿液進行尾部煙氣濕法脫硫

在小型煤矸石電廠，對鍋爐尾部煙氣中SO2常采用拋棄法石灰濕法脫硫，將Ca(OH)2石灰稀漿從脫硫塔內布置的噴嘴中噴入，與通過塔體的煙氣接觸，煙氣中的SO2溶入水溶液中，并被其中的堿性物質中和，從而脫除煙氣中的SO2。

3 改造煤矸石電廠爐內爐外干濕法聯合脫硫系統實例

圖2 脫硫水洗石灰系統簡圖

廣能集團綠水洞電廠現有兩臺高溫分離循環流化床鍋爐，其設計入爐燃燒值為12000～15000kcal/kg。鍋爐采用尾部煙氣拋棄法石灰濕法脫硫，脫硫劑購置含鈣80%以上的石灰制備成漿液。鍋爐排渣在撈渣機中水冷后經大傾角皮帶輸送機運至渣倉。

在該系統中，一方面電廠外購石灰做為爐外煙氣脫硫的脫硫劑原料；另一方面爐內大量未及時、充分地與SO2反應的CaO隨著爐渣排出爐外，通過機械運至渣倉后裝車外運。為了利用灰渣中的CaO，電廠對爐內爐外脫硫系統進行高效聯合脫硫設計改造。在原有排渣和爐外煙氣脫硫系統之間新建脫硫水洗石灰爐外脫硫系統。

該系統中，脫硫塔出水經過沉淀池沉淀后的酸性清水，由脫硫泵不停地向撈渣機內注入，使撈渣機灰渣與水充分接觸，水從灰渣中CaSO4薄層進一步擴散到CaO顆粒內層，全部反應生成堿性物質Ca(OH)2，然后將這些富含Ca(OH)2的水通過石灰水池水泵注入脫硫塔脫硫，發生反應Ca(OH)2+SO2→CaSO4+H2O，充分脫除煙氣中的SO2，其系統結構如圖2。

在該系統的沉淀池中，部分未與SO2反應的Ca(OH)2在此積聚沉淀，定期用橋式起重機將其抓出，堆放在灰坪內自然風干后，轉運至煤坪，與煤矸石充分混合后進入鍋爐再次利用，此時，石灰物質的粒徑已基本在0～200μm，完全達到爐內脫硫窄篩分的要求，能對爐內脫硫起到理想的效果。

4 結束語

近年來，國家鼓勵循環流化床鍋爐用戶燃用當地劣質煤，合理利用國家能源，改善環境質量。綠水洞電廠在現有燃料篩分制備系統情況下，有效利用本地區煤矸石中石灰石成份重（50%以上）這一優勢，有效地降低燃煤及發電成本，獨創了一套爐內固硫，爐外灰渣分離石灰綜合脫硫系統，有效的提高了脫硫效率，達到了不外加脫硫劑、不對脫硫劑單獨破碎篩分就能達到環保要求的目。