煤燃燒過程中的脫硫技術及其機理研究

李進

【摘 要】煤炭燃燒過程中對二氧化硫的治理分為燃燒前、燃燒中、燃燒后三個過程，本文對燃燒中的脫硫技術及其機理進行了系統分析。

【關鍵詞】脫硫技術；氣態污染物；有效反應溫度；水合工藝；可持續發展；循環經濟；綜合效益

0 引言

在對大氣質量造成影響的各種氣態污染物中，二氧化硫煙氣的數量最大，且影響也最廣。因此，二氧化硫成為影響大氣質量的最主要的氣態污染物。很多國家和地區，往往也把二氧化硫作為衡量本國、本地區大氣質量狀況的主要指標之一。

1 石灰石直接噴射法

石灰石直接噴射進鍋爐的停留時間很短，因此在硫氧化物脫除過程中，必須要在較短時間內進行鍛燒、吸附和氧化三種不同的反應。

CaCO3=Cao+CO2

CaO+SO2=CaSO3

CaCO3+SO2=CaSO3+CO2

CaSO3+1/2O2=CaSO4

Cao+SO2+1/2O2=CaSO4

CaCO3+SO2+1/2O2=CaSO4+CO2

4CaSO=3CaSO4+CaS

石灰石噴入鍋爐高溫區時，首先進行鍛燒。煙氣中CO2高時，CaCO3的分解溫度相應升高。在鍋爐內煙氣脫硫主要按反應式CaO +SO2+1/2O2=CaSO4進行。

在石灰石的場合下，煙氣溫度超過1160℃就不能發生脫硫反應。在理論上溫度低時，脫硫反應率高，但溫度低會引起反應速度過慢，實際反應是在較高溫度下進行的，一般CaO的有效反應溫度950-1100℃。Ca（OH）2與SO2反應的溫度范圍更低，Ca（OH）2在高溫時與SO2的反應和CaO相同。

氧濃度高即過量空氣較多時，對脫硫反應有利，但不及溫度變化影響那樣顯著。也有人認為，即使沒有氧的存在，例如沒有過量空氣時，在高溫下CO2亦能作為氧化劑。

石灰石的顆粒度對脫硫效率的影響：顆粒小的吸收SO2量大，消石灰吸收SO2量與200目以下的石灰石相同。此外，石灰石中如含有1%或更高一些的Fe2O3，吸收SO2的效果較不含或少含Fe2O3的高。

2 爐內注入石灰并活化CaO法

向鍋爐直接噴鈣脫硫的方法，在國外60年代己用于煙氣處理系統，由于脫硫率僅15%-40%而被放棄。近年來，國外學者提出了直接用水合石灰噴入爐內脫硫的設想，與石灰石、生石灰相比，水合石灰具有比表面積大、顆粒細、分解溫度低等特點，因而有可能達到較好的噴粉脫硫效果。所以針對噴鈣脫硫法40%的低脫硫率，本法有可能使脫硫率從40%提高到70%以上。

生石灰水合過程可在常壓下或加壓下進行。常壓水合過程簡單，生產成本低，但加壓水合可在水合過程終了時通過快速卸壓而使產物上的殘余水分閃蒸而出，水合物得以膨化，從而獲得基本干燥、顆粒分散度良好的產物，既有利于直接噴粉，又有可能取得較常壓水合更好的脫硫效果。

水合石灰分解：Ca（OH）2=CaO+H2O

吸硫反應：CaO+SO2+12O2=CaSO4

從方法的實用性和經濟性出發，采用無添加劑的水合工藝?？紤]到CaO的水合是一個放熱反應，為避免反應熱積累而影響產物的比表面，故水合反應在水浴中進行。量取一定量的H2O放在容器中，置于水浴內，按設定的H2O/CaO摩爾比稱取一定量CaO粉加入容器中，并不斷攪拌，待反應完全后，將產物放入烘箱中，在設定的溫度下，使過量水分得以蒸發，得到干燥的水合產物。

研究表明，加水量對產物比表面積影響最大。在水鈣摩爾比1-2.4范圍內，比表面隨水量的增加持續增長，但增長幅度逐步變小。

同一石灰的加工產物，加壓水合石灰的噴粉脫硫活性最高，常壓水合石灰次之，生石灰最低。一般來說，水合石灰噴入爐內，仍需先鍛燒成CaO，才與SO2反應。但其優勢在于：比表面積很大，熱分解溫度很低，故水合石灰噴入爐內極易生成具有巨大比表面的CaO。生石灰與水合石灰相比的生石灰，比表面積小，為其劣勢。

3 爐內噴鈣和CaO活化法（LIFAC）

該方法一種先進的石灰石爐膛噴射工藝，在爐膛中未反應的石灰進入到煙氣增濕-活化反應塔。工藝設備包括石灰石爐膛噴射設備和安裝在鍋爐和靜電除塵器之間的活化反應塔?？蛇_到脫硫率75%-85%。

在爐內的反應是：

CaCO3→CaO+CO2

CaCO3·MgCO3→CaO·MgO+2CO2

CaO+SO2+1/2O2→CaSO4

經研磨的細石灰石粉用氣力方法吹入到鍋爐爐膛上部某一特定溫度區域，將石灰石于鍋爐的1050℃左右區段送入，CaCO3迅速分解成CaO，同時起到一些固硫作用。在尾部煙道適當部位（一般在空氣預熱器與除塵器之間）設置增濕活化反應器，使未反應的CaO水合成Ca（OH）2，進一步脫硫，總脫硫率70%。

采用爐內噴鈣脫硫后，會增加受熱面積灰厚度，需要增加吹灰數和加裝吹灰器。由于煙氣中粉塵量增加，灰的比電阻增加，使除塵增加困難。鍋爐效率下降0.7%-1.0%。

在增濕活化塔中反應：

CaO+H2O→Ca（OH）2

Ca（OH）2+SO2→CaSO3+H2O

CaSO3+1/2O2→CaSO4

這個過程的反應產物呈干粉狀態，大部分的顆粒物與飛灰一起被靜電除塵捕捉，其余部分從活化器的底部被飛離出來：從靜電除塵器除下的灰的部分再循環返回到活化塔中。

4 循環流化床燃燒脫硫技術

該方法起源于固體流態化技術和流化床燃燒技術，應用于煤的燃燒始于20世紀60年代，由于流化床燃燒技術具有煤種適應性強、燃燒效率高，易于實現爐內脫硫和低NO、排放等優點而受到國內外研究單位和生產廠家的青睞，并能在能源和環境等諸方面顯示鮮明的發展優勢并等到了迅速發展，今后將成為主要的燃煤技術。如今，流化床燃燒作為更清潔、更高效率的煤炭利用技術之一，正受到世界各國的普遍關注。

流化床燃燒技術是指小顆粒的煤與空氣在爐膛內處于沸騰的狀態，高速氣流與所攜帶的懸浮顆粒充分接觸燃燒的技術。流化床介于固定床和氣流床之間，包括鼓泡床和循環流化床兩種燃燒技術方式。

按照運行壓力區分，流化床燃燒系統有兩種類型：（1）常壓流化床燃燒（AFBC），在常壓下運行；（2）加壓流化床燃燒（PFBC），在比常壓高6-16倍的壓強下運行。

加壓流化床燃燒的過程與常壓流化床相似。在同樣的流化速度下，加壓下供給流化床的空氣和煤量增加。同時，由于高壓空氣的作用，可形成高達4m左右的流化床層，在加壓與恰當的空氣比下燃燒，煤與空氣有充分的停留時間，燃燒效率可達99%。同時，加壓可使碳粒的反應速率增大。

與常壓流化床鍋爐相比，加壓流化床鍋爐的燃燒負荷大，可在4m高的流化床內布置較多的傳熱管。床內傳熱管直接受高溫氣體加熱外，也與高溫床料直接接觸，傳熱系數可高達400w（/m2·h）。在較高的壓強下運行，流化速度可以較低，約1m/s，從而減少床內水蒸氣埋管的腐蝕。加壓流化床由于床層較高，煤顆粒在床層內的停留時間較長（約4s左右），在低Ca/S比下脫硫效率提高，此外由于床層溫度低（860℃-870℃），NOx的生成受到限制，在較高的床層中，氣體與還原物質接觸機會增多，也有利于控制NOx的生成量。

5 型煤固硫法

5.1 工業固硫型煤

將不同的原料煤經篩分后按制定的比例配煤，經粉碎后同經過預處理的粘結劑和固硫劑混合，經機械設備積壓成型及干燥，即可得到具有一定強度和形狀的成品工業固硫型煤。

型煤用固硫劑，按化學狀態可分為鈣系、鈉系及其他三大類。固硫劑選擇的基本原則是：①來源廣泛、價廉；②堿性較強，對SO2具有較高的吸收能力；③熱化學穩定性好；④固硫劑與SO2反應生成硫酸鹽的熱穩定性好；⑤不產生臭味和刺激性有毒的二次污染物；⑥加入固硫劑的量，一般不會影響工業鍋爐對型煤發熱量的要求。

5.2 自成型型煤

在型煤壓制前的散煤中摻入各種固硫劑（如石灰石粉、白云石粉、生石灰、電石渣及富含金屬氧化物的礦渣、爐渣等），經型煤成型機上的攪拌輥攪拌均勻后，進入成型壓輥中加工成固硫型煤進入爐膛內燃燒。由于固硫劑的作用，型煤中燃燒所產生的SO2還沒逸出型煤層時就與型煤固硫劑中的CaO、MgO、Fe2O3、A12O3等金屬氧化物發生反應生成固相硫酸鹽，而固著在爐渣中隨爐渣排出。

6 結束語

寧夏是一個煤炭大省，發展坑口電廠以實現“煤從空中走”是實現北煤南運的新途徑，而區內電廠脫硫成熟技術很多，但都存在著投資大、運行成本高等問題。因此需要有一種能適合企業自身特點、投資最省、運行成本低，而脫硫效率相對較高的脫硫技術為企業來解決難題。實踐證明，改用電石渣作脫硫劑，對有穩定的電石渣來源的電廠是非常適合的煙氣脫硫途徑，同時也是資源性環保的成功嘗試。

【參考文獻】

[1]畢玉森，陳國輝.控制電廠鍋爐NOx排放的對策和建議[J].中國電力，2004（06）.

[2]郭予超.我國火電廠煙氣脫硫現狀及展望[J].華東電力，2001（09）.

[責任編輯：丁艷]