某公司脫硫系統高效綜合改造項目研究

郭志東

（河南理工大學，河南 焦作 454000）

一、概述

某公司現有2臺465t循環流化床鍋爐，原設計采用爐內摻燒石灰石方式進行爐內脫硫，設計脫硫效率為80%。為加強節能減排工作，該公司需對兩臺機組治污設施進行技術改造，建設高效脫硫設施，二氧化硫和煙塵排放達到國家標準和地方總量控制要求，正常工況下脫硫效率不低于90%。

河南省環保局推薦氧化鈣及催化劑脫硫工藝，且省內已經改造的循環流化床鍋爐均按此工藝改造，但該脫硫工藝成本很高，經過多方論證后在改性鈣基脫硫劑爐內強化脫硫工藝的基礎上提出用電石渣代替氧化鈣工藝脫硫。經電石渣脫硫實驗后，脫硫效果完全可以滿足省環保部門最新脫硫標準。2008年11月脫硫提效綜合改造項目正式開工建設，工程靜態投資1298萬元，2009年3月通過當地市環境監測站驗收監測，2009年12月通過河南省環保廳驗收。

本項目以電石渣廢料作為脫硫劑，一方面，項目周邊有大量的電石渣貨源，且運費及價格均十分便宜，到廠價30元/噸，相比較省環保局推薦的氧化鈣脫硫劑減少原材料成本370元/噸，每年可節約脫硫原料費1100余萬；另一方面，電石渣進入爐膛后在580℃即可分解成氧化鈣，活性更好，而電石渣分解時放熱同時可提高鍋爐燃燒效率，不用提高運行溫度便迅速與二氧化硫反應脫硫，解決了石灰石不能高效脫硫的問題，電石渣脫硫脫硫效率可達90%以上。

二、項目背景

（1）滿足國家產業政策需求分析

國內電石渣目前的年產量為4300萬噸左右，長期擱置不利用不僅將占用大量土地，而且對土地有嚴重的侵蝕。本項目是使用以電石渣為主的脫硫劑提高機組鍋爐的脫硫效率到90%以上，在保證達標排放的同時，充分利用了電石渣這一化工廢料，符合國家以廢制廢的環保政策，一舉兩得，使技術本身更具推廣價值。

（2）外部環境及內部需求分析

隨著國家環保政策日趨嚴格和群眾環保意識的不斷提高，火力發電企業的環保壓力及相應的運行成本也在逐漸增加。為促進節能減排工作，河南省環保局就加強了對燃煤電廠脫硫系統的監督管理工作，要求享受脫硫優惠電價的燃煤發電單位的煙氣脫硫效率不得低于90%，不深度治理將取消脫硫優惠電價。企業將面臨巨大的經濟損失。

項目公司現有兩臺135MW流化床機組，目前，機組運行情況基本正常。年平均脫硫效率高于70%。對其原脫硫系統進行分析發現，導致機組脫硫效率偏低的主要原因是目前使用的石灰石粉料脫硫劑的活性差。在運行過程中，即使進一步增加石灰石粉的給料量，即提高鈣硫比，脫硫效率的上升空間也是極為有限的。因此為了達到90%的脫硫效率，只能采取更換活性更好的脫硫劑并對原系統進行適當改造的手段來實現。

鑒于以上情況，項目公司大膽提出用電石渣代替氧化鈣工藝脫硫。首先對電石渣品質進行化驗，得出電石渣90%成分為Ca（OH）2，自08年4月開始電石渣脫硫實驗，通過近半年的實驗，發現將脫硫劑更換成電石渣方法是可行的，能夠保證SO2的達標排放，脫硫效果完全可以滿足機組的經濟運行及省環保部門的脫硫新要求。

三、脫硫系統高效綜合改造項目研究詳細科學技術內容

循環流化床鍋爐脫硫技術的研究開發之前主要是在以石灰石為基本脫硫劑的基礎上進行的。鈣基脫硫劑在爐內最終都是以CaO的形式與SO2進行反應的，對于電石渣用于爐內脫硫很少涉足。本項目的主要研究內容包括：

（1）電石渣脫硫特性研究

①鈣硫比的限制

在正常情況下運行的循環流化床，如果脫硫劑的粒度分布合理，脫硫效率大約在90%左右時，其鈣硫比根據煤種和脫硫劑種類的不同，大約在2.5左右變化。適當提高鈣硫比是可以提高脫硫效率的，但是，過度地提高鈣硫比對循環流化床鍋爐的運行是不利的，因為石灰石煅燒反應的吸熱，增加氣體熱損失，電站的投資和鍋爐的運行費用提高。氧化鈣對氮氧化物的形成有催化作用，在鈣硫比高于3.0后，氮氧化物的排放會顯著地增加。

因此即使在脫硫效率要求很高、對二氧化硫排放的限制很嚴時，也不宜采用大幅度增加鈣硫比的辦法。

②爐膛溫度

爐膛溫度對脫硫效率，或者說鈣硫比有重要影響。研究發現，循環流化床鍋爐中的脫硫反應的最佳溫度在850℃～890℃。爐膛在這個溫度范圍運行時，在鈣硫比較低的情況下，就可以得到較高的脫硫效率。如果爐膛溫度低于820℃或高于920℃，在保證一定的脫硫效率的情況下，鈣硫比需增高許多。爐膛溫度低則不利于保持較高的鍋爐燃燒效率；相反，若爐膛溫度過高，氧化鈣內的微孔會被迅速堵塞而阻止了脫硫劑的進一步的利用。此外爐膛溫度過高還會造成硫酸鈣的分解，也影響脫硫效率。

③脫硫劑的顆粒分布

脫硫劑的轉化率和它的粒度分布的關系非常密切。因為脫硫劑的粒度分布與顆粒的有效反應面積及其在爐膛中停留的時間有關。從反應面積的角度看，顆粒的粒徑越小，其反應面積越大，脫硫劑的轉化率越高。但從停留時間的角度看，太細的脫硫劑顆粒是不好的。因為脫硫反應的速度與燃燒速度相比是非常慢的，如果脫硫劑的顆粒粒徑太小，在顆粒還沒有與二氧化硫反應時就已經被煙氣攜帶出爐膛，造成脫硫劑的利用效率低，脫硫劑被大量浪費。

④煙氣在爐內停留的時間

如大多數反應一樣，脫硫反應也是受反應時間的影響的。反應時間越長，反應就比較完全。因此，延長在煙氣在爐內停留的時間將有利于提高脫硫效率。但這又是由爐膛高度決定的，很難在運行中調整。只能通過調整循環量，增加團聚和內循環來提高顆粒的反應時間。

（2）電石渣制備系統研制

目前還沒有專門用于電石渣的干燥設備，電石渣制備系統的研制成為決定示范工程改造成敗與否的關鍵因素，項目在這一部分的主要研究內容如下：

①提高熱效率

干燥設備的熱效率主要由兩個方面決定：設備泄露和干燥劑終溫。泥漿狀物料的干燥多選用回轉滾筒干燥機，設備尺寸較大，而為了克服下游除塵器的阻力，干燥機內需要維持正壓運行，這就不可避免的導致干燥劑的向外泄露，即造成熱損失增加又污染了生產環境。干燥劑的終溫由酸露點溫度和設備尺寸等條件決定。

②強化換熱

本項目針對電石渣的物料特性，設計專門的抄板結構，當電石渣進入干燥機內，高濕物料被轉動的筒壁上的抄板抄起到頂部落下，并在干燥機筒體轉動的同時沿抄板產生位移，使其始終保持運動狀態，在被反復抄起落下的過程中，與干燥劑充分接觸，完成傳熱、傳質，實現干燥過程。選取合適的干燥機筒體轉數，滿足干燥要求的同時盡量降低運行成本。

③預破碎

脫硫系統的電石渣在經過干燥后，還需要進入破碎、制粉單元，而破碎單元對原料的粒度是有一定要求的，這就要求從干燥機排出的干燥物料應該經過粗破碎工藝。可以考慮在干燥機內增加捶打裝置，在保證排出物料顆粒度的同時，無須增加額外的動力裝置，并能有效克服物料的結疤、粘壁、產生大塊的缺點。

（3）高效添加劑開發

煅燒反應過程中Ca（OH）2顆粒轉變為CaO時，釋放出了24.3%的水蒸氣，產生了許多微孔，這有利于SO2與O2氣體向它內部的擴散，使固硫反應能順利進行。不過，反應中生成的CaSO4的摩爾體積則會增大180%左右，因此在反應一開始就會在CaO的表面生成一層致密的CaSO4薄層，由于CaSO4的體積增大，它會使Ca（OH）2的孔隙和孔隙入口被堵塞。這一薄層上的孔隙比SO2和O2分子的尺寸還小，因此它會阻礙SO2和O2通過這薄層而進一步擴散到CaO顆粒的內層進行反應。固硫反應的最佳溫度為850℃左右，若溫度高于900℃，硫酸鈣晶體就會有一部分被燒結，使孔結構減小甚至消失。溫度越高燒結的程度也越來越嚴重，SO2就更難向它內部擴散。溫度超過1000℃后，這一現象尤為嚴重。

為解決上述兩個問題在電石渣中加入如AL2O3、FeO等組成的催化劑，這樣能夠明顯地提高氧化鈣的轉化率和高溫性能。同時大大提高固硫反應的速度，有效的克服了多種不利因素對固硫反應造成的影響。

（4）系統運行技術

脫硫系統的運行涉及系統內部、系統與鍋爐之間、鍋爐內部的運行等等單元的相互協調，是一套自動化程度很高的復雜系統。

干燥單元所需熱風從兩臺鍋爐的熱二次風連接母管引出，兩臺鍋爐的負荷不能總是保持一致，即引出點兩側的二次風壓是不斷變化的，需要隨時保持其經過調整門后的壓力相同。

根據脫硫系統熱風引入量和熱風溫度，自動調整原料電石渣的給料量，以便保證干燥后的水分符合要求，同時避免出現干燥劑終溫過高，燒損除塵設備的情況。

脫硫劑、原煤，電石渣、催化劑均需要按照預先設定的比例摻混。僅通過運行人員根據即時測量信號進行調整相應給料速率是很難實現的，因此應設計為自動調節。只有在使用臨時脫硫劑（CaO）或煤質發生較大變化時，才需要通過人工對給料程序進行干預，保證實際摻混比例滿足設計值。

（5）脫硫提效改造項目的具體實施

根據項目公司廠區總平面布置的規劃，在不影響電廠其他設備運行及后期工程建設的情況下，將脫硫提效系統布置在輸煤棧橋西側的馬路和圍墻之間的場地上，并通過輸送皮帶將脫硫劑輸送至輸煤皮帶，在此與原煤按一定比例配料，電石渣脫硫劑在此后輸送過程中與原煤進行均勻混合。

脫硫提效系統場地占地約為2400m2，為30m×80m的長方形區域，在場地內建設干料棚（簡易廠房）以保證天氣狀況不影響系統正常運行，棚內保持良好通風。原料電石渣進口布置在干料棚南面，不影響整體布局。干料棚內作為簡易原料電石渣堆放場地的面積約1000m2，儲量滿足鍋爐5天正常運行需要。

在干燥單元內，原料電石渣從干燥機前料斗經過螺旋給料機給入干燥機，干燥后的電石渣，一部分從回轉滾筒干燥機出料口直接排到二級皮帶稱重輸送機上，由熱風攜帶出來的粉狀電石渣先后由旋風除塵器和布袋除塵器收集后，從其底部給料閥給到二級皮帶稱重輸送機上。

脫硫劑所需催化劑原料首先通過破碎機破碎后，由三級皮帶輸送機排入一級斗式提升機所在的上料地溝中，經此斗式提升機送入催化劑倉儲存。催化劑倉位于二級皮帶稱重輸送機的上方，其物料從倉下出口給到二級皮帶稱重輸送機上，位于干燥系統給料點的下游。摻混好的物料經二級皮帶稱重輸送機送入振動篩，細度合格的脫硫劑直接落入三級斗式提升機前的上料地溝，細度不合格的物料進入直通磨內進一步磨制，磨制后由二級斗式提升機重新送入振動篩進行篩選。

三級斗式提升機將地溝內混配均勻、細度合格的脫硫劑輸送到脫硫劑倉內儲存。脫硫劑倉下部分為兩支給料錐斗，其中一支錐斗下裝有可調開度的（電、氣動）給料閥，控制加到四級皮帶稱重輸送機上的脫硫劑量，四級皮帶稱重輸送機將脫硫劑送至#6給煤皮帶與原煤混合，最終進入爐內。另外一支錐斗是為給氣力輸送罐車加料而設置的，氣力輸送罐車在此接料后將脫硫劑送入原脫硫系統的石灰石粉倉，此后脫硫劑由原脫硫系統送入爐膛。

（6）項目實施后的效果

2012年3月當地市環境監測站對項目公司脫硫提效改造項目進行驗收監測，驗收監測期間，項目公司2×135MW機組循環流化床鍋爐燃用煤的全硫份為0.6%左右，鍋爐負荷大于90%，機組發電功率大于122MW。1#機組脫硫效率范圍為92.3%～93.1%，平均為92.7%；2#機組脫硫效率范圍為92.6%～93.1%，平均為92.8%。達到河南省環境保護局豫環限[2007]02環境污染限期治理通知書中“正常工況下脫硫效率不低于90%”之要求。

四、關鍵技術與創新點

本項目以電石渣廢料作為脫硫劑，一方面不僅可以變廢為寶，解決電石渣廢料的污染和處理問題，促進資源的綜合循環利用，另一方面電石渣進入爐膛后在450℃即可分解成氧化鈣，活性更好，不用提高運行溫度便迅速與二氧化硫反應脫硫，由于電石渣分解時放熱同時可提高鍋爐燃燒效率，解決了石灰石不能高效脫硫的問題，電石渣脫硫脫硫效率可達90%以上。電石渣廢料應用于發電行業的脫硫系統拓展更為寬廣的道路。

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