燃煤機(jī)組干濕法脫硫耦合運(yùn)行可行性探究

魏 敏 姚國(guó)華

上海外高橋第二發(fā)電有限責(zé)任公司

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)煙氣排放的相關(guān)指標(biāo)日趨嚴(yán)格，以及火電廠高硫煤摻燒的現(xiàn)狀，使脫硫設(shè)備進(jìn)口的煙氣中SO2含量不斷提高，原有的石灰石濕法脫硫的能力顯得捉襟見(jiàn)肘，是進(jìn)一步擴(kuò)容濕法脫硫還是采用其他方式以提高機(jī)組的脫硫效率，已成為管理者面前的一道新的選題，而國(guó)內(nèi)大型燃煤機(jī)組中尚未使用過(guò)的干濕法脫硫耦合運(yùn)行引起了大家的重視。

1 鈉基干法脫硫技術(shù)分析

1.1 鈉基干法脫硫

基于成本和效果等方面綜合考量，工業(yè)上尤其是焦化爐干法脫硫普遍運(yùn)用鈉基干法脫硫工藝。鈉基干法脫硫又稱SDS，是利用脫硫劑（小蘇打NaHCO3）超細(xì)粉與煙氣充分混合接觸，在催化劑和促進(jìn)劑的作用下，與煙氣中的SO2進(jìn)行反應(yīng)。在反應(yīng)器、煙道及除塵器內(nèi)，脫硫劑超細(xì)粉可始終保持與SO2的反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程快速、充分，在2 min時(shí)間內(nèi)即可生產(chǎn)副產(chǎn)物Na2SO4，且脫硫效率高。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量為1:1時(shí)，脫硫效率大于95%。通過(guò)除塵器回收的副產(chǎn)物Na2SO4，作為化工產(chǎn)品被玻璃工業(yè)利用。

鈉基干法脫硫相比其他的干法脫硫，如噴鈣脫硫工藝、荷電干法吸收劑噴射脫硫工藝、電子束照射法等，有投資成本較低、運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、脫硫效率高、對(duì)人體和環(huán)境沒(méi)有危害等優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)技術(shù)主要用于鋼廠或工業(yè)焦化爐，歐美國(guó)家也普遍用于垃圾焚燒電廠，主要因?yàn)槠錈煖馗咔覠o(wú)煤粉灰等因素。僅有極少數(shù)歐美地區(qū)的燃煤電廠在使用該技術(shù)，極有可能是替代濕法脫硫的系統(tǒng)位置。目前，國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組并未查到使用鈉基干法脫硫技術(shù)的實(shí)績(jī)，更沒(méi)有干濕法脫硫耦合運(yùn)行的先例。

1.2 鈉基干法脫硫反應(yīng)原理

當(dāng)溫度達(dá)到140℃以上時(shí)，作為脫硫劑噴入的超細(xì)小蘇打發(fā)生自發(fā)反應(yīng)：

小蘇打在溫度超過(guò)50℃時(shí)即可發(fā)生自分解，而在溫度超過(guò)140℃時(shí)小蘇打表面的微孔結(jié)構(gòu)由于二氧化碳和水蒸氣的析出會(huì)迅速發(fā)生類似于爆米花的物理反應(yīng)，由粉末變?yōu)榕钏傻谋谆ǎ黾恿吮砻娣e，具備極高的反應(yīng)活性，加快了反應(yīng)速度。

反應(yīng)產(chǎn)物Na2CO3是與SO2和HCl反應(yīng)的實(shí)際反應(yīng)劑。通過(guò)分解反應(yīng)，Na2CO3的內(nèi)表面積增加，反應(yīng)活性增強(qiáng)。

小蘇打活化后，具備極強(qiáng)的反應(yīng)活性，在煙道或反應(yīng)器中發(fā)生如下反應(yīng)：

煙氣中酸組分（SO2、SO3、HCl和HF）與吸附劑（NaHCO3）之間的反應(yīng)主要發(fā)生在除塵器上游的煙道或反應(yīng)器中。

1.3 鈉基干法脫硫主要特點(diǎn)

1）用NaHCO3吸收煙氣中的SO2是氣-固相反應(yīng)，反應(yīng)速度快，脫硫效率可達(dá)95%，可保證SO2排放要求，吸收劑利用率高。

2）NaHCO3干法脫硫?qū)煔饬髁俊O2濃度等工況的變化適應(yīng)性較強(qiáng)；

3）腐蝕性輕微，基本不用采取特殊防腐措施，但需采取相應(yīng)防磨措施；

4）由于脫硫工藝不需要對(duì)煙氣進(jìn)行増濕減溫，排放煙氣溫度降低幅度不大，煙氣排放始終保持良好的視覺(jué)效果；

5）系統(tǒng)不需要排放廢水；

1.4鈉基干法脫硫布置方式

鈉基干法脫硫的SDS脫硫塔需布置在鍋爐出口和除塵器之間，布置圖見(jiàn)圖1和圖2。當(dāng)煙道容積允許，SDS脫硫塔也可以由煙道反應(yīng)器代替，見(jiàn)圖3。

圖1 鈉基干法脫硫布置圖

圖2 鈉基干法脫硫現(xiàn)場(chǎng)布置

圖3 SDS煙道反應(yīng)器

2 干濕法脫硫耦合運(yùn)行可行性分析

2.1 干濕法耦合脫硫?qū)θ济簷C(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)的影響

鈉基干法脫硫的反應(yīng)過(guò)程依賴于溫度，當(dāng)溫度達(dá)到140℃以上碳酸氫鈉的自分解速率會(huì)大幅增加。然而在高于400℃溫度下的熱分解會(huì)受到顆粒內(nèi)的燒結(jié)過(guò)程（顆粒的表面結(jié)構(gòu)）的限制，因此對(duì)燃煤機(jī)組而言，安裝在空預(yù)器之前的煙道部位較符合上述條件，因此，需要重視對(duì)空預(yù)器后的風(fēng)煙系統(tǒng)的影響。

以工業(yè)上焦化爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)研磨后噴入煙道的碳酸氫鈉顆粒細(xì)度基本保持在15μm～20μm左右，熱分解膨脹并與酸性物質(zhì)反應(yīng)后顆粒細(xì)度基本在30μm～40μm左右，由于煙氣溫度非常高，基本不考慮粉煤灰的吸附問(wèn)題，由此基本達(dá)到國(guó)家一級(jí)粉煤灰細(xì)度的標(biāo)準(zhǔn)，即：45μm方孔篩的篩余量不大于12%。

經(jīng)粗略計(jì)算干法脫硫需要的噴入量、消耗的氧氣和產(chǎn)生的水蒸氣在整個(gè)煙氣流程中所占比重較小，仍需注意以下幾方面：

1)由于碳酸氫鈉為冷介質(zhì)噴入煙道，會(huì)降低空預(yù)器進(jìn)口的煙氣溫度，焦化爐使用該方法的降溫一般在10℃～15℃，由于煙氣量、噴入量等都有不小的差異，因此，在燃煤機(jī)組上的降溫效果還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2)由于會(huì)產(chǎn)生部分水蒸氣和去除部分SO2，需重新測(cè)算空預(yù)器進(jìn)出口的水露點(diǎn)和酸露點(diǎn)，從趨勢(shì)性看，水露點(diǎn)會(huì)微量上升，酸露點(diǎn)會(huì)大幅降低，只需保證空預(yù)器和除塵器的運(yùn)行溫度，即可基本防止堵塞和腐蝕的情況發(fā)生。

3)碳酸氫鈉反應(yīng)后的硫酸鈉會(huì)加大除塵器的負(fù)擔(dān)，以外高橋第二發(fā)電廠機(jī)組滿負(fù)荷為例，對(duì)機(jī)組約50 t/h的灰量，增加了不少的比重，需保證除塵器工作正常。同時(shí)相對(duì)總風(fēng)量約2 800 t/h而言比重較小，吸風(fēng)機(jī)出力的增加不會(huì)非常明顯，但由于酸露點(diǎn)的大輻降低，對(duì)吸風(fēng)機(jī)進(jìn)口端部件的腐蝕會(huì)大輻減輕。

2.2 干濕法耦合脫硫?qū)θ济簷C(jī)組脫硝SCR的影響

有資料稱鈉基干法脫硫裝置能達(dá)到20%～25%的脫硝效率，但工業(yè)上均將其布置在脫硝設(shè)備SCR之后。對(duì)于燃煤機(jī)組，為防止反應(yīng)溫度過(guò)高造成小蘇打顆粒表面燒結(jié)，將其布置在脫硝SCR設(shè)備與空預(yù)器之間比較合適，不僅無(wú)需考慮其對(duì)脫硝SCR設(shè)備運(yùn)行的影響，且能從一定程度上減輕脫硝設(shè)備的出力，降低相應(yīng)的運(yùn)行成本。

2.3 干濕法耦合脫硫?qū)θ济簷C(jī)組石灰石濕法脫硫的影響

燃煤機(jī)組除塵器維持高效率也難免一部分硫酸鈉顆粒進(jìn)入石灰石漿液中，表1為Na2SO4的溶解度和結(jié)晶水的溫度對(duì)應(yīng)表。

表1

雖然吸收塔漿液基本在60℃左右，在脫水過(guò)程中會(huì)有一部分十水合硫酸鈉Na2SO4·10H2O（芒硝）產(chǎn)生，但由于除塵器的作用產(chǎn)量是微量的，對(duì)漿液和石膏品質(zhì)的影響會(huì)很小。另外微量的Na2SO4也會(huì)進(jìn)入濕法脫硫的廢水，雖然溶于水的Na2SO4無(wú)毒、PH值為7，生態(tài)學(xué)上對(duì)水是只有稍微危害，但由于硫酸根的存在對(duì)脫硫廢水也是有一定不利的影響。

2.4 干濕法耦合脫硫的投資設(shè)備和運(yùn)行成本

鈉基干法脫硫技術(shù)需新建設(shè)備，如粉倉(cāng)、研磨機(jī)、送粉風(fēng)機(jī)、噴嘴反應(yīng)器等，并對(duì)反應(yīng)煙道進(jìn)行改造。

鈉基干法脫硫所需碳酸氫鈉計(jì)算方程式：

SO2+2NaHCO3+1/2O2→Na2SO4+2CO2+H2O

以外二廠為例，機(jī)組滿負(fù)荷（900MW）時(shí)，在每臺(tái)給煤機(jī)煤量為65 t/h、入爐煤加權(quán)平均硫份為0.6%、脫硫效率為95%的情況下，所需噴入的小蘇打量為：

65＊6＊0.6%＊2＊2.625/95%=12.93 t/h，

其中，未將飛灰、底渣含硫量和生成SO3量計(jì)算在內(nèi)，實(shí)際運(yùn)行中所需小蘇打量會(huì)略微下降。如與濕法脫硫耦合運(yùn)行，承擔(dān)50%脫硫效率，則需約6.8t/h的小蘇打噴入量。

工業(yè)用小蘇打或純堿價(jià)格約在1 200元/t～1 800元/t，回收產(chǎn)物Na2SO4價(jià)格在500元/t～700元/t，但對(duì)于燃煤機(jī)組，需添加一套粉灰分離裝置才能保證Na2SO4的可靠回收，以致又增加了額外的投資和運(yùn)行成本。

3 干濕法脫硫耦合運(yùn)行可行性總結(jié)

通過(guò)分析得出，配置石灰石濕法脫硫設(shè)備的燃煤機(jī)組需要脫硫能力擴(kuò)容，增加一套鈉基干法脫硫在系統(tǒng)和運(yùn)行上是可行的，對(duì)其他系統(tǒng)的運(yùn)行影響甚微，也不會(huì)對(duì)其它設(shè)備帶來(lái)危害。但由于工業(yè)小蘇打是化學(xué)制品，相比于天然存在且易采集的石灰石而言原材料價(jià)格相對(duì)偏高，且回收產(chǎn)物Na2SO4因?yàn)槊悍刍腋街脑蚨y以收集。總體而言，經(jīng)濟(jì)性不佳是遏制干濕法脫硫耦合運(yùn)行的主要原因。隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，曾被燃煤機(jī)組所棄用的干法脫硫工藝已逐漸被一些企業(yè)接納并采用。如果鈉基干法脫硫原料和運(yùn)行成本得到進(jìn)一步下降，輔以回收產(chǎn)物能力的逐步加強(qiáng)，干濕法耦合脫硫的運(yùn)行方式因其可靠性和安全性將有望被運(yùn)用于國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組。