摘要:介紹了AG-2型燃煤固硫劑脫硫技術(shù)的工作原理、工藝流程、系統(tǒng)組成、控制技術(shù)、工程特點及在徐州垞城電力公司220 t/h燃煤鍋爐上的應用情況,該技術(shù)具有低投資、低運行成本、高性價比的特點,具有廣闊的應用前景。

關(guān)鍵詞:AG-2型固硫劑,脫硫技術(shù),應用

徐州垞城電力公司為落實江蘇省環(huán)境保護“十一五”規(guī)劃,采用中科院和廣州市粵首公司合作研制的AG - 2型固硫劑脫硫技術(shù)進行機組脫硫改造。先后為3 臺220 t/h燃煤鍋爐安裝脫硫裝置, 2007年3月底調(diào)試完畢,順利通過168 h滿負荷運行后移交生產(chǎn)。實際應用結(jié)果表明,該脫硫技術(shù)對中、低硫煤具有較高的脫硫效率,尤其是在老電廠脫硫技術(shù)改造中有明顯的成本和技術(shù)優(yōu)勢。

1　AG - 2型固硫劑脫硫技術(shù)原理

該技術(shù)是在傳統(tǒng)的爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝的基礎上引入催化技術(shù),通過改進脫硫吸收劑的物、化性能來提高吸收劑對SO2 的吸收率,從而提高整個脫硫系統(tǒng)的脫硫效率。

可燃硫燃燒后生成的SOx ,在過?？諝庀禂?shù) α = 2 ,煙氣溫度為1 100 ℃時,絕大部分為SO2 ,只有1%～2%為SO3。在高溫下,如果用CaO來吸收 SO2 ,吸收率非常低。在過?？諝庀禂?shù)為2～3時,生成的CaSO3 只有小部分被氧化成CaSO4 ,大部分由于高溫被分解為CaO 和SO2。但CaO 吸收SO3 的效果較好,其吸收率取決于CaO的活性(比表面積及活化性能) 。向CaO中加入一定的助劑進行活化處理, CaO對SO3 的吸收就會大大提高。同時,選擇一種將SO2 轉(zhuǎn)化SO3 的催化劑和延緩CaSO4 熱解的穩(wěn)定劑,使脫硫產(chǎn)物成為穩(wěn)定的CaSO4。AG - 2 型固硫劑正是運用了這個原理,在向爐內(nèi)噴射固硫劑的過程中加入催化劑,主要有以下作用:

(1)在脫硫劑中加入少量助劑來提高CaO的空隙率,使CaO變得更膨松,有利于SOx 擴散到CaO 內(nèi)部,增加了SOx 與CaO的接觸面;

(2)加入微量催化劑,可起到催化及氧化作用, 使SO2 轉(zhuǎn)化為更容易被CaO吸收的SO3 ;

(3)在CaO與SO3 的反應產(chǎn)物CaSO4 表面形成一層極薄的復合鹽化物,可延緩CaSO4 熱解,以提高脫硫效率。

2　AG - 2型固硫劑脫硫工藝流程

濃相脈沖氣力輸送系統(tǒng)通過發(fā)送容器(倉泵) 將固硫劑從儲料倉輸送至爐前料倉。噴射系統(tǒng)采用稀相低壓連續(xù)吹送,噴射裝置將爐前料倉中的固硫劑經(jīng)噴射管道和布置在爐墻上的噴嘴噴射至鍋爐爐膛內(nèi)1 100 ±50 ℃區(qū)域,其流程為:

(1)運料罐車內(nèi)的固硫劑由車內(nèi)送風裝置送入儲料倉。當儲料倉發(fā)出高料位信號時,停止進料,并通過連續(xù)料位計監(jiān)視料倉內(nèi)的料位高度;當儲料倉發(fā)出低料位信號時,再重新進料。

(2)當爐前料倉發(fā)出低料位信號時,輸送系統(tǒng)開始輸送固硫劑至爐前料倉,至發(fā)出高料位信號停止輸送,待爐前料倉發(fā)出低料位信號時再恢復輸送。輸送用動力氣源為廠區(qū)提供的壓縮空氣。噴射系統(tǒng)運行時,爐前料倉內(nèi)的固硫劑進入給料裝置[ 5 ] ,由變頻調(diào)速電機按調(diào)定的給料量將固硫劑從給料裝置送至混合器,羅茨風機提供的壓縮空氣將固硫劑通過噴射管道和噴嘴噴至爐膛內(nèi)。

(3)在爐膛一個斷面的四角布置噴嘴,共設置2 排,排數(shù)及噴射量均可切換和調(diào)節(jié),每排噴嘴最大出力為鍋爐滿負荷、Ca /S比為2. 5時的噴射量,以適應峰谷負荷和不同煤種的變化。為了使固硫劑能在整個爐膛截面分布均勻,噴嘴出口處還加入了助吹風,通過助吹風的作用,使噴入爐膛內(nèi)的固硫劑能均勻分布和擴散。

(4)輸送用氣取自廠區(qū)壓縮空氣氣源,噴射用氣由脫硫系統(tǒng)的羅茨風機提供,控制用氣取自廠區(qū)儀表氣源,助吹風取自鍋爐二次熱風道。

以上每一系統(tǒng)構(gòu)成一道工序,輸送工序間斷工作,噴射工序連續(xù)工作。全部操作由專用自動系統(tǒng)控制,并跟蹤鍋爐負荷、根據(jù)設定不同的Ca /S比來調(diào)節(jié)固硫劑的給料量。

3　AG - 2型固硫劑脫硫系統(tǒng)組成

整套脫硫系統(tǒng)由固硫劑儲存、固硫劑輸送、固硫劑噴射、空氣系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)組成。

3. 1　儲存、輸送系統(tǒng)

根據(jù)電廠實際情況,本工程設計了2座固硫劑儲料倉,可滿足3 臺220 t/h鍋爐滿負荷、72 h連續(xù)運行的固硫劑最大需要量(燃煤硫分按0. 8%計) , 每座固硫劑儲料倉總?cè)莘e為200m3 , 有效容積為 180m3。其中一座供1、2號爐共用,儲料倉底部設置2個下料錐斗;另一座供3號爐用,儲料倉底部設置1個下料錐斗。每個下料錐斗連接1套輸送設備 (發(fā)送倉泵) ,每套發(fā)送倉泵分別對應1座爐前料倉 (每爐1座) ,通過輸送管道將固硫劑輸送至爐前料倉。為了保證固硫劑下料均勻順暢,每個下料錐斗安裝有氣化裝置和保溫層。儲料倉設置一條連接固硫劑罐車的進料管道,由+ 0. 50m層延伸至儲料倉頂部。為了防止進料過程中多余的空氣從料倉頂部排入大氣產(chǎn)生污染,在排氣口設布袋除塵器,除塵效率不低于99. 9% ,確保排出空氣的含塵量達到排放標準,并在儲料倉頂部安裝壓力真空釋放閥和連續(xù)料位計,以保證儲料倉內(nèi)保持常壓和隨時監(jiān)視料倉內(nèi)的固硫劑存量。

3. 2　噴射系統(tǒng)

本工程每臺鍋爐設1座爐前料倉,每座爐前料倉的總?cè)莘e為6m3 (有效容積為4. 8m3 ) ,可滿足每臺鍋爐滿負荷、Ca /S為2. 5時, 2 h連續(xù)運行的固硫劑需要量。爐前料倉中的固硫劑通過連續(xù)噴射設備 (給料裝置) 、噴射管道、噴嘴,連續(xù)均勻地噴入爐膛內(nèi)1 100 ±50 ℃區(qū)域。

每座爐前料倉底部設置2個下料錐斗,每個錐斗連接1套噴射設備,每套噴射設備對應1層噴嘴。每套噴射設備可單獨運行,亦可同時運行(通過PLC 自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)) ,以適應鍋爐不同負荷、不同煤種以及不同燃煤硫分的變化。

3. 3　空氣系統(tǒng)

空氣系統(tǒng)包括固硫劑輸送用的壓縮空氣;脈沖式布袋除塵器(設備)及各氣動閥門控制需要的儀用空氣;儲料倉氣化板用的熱壓縮空氣;噴嘴前補氣用的壓縮空氣;固硫劑噴嘴所需助吹風取自鍋爐二次熱風道的輔助二次熱空氣。

(1)輸送、噴射用氣。輸送固硫劑的動力用氣量較大, 3臺爐最大總耗氣量為20. 0m3 /min (本文氣量均為標準狀態(tài)值) 。由廠區(qū)空壓機站引出,送至現(xiàn)場2個儲氣量為6m3 的輸送用儲氣罐。

(2)儀用空氣。設備和閥門等控制用氣量相對較小,耗氣量為2. 5m3 /min。由廠區(qū)空壓機站引至現(xiàn)場儲氣量為2m3 的控制用儲氣罐,再接至各控制用氣點。

(3)氣化用氣。為保證固硫劑以流化狀態(tài)從儲料倉和爐前料倉順暢地進入輸送、噴射設備,必須為氣化裝置提供具有一定熱量(溫度)和數(shù)量的氣化空氣。氣化空氣由現(xiàn)場6m3 的儲氣罐接出。本系統(tǒng)氣化用量為6. 80m3 /min (儲料倉2. 72m3 /min, 爐前料倉為4. 08m3 /min) 。為確保固硫劑在罐體形成干態(tài)流化狀,氣化空氣需要加熱處理至150 ℃左右,氣化空氣管道采取保溫措施。

(4)輔助熱空氣。為使固硫劑進入爐膛后反應加快,并確保有合理的輸送空氣量和一定的噴嘴噴射速度,在鍋爐每層的固硫劑噴嘴中接入熱風。熱風取自鍋爐的二次熱風道,每爐的噴嘴所需風量為 30m3 /min,壓力為2. 0～2. 5 kPa。

3. 4　自動控制系統(tǒng)

本脫硫系統(tǒng)的控制由PLC實現(xiàn)。操作人員利用PLC操作站,實現(xiàn)對固硫劑的貯存、輸送、噴射等子系統(tǒng)設備的控制及監(jiān)視,并依據(jù)各子系統(tǒng)運行參數(shù)的變化進行調(diào)整和操作,依據(jù)鍋爐實時負荷、 SO2 在線監(jiān)測信號進行固硫劑給料量的自動調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)能對整個工藝系統(tǒng)進行集中監(jiān)視、管理和自動順序控制,并可實現(xiàn)遠程軟手操。順序控制采用以微處理器為基礎的控制系統(tǒng),邏輯設計符合工藝系統(tǒng)要求。在脫硫控制室采用CRT操作站進行監(jiān)視控制。在電動機、倉泵等處設置就地控制柜 (箱) ,可對相應子系統(tǒng)或單個設備進行就地操作。在就地控制柜(箱)上設置遠方/就地切換開關(guān)。

4　脫硫系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

4. 1　AG - 2型固硫劑特性

AG - 2型固硫劑堆積密度為1. 0～1. 15 t/m3 ; 平均1. 075 t/m3 ;平均粒度不大于0. 074mm; 水分不超過1%。

4. 2　輸送及噴射系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

AG - 2型固硫劑脫硫系統(tǒng)中空氣輸送及噴射系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1、表2。

5　應用情況

徐州垞城電力公司利用AG - 2型燃煤固硫劑脫硫技術(shù)對3臺220 t/h燃煤鍋爐實施脫硫技術(shù)改造后,經(jīng)徐州市環(huán)境監(jiān)測中心站多次現(xiàn)場測試,在燃煤硫分為0. 6% ～0. 8%、鍋爐負荷90% ～100%、 Ca /S為2. 5 的工況條件下,脫硫效率達到79% ～ 88% , SO2 排放質(zhì)量濃度為185～304mg/m3。完全滿足江蘇省環(huán)境保護廳對垞電公司“十一五”期間 SO2 排放總量的要求。

6　脫硫系統(tǒng)的影響分析

6. 1　對鍋爐熱效率的影響

脫硫系統(tǒng)對鍋爐熱效率的影響,按照蓋斯定律理論計算如下:

反應(1)為脫硫劑受熱分解,是吸熱反應;反應(2)脫除SO2 生成CaSO4 ,是放熱反應。

式中Q1 和Q2 是溫度為25 ℃時的標準熱效應, 但在鍋爐內(nèi),反應在1 100 ℃下進行,脫硫反應物和生成物的熱容都是溫度的函數(shù),根據(jù)基爾霍夫定律, 過程等壓熱效應的溫度系數(shù)等于系統(tǒng)等壓熱容差數(shù),即: dQ =ΔCp dT

將各物熱容差值代入上式并積分,可求得石灰石分解和脫硫反應熱效應分別為:

Q1 = 214. 36 kJ /mol; Q2 = 466. 00 kJ /mol

當脫硫率為79% , Ca /S = 2. 5時,總熱效應為:

Qt = 0. 79Q2 + 2. 5Q1 = - 211. 6 kJ /mol - S

即相當于每千克硫消耗了0. 225 kg標準煤。

若燃煤硫分為1. 0% ,則鍋爐每燃燒1 t煤的熱損失為2. 25 kg標準煤(低位熱值29 308 kJ /kg) ,熱損失為0. 225%。

固硫劑噴入爐膛升溫至1 100 ℃時吸熱量為:

Q3 = Cp ( T2 - T1 ) = 0. 092 1 ×(1 100 - 25) = 99. 0 kJ /mol

而固硫劑隨煙氣從1 100 ℃降至排煙溫度時的回收熱量為:

0. 092 1 ×(1 100 - 150) = 87. 5 kJ /mol 實際固硫劑吸熱量為:

ΔQ3 = 99 - 87. 5 = 11. 5 kJ /mol

則Q4 = 11. 5 ×2. 5 ×1 000 /32 = 898. 4 kJ /mol = 0. 031 kJ /kg,熱損失為0. 04%。連同固硫劑受熱分解、反應吸熱、放熱的熱損失為0. 225%,即理論計算熱損失僅為0. 27%。

在實際運行時,經(jīng)熱力試驗實測計算, Ca /S為 1. 5～2. 5時鍋爐熱效率的損失為0. 12% ～0. 34%, 平均為0. 23% ,與理論計算結(jié)果基本相符。

應用AG - 2型固硫劑脫硫技術(shù)的系統(tǒng)能耗為 200 ( kW·h) /h,僅為其他脫硫技術(shù)的1 /4～1 /2,也就是說,應用AG - 2型固硫劑脫硫技術(shù)所造成的鍋爐熱效率損失和脫硫系統(tǒng)能耗之和,仍比其他脫硫技術(shù)的能耗小得多。

6. 2　對鍋爐受熱面的影響

由于CaO與SO2、SO3 反應生成CaSO4 ,降低了 SO3 和硫酸蒸汽濃度,也降低了鍋爐低溫受熱面的腐蝕。細磨后的CaO硬度較小,且不朝向受熱面噴射,因此不增加撞擊磨損。加入固硫劑后,灰負荷增大,可能會對鍋爐尾部磨損有較大的影響。根據(jù)對 1號鍋爐的運行觀察,目前尚未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損跡象。

6. 3　對鍋爐燃燒的影響

固硫劑從鍋爐下部噴入,處于燃燒中心上部,接近鍋爐轉(zhuǎn)向室,該處的燃料粒子已完全燃盡,所以不會影響到鍋爐的燃燒,也不會改變煤灰的變形溫度 ( T2 )和軟化溫度( T1 )。

6. 4　對粉煤灰的影響

脫硫產(chǎn)生的灰渣主要為CaSO4 ,隨鍋爐粉煤灰一起被電除塵器捕集。由于固硫劑是鈣基型,使得粉煤灰顆粒類似于高鈣灰粒,有較高的反應活性。干法排灰后,灰中的各成分間不發(fā)生化學反應,保持較高的火山灰活性。徐州市建筑材料測試中心對垞電公司(煤的硫分為0. 8%、脫硫率為81%)脫硫粉煤灰的檢驗報告顯示:脫硫粉煤灰中的SO3 質(zhì)量分數(shù)為2. 89%,完全符合國家有關(guān)標準的要求 。

7　脫硫成本分析

在滿負荷條件下,系統(tǒng)電耗為200 ( kW·h) /h, 僅占廠用電率的0. 2%;在燃用設計煤種、鍋爐滿負荷、Ca /S為2. 5工況下,固硫劑耗量為2. 5 t/h;固硫劑中的主要成分石灰石資源豐富,價格低廉,脫硫劑成本較低,詳見表3。從表3中數(shù)據(jù)可見,采用該技術(shù)的脫硫總成本為338. 27元/h,相當于發(fā)電成本增加了0. 006 2元/ ( kW·h) 。

8　結(jié)語

AG - 2型燃煤固硫劑脫硫技術(shù)具有一次性投資少、工藝簡單、設備占地面積小、自動化程度高、運行費用低、系統(tǒng)操作簡便等特點。采用該脫硫技術(shù)的機組,在進行設備安裝或檢修時,鍋爐和發(fā)電機組可正常運行,且脫硫后粉煤灰具有較高的商業(yè)綜合利用價值,無二次污染,是燃煤電廠老機組脫硫改造的一種可選技術(shù)。

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