燃煤鍋爐爐內(nèi)噴鈣催化脫硫技術(shù)介紹
某公司在引進(jìn)中科院DCL固硫劑脫硫技術(shù)并成功商業(yè)運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)發(fā)出AG-2型固硫劑和AG-R脫硫技術(shù)裝備及其計(jì)算機(jī)控制軟件。在燃用低硫煤，煤的含硫率為0.6~1.0%，鈣硫摩爾比為2.0~2.5時(shí)，其鍋爐煙氣SO2削減率達(dá)到60~70%（經(jīng)煙氣含氧量校正）。下面是電廠燃煤鍋爐爐內(nèi)噴鈣干法催化脫硫技術(shù)介紹：
一、本脫硫技術(shù)屬于干法脫硫，是爐內(nèi)噴鈣催化脫硫技術(shù)。
傳統(tǒng)的爐內(nèi)噴鈣可以脫除煙氣中20%~30%的SO2，國(guó)內(nèi)外的深入研究表明，在爐內(nèi)噴鈣處于最優(yōu)狀態(tài)下，爐內(nèi)脫硫率一般只能達(dá)到30~40%。
其原因是受到客觀因素的制約，如吸收劑的粒度、比表面積、加入量、加入方式、煙氣溫度、煙氣與吸收劑的混合程度、接觸反應(yīng)時(shí)間、溫度等等。
在爐內(nèi)噴鈣技術(shù)中要進(jìn)一步提高脫硫率的方法之一是在鍋爐后部噴水增濕，使?fàn)t內(nèi)未與SO2反應(yīng)的CaO被水硝化成為Ca(OH)2，低溫下可再次與SO2反應(yīng)生成CaSO3以提高SO2削減率和吸收劑利用率。該工藝技術(shù)要增加增濕活化塔及其附屬設(shè)備和控制系統(tǒng)，可以將脫硫率提高到約75%，但增加了投資和占地面積，也提高了運(yùn)行成本。
在爐內(nèi)噴鈣的基礎(chǔ)上提高脫硫率另一方法是改進(jìn)吸收劑的性能來(lái)提高吸收劑對(duì)SO2的吸收率，以提高脫硫率。
可燃硫燃燒后生成的SOx、在過(guò)？諝庀禂(shù)α=2，煙氣溫度為1100℃時(shí)，絕大部分為SO2，只有1~2%為SO3，SO3隨過(guò)氧系數(shù)、煙氣煙氣溫度Tk加大而增加。如果用CaO來(lái)吸收SO2時(shí)，吸收率是非常低的。生成的CaSO3在過(guò)？諝庀禂(shù)=2~3時(shí)，也只有小部分CaSO3被氧化成穩(wěn)定的CaSO4，而在溫度較高的條件下大部分又被分解為CaO和SO2。但CaO吸收SO3的效果要好得多，其吸收率取決于CaO的活性（比表面及活化能）。在CaO中加入一定的助劑進(jìn)行活化處理，CaO對(duì)SO3的吸收率就大大提高了。同時(shí)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。使脫硫后生成物為穩(wěn)定的CaSO4。
AG系列固硫劑正是運(yùn)用了這個(gè)原理。在噴鈣脫硫過(guò)程中，引入催化技術(shù)，包括下述三種作用：
在鈣基脫硫劑中加入少量的助劑提高CaO的空隙率，使其變得膨松、有利于SOx擴(kuò)散到CaO內(nèi)部；
在鈣基脫硫劑中加入微量催化劑，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；
在CaSO4表面覆蓋一層極薄的復(fù)合鹽化物，以延緩CaSO4重新熱解，以提高固硫率。
這種技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是不需增加大的附加設(shè)備（如吸收塔）和加大占地面積，對(duì)現(xiàn)有鍋爐不用改造，具有工藝簡(jiǎn)單、一次性投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、操作方便等特點(diǎn)。盡管脫硫率約（70%）比其它引進(jìn)技術(shù)稍低，但以其優(yōu)越的性能價(jià)格比，是對(duì)現(xiàn)有鍋爐進(jìn)行脫硫改造的較理想選擇。特別是已經(jīng)燃用低硫煤，SO2排放濃度已達(dá)到目前國(guó)家及地方指標(biāo)的電廠，沒(méi)有必要花巨額投資及高運(yùn)行成本來(lái)追求更高的脫硫率。AG固硫劑脫硫技術(shù)不失為一種切實(shí)可行的脫硫技術(shù)。
二、火力發(fā)電廠中、大容量鍋爐應(yīng)用AG-2干法催化脫硫技術(shù)工藝簡(jiǎn)介
(1)根據(jù)燃煤鍋爐應(yīng)用證明，在鍋爐轉(zhuǎn)向室之前，符合AG系列固硫劑催化反應(yīng)溫度1100~1200℃。而且大容量鍋爐爐膛截面積大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，比一般小容量工業(yè)鍋爐噴入固硫劑更容易擴(kuò)散更有利于與煙氣充分混合。大容量鍋爐由于噴入的固硫劑量相對(duì)較大，安裝的噴嘴也多，固硫劑噴入爐內(nèi)后充滿度也比小容量鍋爐要好得多。
(2)本技術(shù)擁有優(yōu)越的性能價(jià)格比，體現(xiàn)在一次投資少、運(yùn)行費(fèi)用低（見(jiàn)經(jīng)濟(jì)分析表）、占地面積少（如3×50MW機(jī)組為例，包括控制室在內(nèi)不會(huì)超過(guò)100m2）。而且鍋爐只需利用停爐小修間隙安裝噴嘴，不會(huì)影響到發(fā)電指標(biāo)的完成，特別是負(fù)荷率高的大型機(jī)組。
(3)本技術(shù)簡(jiǎn)單工藝流程為：固硫劑以密閉罐車(chē)送到原料倉(cāng)前，利用車(chē)載風(fēng)送系統(tǒng)卸車(chē)，原料倉(cāng)頂設(shè)有高效除塵器，凈化卸車(chē)氣源。原料倉(cāng)設(shè)有防粘附內(nèi)襯和流化加熱裝置，高低料位計(jì)和連續(xù)料位計(jì)。
固硫劑從料倉(cāng)到噴入爐膛內(nèi)的輸送過(guò)程有兩種系統(tǒng)。即直接一級(jí)輸送和經(jīng)爐前倉(cāng)過(guò)渡的兩級(jí)輸送系統(tǒng)兩種。
兩級(jí)輸送系統(tǒng)原料倉(cāng)向爐前倉(cāng)輸送使用柱塞流倉(cāng)泵，當(dāng)爐前倉(cāng)料位低時(shí)，原料倉(cāng)出口下料機(jī)下料到倉(cāng)泵，當(dāng)倉(cāng)泵高料位到或下料量到后，倉(cāng)泵向爐前倉(cāng)輸送，直到爐前倉(cāng)料位滿為止。爐前料倉(cāng)同樣設(shè)置除塵器，流化加熱裝置、料位計(jì)。噴射系統(tǒng)由給料斗（稱重斗）、給料機(jī)、噴射器、羅茨風(fēng)機(jī)、助推風(fēng)機(jī)、噴嘴等部件組成。固硫劑由可調(diào)速的旋轉(zhuǎn)給料閥或倉(cāng)螺體出口連接噴射器，借助羅茨風(fēng)機(jī)壓頭，把固硫劑送到噴嘴，通過(guò)助吹風(fēng)作用形成一定速度、旋流強(qiáng)度和擴(kuò)散角噴入爐膛1050~1150℃的區(qū)域內(nèi)。噴嘴設(shè)置二排以上，排數(shù)及噴射量均為可切換和可調(diào)節(jié)，噴嘴順煤粉燃燒旋轉(zhuǎn)方向準(zhǔn)對(duì)角切圓噴射，也可以前墻或側(cè)墻布置。每排噴嘴最大出力為鍋爐在滿負(fù)荷時(shí)，2.5鈣硫比的噴射量。以適應(yīng)峰谷負(fù)荷和不同的煤種的變化。
對(duì)于鍋爐房特別緊湊，鍋爐平臺(tái)、框架上不允許安裝設(shè)備的電廠，可以采取國(guó)外先進(jìn)的“倉(cāng)螺體”或“RotoFeed”注料泵直接從零米向鍋爐合適的溫度區(qū)噴射固硫劑。整個(gè)過(guò)程由小型DCS（集中分散控制系統(tǒng)）控制，主要功能有：
1.輸送系統(tǒng)程序控制和故障判斷處理；
2.固硫劑噴射量控制：
根據(jù)鍋爐負(fù)荷（主蒸汽量訊號(hào)）計(jì)算煤量（經(jīng)發(fā)熱量修正），煤含硫量、設(shè)定的鈣硫比來(lái)計(jì)算固硫劑噴入量。給料量由變頻調(diào)速控制。實(shí)測(cè)的煙氣含SO2量經(jīng)氧量校正用來(lái)修正噴入量；
3.助推吹風(fēng)量控制：
主要作用為控制噴嘴在不同的噴射量時(shí)需要流速和停用噴嘴時(shí)的冷卻風(fēng)量；
4.根據(jù)鍋爐負(fù)荷和爐溫變化切換上下排噴嘴；
5.加熱和流化的自動(dòng)控制；
6.保安功能：
當(dāng)鍋爐燃料切斷（MET）和系統(tǒng)故障時(shí)，聯(lián)停固硫系統(tǒng)；
7.給電廠主機(jī)組計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供脫硫系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)。
注：噴嘴位置需經(jīng)爐內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模式進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算和不同煤種，不同負(fù)荷狀態(tài)下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。
三、50MW和300MW發(fā)電機(jī)組鍋爐應(yīng)用AG固硫劑脫硫技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析：
(1)計(jì)算依據(jù)：
單位投資：
120元/ kwh
固硫劑價(jià)格：
140元/噸，含稅，運(yùn)費(fèi)為40元/噸，到電廠價(jià)為180元/噸
固硫劑用量：（t/h）
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注：石灰石粉含鈣折算值。
SO2排放總量計(jì)算：
煤量（t/h）×煤含硫量（%）×2×0.85
設(shè)備折舊期：
15年
維修及管理費(fèi)：
總投資×3%/年
煤價(jià)：
320元人民幣/噸
廠用電價(jià)：
0.32元人民幣/ kwh
總熱效率損失：
0.3%~0.4%，按0.4%計(jì)算
能耗折算成廠用電率：
0.2%
減免排污費(fèi)：
選 0.15元/公斤和0.6元/公斤二個(gè)參考值。
四、煤粉鍋爐使用本脫硫技術(shù)裝備幾個(gè)問(wèn)題的分析：
(1)對(duì)爐效率的影響
對(duì)鍋爐熱效率的影響，理論計(jì)算如下：(脫硫反應(yīng)熱效應(yīng)根據(jù)蓋斯定律用標(biāo)準(zhǔn)生成熱進(jìn)行計(jì)算)
反應(yīng)(1)脫硫劑受熱分解，反應(yīng)吸熱：
CaCO3→CaO+ CO2+ Q1
Q1=-178.40kJ/mol
反應(yīng)(3)脫硫生成石膏，反應(yīng)放熱
CaO+ SO2+1/2O2→CaSO4+ Q3
Q3=501.10kJ/mol
Q1和Q3是溫度為25℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)熱效應(yīng)，但在鍋爐內(nèi)，反應(yīng)是在1100℃下進(jìn)行，脫硫反應(yīng)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(guò)程等壓熱效應(yīng)的溫度系數(shù)等于系統(tǒng)等壓熱容差數(shù)，即：
dQ= △CpdT
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(yīng)熱效應(yīng)
分別為：
Q1=-214.36kJ/mol
Q3=466.00kJ/mol
當(dāng)脫硫率為69.6%， molCa/S=2.5時(shí)，總熱效應(yīng)為：
Qt=0.696 Q3+2.5 Q1=-211.6kJ/mol-S=-6611.8kJ/kg-S
也即等于消耗了0.225 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/ kg-S
若煤含硫1.0%，則鍋爐燃燒每噸煤的熱損失為2.25 kg標(biāo)準(zhǔn)煤(低位熱值：29308kJ/kg)，熱損失為0.225%。
又：固硫劑噴入爐膛升溫1100℃時(shí)吸熱量為：
Q4=Cp(T2-T1)=0.0921×（1100-25）=99.0kJ/mol
而固硫劑隨煙氣從1100℃降至排煙溫度時(shí)的回收熱為：
0.0921×（1100-150）=87.5kJ/mol
實(shí)際固硫劑吸熱為△Q4=99-87.5=11.5kJ/mol
則Q5=11.5×2.5×1000/32=898.4=0.031kJ/kg，熱損失為0.04%。連同固硫劑受熱分解、反應(yīng)吸熱、放熱的熱損失0.225%，則理論計(jì)算熱損失僅為0.27%。
下面是固硫劑第一次工業(yè)試運(yùn)行時(shí)鍋爐效率的測(cè)試結(jié)果：
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(2)對(duì)鍋爐受熱面的影響
a. 由于AG系列固硫劑的原理是氧化鈣與SO2與SO3的反應(yīng)生成CaSO4，從而降低了SO3和硫酸蒸汽濃度，也降低了低溫受熱面的腐蝕。固硫劑從爐膛出口區(qū)域噴入，對(duì)爐膛影響極少，不可能增加高溫腐蝕。
b. 對(duì)受熱面的磨損和沖擊細(xì)磨后的CaO的硬度較小，而且不朝向受熱面噴射不至于增加撞擊磨損。主要磨損的是灰負(fù)荷，加入固硫劑后，灰負(fù)荷有所增大，但未至于會(huì)造成對(duì)鍋爐尾部磨損有較大的影響。根據(jù)南京下關(guān)電廠爐內(nèi)噴鈣運(yùn)行多年觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯磨損跡象。
(3)對(duì)鍋爐燃燒的影響：
固硫劑從鍋爐屏過(guò)下部噴入，已是燃燒中心上部，已接近鍋爐轉(zhuǎn)向室，該處的燃料粒子已完全燃盡，所以不會(huì)影響到鍋爐的燃燒，也不會(huì)改變煤灰的變形溫度（T2）軟化溫度（T1）。
(4)對(duì)電除塵器的影響：
對(duì)已應(yīng)用的廣石化的自備電廠4#爐和廣州恒運(yùn)電廠3#~5#爐的結(jié)果表明，在最大鈣硫比（Ca/S=2.5）的狀況下，雙室三電場(chǎng)的電除塵在正常工作狀態(tài)下，出口煙塵濃度變化不大。按廣東省2002年1月1日?qǐng)?zhí)行的“大氣污染物排放值”上述兩廠也擬對(duì)電除塵器進(jìn)行改造。使用固硫劑以后，出口煙塵量最大可比原灰荷增加約1/5，但電除塵作修復(fù)性檢修后，基本可滿足固硫劑條件。為了適應(yīng)更加嚴(yán)格的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)。建議對(duì)電除塵選用以下改進(jìn)方法：
a. 改進(jìn)進(jìn)口煙箱（在工程承包范圍內(nèi)），使電除塵進(jìn)口煙箱的慣性除塵率達(dá)到40%以上。減輕進(jìn)電場(chǎng)的煙塵濃度（已有專(zhuān)利技術(shù)），消化使用固硫劑后增加的煙塵濃度。
b. 改進(jìn)板線結(jié)構(gòu)采用“C”=480板和電暈性能較好的陰極線。
c. 改善振打清灰性能。
(5)對(duì)粉煤灰的影響：
使用固硫劑后使粉煤灰在一定程度上發(fā)生了變化，生成的是高鈣高硫粉煤灰。在這種粉煤灰中CaSO4以SO3的形式存在。由于固硫劑是鈣基型，致使粉煤灰顆粒類(lèi)似于高鈣灰粒，有較高的反應(yīng)活性，當(dāng)采取干法排灰時(shí)，灰的內(nèi)部成分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，保持較高的火山灰活性。
如南京某電廠采用LAFIC脫硫技術(shù)（爐內(nèi)噴鈣和尾部增濕）其粉煤灰活性指標(biāo)28天抗壓強(qiáng)度比可達(dá)86.8%，在建材方面有較大的利用價(jià)值，仍可按常規(guī)方式綜合利用。粉煤灰用作成品混凝土摻合料時(shí)，價(jià)值最高。但粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)的SO3不能超過(guò)3%。使用AG系列固硫劑脫硫技術(shù)，可選擇合理的煤含硫量，脫硫率（Ca/S比）煙氣含SO2濃度保證粉煤灰中的SO3的含量不超過(guò)3%。按中科院大連化物所理論計(jì)算，在煤含硫量為0.63%，脫硫率為60%時(shí)，粉煤灰的SO3含量為3.33%，除去爐渣的硫份，實(shí)際運(yùn)行中是達(dá)不到這個(gè)理論計(jì)算值。
廣州某電廠含硫?yàn)?.6%的煤，脫硫率為65%時(shí)，其粉煤灰總硫量為0.82%，折算成SO3只有2.05%。至于干法除灰方式收集的粉煤灰用作水泥廠熟料和建材產(chǎn)品等方面是沒(méi)有問(wèn)題的。不過(guò)價(jià)值要比優(yōu)質(zhì)粉煤灰低，但粉煤灰量的增加，可彌補(bǔ)這方面的損失。要說(shuō)明的是，用作混凝土摻和料的粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)是90年代初制定的。當(dāng)時(shí)并沒(méi)有高鈣高硫粉煤灰產(chǎn)生。隨著電廠逐步上脫硫設(shè)施，粉煤灰指標(biāo)和脫硫粉煤灰的應(yīng)用必將擺上議事日程。
五、本技術(shù)優(yōu)勢(shì)
1. 本干法催化脫硫技術(shù)是可以裝備大容量煤粉鍋爐，尤其是已投入運(yùn)行的鍋爐。50MW~300MW發(fā)電機(jī)組鍋爐可以應(yīng)用本脫硫技術(shù)。
2. 本脫硫技術(shù)應(yīng)用干法催化技術(shù)，使傳統(tǒng)的爐內(nèi)噴鈣脫硫率有大幅度增加。
3. 本脫硫技術(shù)無(wú)論一次性投資、設(shè)備占地面積、運(yùn)行成本、脫硫單位費(fèi)用、施工周期等方面相比于其它脫硫技術(shù)是最低的。特別是安裝和將來(lái)設(shè)備檢修，發(fā)電機(jī)組完全可以正常運(yùn)行，不影響電廠的發(fā)電指標(biāo)完成。
4. 本脫硫技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生二次污染，是綠色技術(shù)，其固硫劑原材料為天然礦物質(zhì)和工業(yè)廢料。
5. 本脫硫技術(shù)具有可持續(xù)發(fā)展功能，升級(jí)能力強(qiáng)，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化固硫劑的配方或煙道增濕活化提高脫硫率，在應(yīng)用AG-2固硫技術(shù)同時(shí)，改造除塵器進(jìn)口煙箱，消化使用固硫劑增加的粉煤灰，也可為將來(lái)通過(guò)尾部煙道增濕活化再提高脫硫率打下基礎(chǔ)。
6. 在電力系統(tǒng)中，安全可靠性可謂是電廠管理的重中之重。而AG-2固硫劑干法催化脫硫技術(shù)及其裝備全部在爐外布置，對(duì)比其它在煙道布置的脫硫技術(shù)，有著不可替代的安全優(yōu)勢(shì)。它絕不會(huì)因?yàn)槊摿蛳到y(tǒng)故障影響到鍋爐正常運(yùn)行。隨時(shí)停下來(lái)檢修，絕不會(huì)影響到機(jī)組發(fā)電。
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