文 // 陳渝飛 葉培祥 黃鐵軍 四川華鎣山廣能集團(tuán)四方電力有限責(zé)任公司

煤矸石是在煤礦建設(shè)、煤炭開(kāi)采和加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，是目前我國(guó)排放量最大的固體廢棄物，占全國(guó)工業(yè)固體廢棄物的20%以上。華鎣山礦區(qū)內(nèi)鈣質(zhì)型煤矸石發(fā)熱量低于1500kcal/kg，含硫量超過(guò)5%，但其中石灰石（CaCO3）含量高達(dá)50%。如能夠直接利用煤矸石中的石灰石成分脫硫，不僅降低煤矸石發(fā)電煙氣達(dá)標(biāo)排放的治理成本，還能增加煤矸石發(fā)電的資源綜合利用量和發(fā)電量。

1 燃煤鍋爐爐內(nèi)固硫技術(shù)研究

1.1 爐內(nèi)固硫化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

燃煤鍋爐爐內(nèi)固硫的原理是：燃煤鍋爐煤燃燒過(guò)程中生成的SO2，遇到堿金屬物CaO、MgO等時(shí)，生成CaSO4、MgSO4等而被脫出，隨鍋爐灰渣排出鍋爐，從而降低煙氣中SO2的排放濃度。

采用石灰石（CaCO3）作為脫硫劑是燃煤電廠普遍采用的脫硫方法。該方法就是在煤燃燒過(guò)程中，煤中加入的石灰石分解生成石灰（CaO），CaO在氧化性氣氛下與煙氣中的SO2及氧反應(yīng)生成硫酸鈣（CaSO4）。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐

循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)主要包括爐膛、氣固分離器和返料器這三個(gè)關(guān)鍵部件。循環(huán)流化床爐燃燒分布在整個(gè)爐膛范圍內(nèi)，爐膛溫度上下均勻；被煙氣攜帶出爐膛的物料被分離器分離后經(jīng)返料器返回爐膛，物料如此反復(fù)循環(huán)燃燒；鍋爐熱容量大、燃燒溫度便于控制、燃燒效率較高、適用低熱值煤矸石做為燃料。

由于循環(huán)流化床鍋爐的工作特點(diǎn)，燃料在循環(huán)流化床中燃燒時(shí)，被煙氣帶走的細(xì)顆粒能在循環(huán)灰分離器中被分離出來(lái)并送回爐內(nèi)再進(jìn)行反應(yīng)，延長(zhǎng)了脫硫劑的停留時(shí)間；其次，流化床整個(gè)爐膛范圍內(nèi)，爐膛溫度上下均勻，剛進(jìn)入爐膛內(nèi)的新鮮燃料和脫硫劑顆粒能在瞬間即被加熱到爐膛溫度，而且在整個(gè)固體物料的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)溫度分布均勻，使得脫硫劑和SO2的反應(yīng)能在整個(gè)爐膛和分離器內(nèi)進(jìn)行；還有，在爐膛內(nèi)的內(nèi)循環(huán)和整個(gè)物料通過(guò)分離器的外循環(huán)過(guò)程中，脫硫劑的顆粒會(huì)被因?yàn)轭w粒間的碰撞發(fā)生破碎而出現(xiàn)新的反應(yīng)表面，增加煤中硫分燃燒后在煙氣中形成SO2的接觸反應(yīng)面積；這一切大大改善了脫硫性能，提高了脫硫劑的鈣利用率，可以達(dá)到比一般鍋爐更高的爐內(nèi)脫硫效率。用循環(huán)流化床加石灰石脫硫時(shí)，當(dāng)Ca/S=1.5～2.0，可以達(dá)到90%的脫硫效率。

1.3 影響燃用煤矸石流化床鍋爐爐內(nèi)固硫效率的因素及措施

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒和脫硫過(guò)程十分復(fù)雜，影響脫硫效率的因素很多，使用低熱值煤矸石做為入爐燃料的流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫主要影響因素如下：

①使用燃料發(fā)熱量不高但含硫量偏高，摻入石灰石后降低入爐燃料發(fā)熱量，影響鍋爐燃燒。

②爐膛溫度偏離石灰石分解生成石灰的最佳反應(yīng)溫度850℃，石灰生成量不足。

③粗顆粒石灰石生成的粗顆粒石灰，不能與SO2充分接觸反應(yīng)，就被排出鍋爐，爐內(nèi)固硫效率低。

1.3.1 爐膛溫度

爐膛溫度對(duì)循環(huán)流化床鍋爐脫硫效率有很大影響。爐膛溫度的變化直接影響到脫硫劑的反應(yīng)速度、固體產(chǎn)物分布及孔隙堵塞特性，從而影響脫硫劑的利用率。為了保證爐內(nèi)石灰石分解生成石灰所要求的溫度水平，鍋爐必須控制在850℃低溫燃燒，為了保證煤炭的燃盡率，選擇高溫分離器替代原來(lái)的中溫旋風(fēng)分離器，增加回收效率，同時(shí)回收回來(lái)的灰具有較高溫度，不會(huì)降低鍋爐燃燒室的溫度水平，為鍋爐低溫燃燒提供技術(shù)保障。

1.3.2 鈣硫摩爾比（Ca/S）

如圖1所示，在煤燃燒過(guò)程中采用石灰石脫硫，由于反應(yīng)過(guò)程中CaCO3顆粒轉(zhuǎn)變成CaO顆粒時(shí)其摩爾體積縮小45%，因而使原CaCO3內(nèi)的自然孔隙擴(kuò)大了許多，這有利于多孔隙的CaO與SO2反應(yīng)生成CaSO4。但是，由于由CaO轉(zhuǎn)變成CaSO4的反應(yīng)過(guò)程其摩爾體積增大180%左右，在反應(yīng)一開(kāi)始，就會(huì)在CaO的表面生成一層厚度為32μm的致密CaSO4薄層。這一CaSO4薄層的孔隙比SO2分子的尺寸小，從而阻礙了SO2進(jìn)入CaSO4薄層進(jìn)一步擴(kuò)散到CaO顆粒內(nèi)層進(jìn)行反應(yīng)，所以在煤燃燒過(guò)程中用石灰石脫硫時(shí)，其鈣利用率通常較低，如果要達(dá)到較高的脫硫效率，應(yīng)投入比化學(xué)當(dāng)量多得多的石灰石。一般流化床鍋爐脫硫時(shí)的鈣硫摩爾比（Ca/S）在2～3的范圍內(nèi)。

1.3.3 脫硫劑顆粒粒徑

石灰石粒徑大時(shí)其脫硫效率明顯下降，這主要是因?yàn)槊摿騽┑姆磻?yīng)表面積小而鈣利用率低。但石灰石顆粒的粒徑也不能太細(xì)，因?yàn)楝F(xiàn)在常用的循環(huán)灰分離器只能分離出粒徑大于75μm的顆粒，而小于75μm的顆粒由于不能再返回爐膛而降低了利用率。一般燃煤鍋爐爐內(nèi)噴入的石灰石粒徑控制在0～2mm，平均100～500μm的粒徑為宜。

圖1 石灰石在煤燃燒過(guò)程中的脫硫原理

2 利用煤矸石中高含量石灰石脫硫存在的問(wèn)題及解決措施

2.1 利用煤矸石中高含量石灰石存在的問(wèn)題

為了保證鍋爐的燃燒效率，使用煤矸石做燃料的循環(huán)流化床鍋爐，燃煤粒徑一般在0～13mm之間。這樣，煤矸石中石灰石反應(yīng)生成的CaO，受與SO2反應(yīng)生成的致密CaSO4薄層影響，阻礙了SO2進(jìn)入CaSO4薄層進(jìn)一步擴(kuò)散到CaO顆粒內(nèi)層進(jìn)行反應(yīng)，降低爐內(nèi)固硫效率。大量CaO隨鍋爐爐渣排除爐外。

2.2 爐渣中CaO分離技術(shù)

爐內(nèi)大量未及時(shí)地、充分地與SO2反應(yīng)的CaO，隨著爐渣排出爐外，通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)至渣倉(cāng)后裝車(chē)外運(yùn)。為了將爐渣中的CaO分離回收利用，設(shè)計(jì)在機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，對(duì)灰渣進(jìn)行弱酸性水水洗，酸性水進(jìn)入CaSO4薄層進(jìn)一步擴(kuò)散到CaO顆粒內(nèi)層進(jìn)行反應(yīng)，CaO顆粒迅速膨脹爆裂，與水充分接觸全部反應(yīng)生成含堿性物質(zhì)Ca(OH)2的堿漿液。

2.3 利用堿液進(jìn)行尾部煙氣濕法脫硫

在小型煤矸石電廠，對(duì)鍋爐尾部煙氣中SO2常采用拋棄法石灰濕法脫硫，將Ca(OH)2石灰稀漿從脫硫塔內(nèi)布置的噴嘴中噴入，與通過(guò)塔體的煙氣接觸，煙氣中的SO2溶入水溶液中，并被其中的堿性物質(zhì)中和，從而脫除煙氣中的SO2。

3 改造煤矸石電廠爐內(nèi)爐外干濕法聯(lián)合脫硫系統(tǒng)實(shí)例

圖2 脫硫水洗石灰系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

廣能集團(tuán)綠水洞電廠現(xiàn)有兩臺(tái)高溫分離循環(huán)流化床鍋爐，其設(shè)計(jì)入爐燃燒值為12000～15000kcal/kg。鍋爐采用尾部煙氣拋棄法石灰濕法脫硫，脫硫劑購(gòu)置含鈣80%以上的石灰制備成漿液。鍋爐排渣在撈渣機(jī)中水冷后經(jīng)大傾角皮帶輸送機(jī)運(yùn)至渣倉(cāng)。

在該系統(tǒng)中，一方面電廠外購(gòu)石灰做為爐外煙氣脫硫的脫硫劑原料；另一方面爐內(nèi)大量未及時(shí)、充分地與SO2反應(yīng)的CaO隨著爐渣排出爐外，通過(guò)機(jī)械運(yùn)至渣倉(cāng)后裝車(chē)外運(yùn)。為了利用灰渣中的CaO，電廠對(duì)爐內(nèi)爐外脫硫系統(tǒng)進(jìn)行高效聯(lián)合脫硫設(shè)計(jì)改造。在原有排渣和爐外煙氣脫硫系統(tǒng)之間新建脫硫水洗石灰爐外脫硫系統(tǒng)。

該系統(tǒng)中，脫硫塔出水經(jīng)過(guò)沉淀池沉淀后的酸性清水，由脫硫泵不停地向撈渣機(jī)內(nèi)注入，使撈渣機(jī)灰渣與水充分接觸，水從灰渣中CaSO4薄層進(jìn)一步擴(kuò)散到CaO顆粒內(nèi)層，全部反應(yīng)生成堿性物質(zhì)Ca(OH)2，然后將這些富含Ca(OH)2的水通過(guò)石灰水池水泵注入脫硫塔脫硫，發(fā)生反應(yīng)Ca(OH)2+SO2→CaSO4+H2O，充分脫除煙氣中的SO2，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

在該系統(tǒng)的沉淀池中，部分未與SO2反應(yīng)的Ca(OH)2在此積聚沉淀，定期用橋式起重機(jī)將其抓出，堆放在灰坪內(nèi)自然風(fēng)干后，轉(zhuǎn)運(yùn)至煤坪，與煤矸石充分混合后進(jìn)入鍋爐再次利用，此時(shí)，石灰物質(zhì)的粒徑已基本在0～200μm，完全達(dá)到爐內(nèi)脫硫窄篩分的要求，能對(duì)爐內(nèi)脫硫起到理想的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)家鼓勵(lì)循環(huán)流化床鍋爐用戶(hù)燃用當(dāng)?shù)亓淤|(zhì)煤，合理利用國(guó)家能源，改善環(huán)境質(zhì)量。綠水洞電廠在現(xiàn)有燃料篩分制備系統(tǒng)情況下，有效利用本地區(qū)煤矸石中石灰石成份重（50%以上）這一優(yōu)勢(shì)，有效地降低燃煤及發(fā)電成本，獨(dú)創(chuàng)了一套爐內(nèi)固硫，爐外灰渣分離石灰綜合脫硫系統(tǒng)，有效的提高了脫硫效率，達(dá)到了不外加脫硫劑、不對(duì)脫硫劑單獨(dú)破碎篩分就能達(dá)到環(huán)保要求的目。