段飛飛

（內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

引言

2018年7月國務(wù)院發(fā)布的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》提出“到2020年，我國二氧化硫、氮氧化物排放總量分別比2015年下降15%以上，65蒸噸/小時及以上燃煤鍋爐全部完成節(jié)能和超低排放改造。”《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》于2018年1月1日開始實(shí)施，其中指出“在中華人民共和國領(lǐng)域和中華人民共和國管轄的其他海域，直接向環(huán)境排放應(yīng)稅污染物的企業(yè)事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營者為環(huán)境保護(hù)稅的納稅人，應(yīng)當(dāng)依照本法規(guī)定繳納環(huán)境保護(hù)稅?！被鹆Πl(fā)電廠要達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，提高脫硫效率，減少環(huán)境保護(hù)稅繳納額，采用高效脫硫技術(shù)是減少二氧化硫排放量的必由之路。

1 褐煤中硫的賦存及遷移

1.1 硫在褐煤中的賦存狀態(tài)

硫是褐煤中的有害物質(zhì)，煤中的硫可分為無機(jī)硫和有機(jī)硫兩大部分。無機(jī)硫包括硫化物硫，主要以黃鐵礦（FeS2）為主，還有少量的白鐵礦（FeS2）、砷黃鐵礦（FeAsS）和元素硫；硫酸鹽硫，主要有石膏（CaSO4·2H2O）、綠礬（FeSO4·7H2O）等。

有機(jī)硫在煤中沒有固定的含量，其化學(xué)結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，但基本上測定出有機(jī)硫以幾種官能團(tuán)存在于煤中，即硫化物或硫醚類R-S-R`、硫醇類R-SH、含噻吩環(huán)的芳香體系、硫醌類和二硫化物R-S-S-R`或硫蒽類[1]。褐煤中有機(jī)硫的含量相對較高，并且主要以硫醇類（R-SH）和脂肪硫（R-S-R）為主。

1.2 煤經(jīng)過磨煤機(jī)后硫分的損失

通過收集某電廠同一機(jī)組、磨煤機(jī)在不同時段排放的大量石子煤試樣[2]。經(jīng)初步篩選形成了5份較有代表性的石子煤樣本?；?yàn)石子煤灰成分，結(jié)果見表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，石子煤中含有SO3成分約2.5%。石子煤按燃煤量的0.7%計(jì)算，故煤在燃燒前經(jīng)過磨煤機(jī)后，硫分損失約0.007%。

表1 石子煤灰成分實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果 （單位：%）

1.3 褐煤中硫在燃燒過程中的轉(zhuǎn)換

無論是有機(jī)硫還是無機(jī)硫，在煤的燃燒過程中都將轉(zhuǎn)化。煤粉在溫度上升到500℃左右時，煤中的有機(jī)硫在氧化氣氛中生成SO2；硫鐵礦（FeS2）在溫度400℃～800℃熱解后[3]，生成SO2和Fe2O3。

石灰石（CaCO3）分解溫度在765℃，低于此溫度CaO會吸收CO2再度變?yōu)镃aCO3。一般CaO的有效反應(yīng)溫度為900℃～1100℃[4]。在煤燃燒過程中，煤中的石灰石將分解成CaO，CaO與煙氣中的SO2反應(yīng)生成CaSO4。

Ca、Mg的硫酸鹽分解溫度都較高（CaSO41450℃，MgSO41124℃），通常在鍋爐燃燒過程中不會發(fā)生分解而直接隨同灰渣排出。

故在煤燃燒前后煤中硫的轉(zhuǎn)換遷移主要分為三部分，大部分煤中硫燃燒后轉(zhuǎn)化為SO2、SO3隨煙氣進(jìn)入后處理系統(tǒng)，少部分以硫酸鹽形式隨灰渣排出，極少部分隨石子煤攜帶排出。

1.4 確定褐煤的硫轉(zhuǎn)化率

勝利煤田位于內(nèi)蒙古錫林浩特市西北部的寶力根蘇木境內(nèi)，煤田內(nèi)盛產(chǎn)褐煤，屬于高揮發(fā)分、低熱值、高水分煤質(zhì)。褐煤中有機(jī)硫的含量相對較高，并且有機(jī)硫主要以硫醇類（R-SH）和脂肪硫（R-S-R）為主，所以在燃燒過程中，褐煤的硫轉(zhuǎn)化率值相對較高。經(jīng)試驗(yàn)分析得出褐煤的硫轉(zhuǎn)化率為0.88～0.92[5]，故褐煤硫的轉(zhuǎn)化率值取90%是較適宜的。

1.5 煙氣中SO3產(chǎn)生及脫除過程

1.5.1 燃燒過程

在爐膛內(nèi)燃燒過程中，離解的氧原子與SO2在高溫區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)生成SO3；煙氣離開爐膛后，在溫度450℃～650℃的條件下，在金屬氧化物的催化作用下，SO2也能快速、高效地氧化生成SO3。但總的說來，SO2轉(zhuǎn)化為SO3的比率僅為0.5%～1%[6]。

1.5.2 SCR催化過程

煙氣在經(jīng)過SCR脫硝反應(yīng)區(qū)時，部分SO2在SCR催化劑活性成分的催化反應(yīng)下與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生了SO3，選擇性催化還原法SCR催化劑在脫硝過程的有效成分是TO2、V2O5中的鈦元素和釩元素，其中釩元素在反應(yīng)過程中起主要作用。煙氣溫度在310℃～420℃，SO2經(jīng)過SCR后，SO3的氧化率為0.5%～1.5%[7]。

1.5.3 SO3的遷移過程

（1）空預(yù)器

SO3在空預(yù)器冷端原件處會發(fā)生酸凝結(jié)，酸霧被煙氣中的飛灰捕集，同時SCR系統(tǒng)中泄露的NH3也會與SO3反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為黏性固體硫酸氫銨而被去除。SO3的減少量取決于煙氣溫度、空預(yù)器類型、煙氣流速等，通?？疹A(yù)器對SO3的脫除率為10%～15%。

（2）靜電除塵器

煙氣經(jīng)過靜電除塵器，煙氣溫度降低，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)后，SO3同水蒸氣一起黏附在灰塵中，被電除塵捕獲后進(jìn)入輸灰系統(tǒng)。SO3的脫除率取決于煙氣溫度和飛灰成分，通常靜電除塵器對SO3的脫除率為10%～15%。

（3）FGD脫硫系統(tǒng)

煙氣進(jìn)入脫硫系統(tǒng)后，濕漿液對SO3有脫除效應(yīng)，但由于脫硫漿液對SO2的吸收速率大于SO3的吸收速率[8]，酸霧在脫硫塔內(nèi)形成細(xì)小的氣溶膠，而漿液對氣溶膠的吸收率很低，同時煙氣在脫硫吸收區(qū)停留時間也較短，故SO3的脫除效率通常為50%～90%[9]。經(jīng)過試驗(yàn)，采用旋匯耦合技術(shù)的濕法脫硫工藝，SO3的脫除效率可達(dá)86%[10]。

1.6 硫在FGD系統(tǒng)中的賦存狀態(tài)

煙氣中的SO2在經(jīng)過FGD后與石灰石漿液進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過吸收和氧化后生成石膏 。

對于強(qiáng)制氧化工藝，則幾乎全部氧化所吸收的SO2，減少反應(yīng)式①～④的發(fā)生。

煙氣中的SO2經(jīng)過FGD裝置后，大部分被脫除（脫硫效率≥99.41%），以石膏的形式排出，少部分隨脫硫廢水或污泥排出，極少部分未被脫除，隨煙氣排放至大氣。

2 褐煤機(jī)組高效脫硫技術(shù)應(yīng)用

煙氣脫硫技術(shù)按照反應(yīng)產(chǎn)物的狀態(tài)可分為濕法、半干法、干法三種脫硫工藝。石灰石-石膏濕法脫硫工藝是目前我國應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的SO2脫除技術(shù)，以石灰石作脫硫吸收劑，通過向吸收塔內(nèi)噴入吸收劑漿液，使之與煙氣充分接觸、混合、并對煙氣進(jìn)行洗滌，使煙氣中的SO2與漿液中的碳酸鈣及鼓入的強(qiáng)制氧化空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成石膏，從而達(dá)到脫除SO2的目的。該工藝適用于任何含硫量煤種的煙氣脫硫，且運(yùn)行可靠，吸收劑利用率高，脫硫效率可達(dá)95%以上，故選擇采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝。

2.1 電廠煤、灰分分析

從煤質(zhì)分析看，電廠燃用勝利褐煤的收到基硫在0.94%～1.01%之間，屬于中硫煤。煤質(zhì)資料見表2。

表2 勝利東二露天煤礦褐煤煤質(zhì)資料

2.2 FGD入口煙氣量參數(shù)

FGD入口SO2濃度按照5878mg/m3（BMCR工況，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基，6%O2）設(shè)計(jì)。若要達(dá)到脫硫出口SO2排放濃度不大于35mg/m3，脫硫效率必須要求不小于99.41%。脫硫入口煙氣參數(shù)見表3。

表3 脫硫入口煙氣參數(shù)

2.3 脫硫系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)選型

脫硫工藝設(shè)計(jì)中最主要的設(shè)計(jì)參數(shù)是液氣比和鈣硫摩爾比。液氣比采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下25.76Lm3（濕），保證鈣硫比1.03，對于一個特定的吸收塔，煙氣流量和最佳煙氣流速確定后，液氣比是達(dá)到規(guī)定脫硫效率的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。

選定完液氣比后，對吸收塔進(jìn)行選型，采用一爐一塔形式，即每套脫硫裝置包括1臺吸收塔、1套漿液循環(huán)系統(tǒng)、1套氧化空氣系統(tǒng)、1套石膏漿液排出系統(tǒng)。1）吸收塔直徑為Φ18.6m（漿池直徑為Φ23m），總高度為48.5m，每臺吸收塔內(nèi)含3級高效除霧器、5層噴淋層、1組氧化空氣管網(wǎng)。其中除霧器采用工藝水沖洗，沖洗水的輸送由除霧器沖洗水泵來完成；每層噴淋層的噴嘴有248個，材質(zhì)為SiC，下方4層噴嘴采用雙向噴嘴，最上層采用單向雙頭噴嘴，以保證單層噴淋層的覆蓋率達(dá)到300%。2）每套循環(huán)系統(tǒng)設(shè)5臺漿液循環(huán)泵，對應(yīng)5層噴淋層，循環(huán)泵的循環(huán)漿液量為13 700m3/h。每臺漿液循環(huán)泵的入口管道設(shè)有1個電動襯膠蝶閥。3）每套石膏漿液排出系統(tǒng)設(shè)兩臺吸收塔石膏排出泵，一運(yùn)一備，吸收塔石膏排出泵的出力為340m3/h。4）氧化風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)置備用，每座吸收塔設(shè)置2臺氧化風(fēng)機(jī)（1運(yùn)1備），氧化風(fēng)機(jī)容量裕量不低于10%，壓頭余量不低于20%。氧化空氣管塔內(nèi)部分的布置形式為管網(wǎng)式塔內(nèi)外均采用雙側(cè)進(jìn)風(fēng)同時在氧化空氣總管上設(shè)置一套減溫裝置。

2.4 節(jié)能型湍流管柵脫硫除塵協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用

湍流管柵提效裝置安裝在吸收塔煙氣入口和噴淋層之間（見下圖），可達(dá)到強(qiáng)化氣液傳質(zhì)效果，均布塔內(nèi)流場，提高漿液在塔內(nèi)的停留時間和氣液接觸面積的效果，最終實(shí)現(xiàn)降低能耗、高效脫硫的目標(biāo)。

湍流管柵提效裝置圖

湍流管柵提效裝置的作用：1）均流作用，使煙氣在噴淋區(qū)的流場和SO2濃度的均布狀況均有大幅改善，有利于提高噴淋區(qū)的脫硫效率和除霧器的除霧效率；2）持液作用，在湍流區(qū)形成持液層，增加漿液在塔內(nèi)的停留時間和氣液傳質(zhì)面積，有利于降低液氣比；3）湍流作用，煙氣在管柵內(nèi)部交替收縮和擴(kuò)張的彎曲流道中流動時產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，不但提高了氣液傳質(zhì)系數(shù)，并強(qiáng)化了超細(xì)顆粒物的湍流團(tuán)聚，有利于顆粒物的協(xié)同控制。

通過工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在脫硫系統(tǒng)入口SO2濃度高達(dá)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下6500mg/m3的工況下，脫硫效率可達(dá)到99.7%。與常規(guī)的空塔噴淋技術(shù)相比，吸收塔平均節(jié)能率為23%；且裝置的運(yùn)行阻力較同類型塔內(nèi)裝置低100～200Pa；采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝固定在吸收塔內(nèi)第一層噴淋層下方平行布置的支撐梁上，安裝時間可控制在2天以內(nèi)。脫硫塔檢修時可直接在其上方搭設(shè)平臺，不用排空吸收塔漿液，吸收塔的檢修時間可縮短10 余天。

3 結(jié)語

對于北方燃用褐煤的火電機(jī)組，通過研究褐煤中硫分的去向，可針對性地采取技術(shù)措施降低煤中硫的環(huán)境污染，同時可指導(dǎo)同類地區(qū)燃燒褐煤的發(fā)電機(jī)組，進(jìn)行脫硫工藝設(shè)計(jì)時對合理選取硫轉(zhuǎn)化率及二氧化硫濃度的計(jì)算。通過實(shí)際脫硫工藝案例，采用新型的湍流管柵提效裝置脫硫技術(shù)，有效提高了二氧化硫的脫除率，達(dá)到了近零排放的環(huán)保指標(biāo)，對同類型的發(fā)電廠有借鑒意義。