DCL型固硫技術(shù)在大型高壓煤粉鍋爐的應(yīng)用

   摘   要：通過對(duì)固硫劑輸送、噴射設(shè)施的優(yōu)化及不同Ca/S摩爾比、不同噴射方式下鍋爐SO2的削減量，證實(shí)了DCL型燃煤固硫劑是一種投資少、占地小、效率高的新技術(shù)，可在220t/h高壓煤粉鍋爐使用。 
       關(guān)鍵詞：固硫劑；輸送、噴射裝置；二氧化硫；削減量 
       DCL型燃煤固硫劑脫硫技術(shù)是國家環(huán)保總局下達(dá)給中科院的“九五”攻關(guān)項(xiàng)目，已通過國家科委的成果鑒定，并于1999年9月在鞍鋼第一發(fā)電廠130t/h鍋爐上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)運(yùn)行并取得成功，Ca/S摩爾比在2.0～2.5時(shí)，SO2的排放削減量穩(wěn)定在59%～66%之間。中國石化集團(tuán)廣州石油化工總廠與廣州市粵首實(shí)業(yè)有限公司合作在廣州石化總廠自備熱電站4#鍋爐（WGZ220/100-13型高壓、單汽包、自然循環(huán)、固態(tài)排渣煤粉爐）進(jìn)行DCL型固硫劑示范工程，從固硫劑儲(chǔ)存、輸送、噴射工藝上采取了先進(jìn)技術(shù)，在試運(yùn)行中取得較好效果，達(dá)到成果鑒定的SO2排放削減率。在燃煤含硫量為0.8%，Ca/S為2.0和2.5時(shí)，SO2排放削減率分別達(dá)到了57.9%和65.5%。 
       一、固硫技術(shù)基本原理 
       煤按不同的含硫量稱為低、中、高硫煤。硫在煤中以無機(jī)硫（單質(zhì)硫、硫酸鹽），有機(jī)硫（硫醇、硫鍵、雜環(huán)硫）等不同形態(tài)存在，在燃燒過程中生成硫氧化物SOx。SOx排入大氣經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)，形成硫酸霧，進(jìn)而形成酸雨，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。
固硫技術(shù)是指在鍋爐燃燒過程的一定溫度區(qū)域中加入固硫劑脫硫的方法，使燃燒過程中產(chǎn)生的SOx立即轉(zhuǎn)化為MeSOx，固定在爐渣及煤灰中，而不排入大氣環(huán)境，其原理為：
SO2＋MeO＋1/20 → MeSO4 
       但此反應(yīng)式?jīng)]有表達(dá)反應(yīng)的復(fù)雜機(jī)理和各種條件因素。可燃硫燃燒后生成SOx，當(dāng)鍋爐過剩空氣系數(shù)=2、燃燒室出口溫度=1100℃時(shí)，絕大部分是SO2，SO3僅為3%～5%，隨過剩空氣和燃燒室出口溫度加大而增加。如果用CaO來吸收SO2，吸收率是非常低的。生成的CaSO3在過剩空氣為2%～3%時(shí)，也只有少部分CaSO3被氧化成穩(wěn)定的CaSO4，大部分又被分解為CaO與SO2。而CaO吸收SO3的的效果要好得多，其吸收率取決于CaO的活性（比表面及活化中心），如在CaO中加入一定量的催化劑進(jìn)行活化處理，CaO對(duì)SO3的吸收率則大大提高了。 
       DCL型固硫劑正是運(yùn)用這個(gè)原理在MeO中加一定量的助劑，將催化的概念引入固硫，通過提高固硫劑的吸附表面及活性，同時(shí)將SO2轉(zhuǎn)化為SO3，或使CaSO3轉(zhuǎn)化為CaSO4，從而使Ca O固硫率大大提高，DCL型固硫劑不同于傳統(tǒng)的固硫劑摻加到原煤中，而是噴到鍋爐燃燒中心上部，固硫劑直接與煙氣中的SOx反應(yīng)，對(duì)燃燒沒有造成不良影響，對(duì)鍋爐效率影響甚微。 
       二、DCL型固硫劑爐內(nèi)噴射基本工藝 
       按照DCL型固硫劑的技術(shù)要求，與煙氣最佳反應(yīng)溫度為950℃～1050℃。固硫劑噴嘴的位置確定在23.1m前墻看火孔處，該處處于鍋爐轉(zhuǎn)向室之前，屏式過熱器煙氣入口中心點(diǎn)下3m處，在鍋爐負(fù)荷170t/h時(shí)，利用阿吉瑪紅外線熱像測得該處溫度為1045℃～1075℃，這樣完全不用對(duì)鍋爐進(jìn)行改造。
DCL固硫劑物理性能： 
       堆密度：1.00～1.15t/m3細(xì)度：≤200目 
       外觀：灰色粉狀物　含水量：≤5% 
       根據(jù)固硫劑容易受潮和粘附力較強(qiáng)的特性，我們?cè)诳紤]工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量簡化系統(tǒng)、優(yōu)化工藝，并在整個(gè)系統(tǒng)中考慮到不發(fā)生二次污染，而且要有一定自控程度。整個(gè)工藝流程見圖1。

圖1　DCL型固硫劑輸送噴射工藝流程

       如圖1所示，100m3儲(chǔ)罐為鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)料倉，儲(chǔ)料倉根據(jù)DCL型固硫劑物理特性設(shè)置自動(dòng)加熱的空氣流化設(shè)施，高低料位采用美國DE公司產(chǎn)品。罐頂設(shè)置布袋除塵器，用于處理散裝車輛料進(jìn)罐的動(dòng)力氣源。發(fā)送器輸送能力為6～8t/h，氣灰度為1：39。22層小料倉為2m3×2，同樣設(shè)置美國DE公司料位計(jì)、加熱板、布袋除塵器。噴射部分包括了羅茨風(fēng)機(jī)、螺旋給料機(jī)（帶變頻調(diào)速）、噴嘴。發(fā)送系統(tǒng)采用了PLC程控：小料倉料位低→發(fā)送器啟動(dòng)→輸送固硫劑往上料倉→上料倉料位高→發(fā)送器停運(yùn)→吹掃輸送系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)占地在50m2左右，并包括預(yù)留第二臺(tái)爐位置。 
       為了保證噴嘴不會(huì)堵塞，設(shè)置羅茨機(jī)任何一種狀況下停機(jī)均聯(lián)跳對(duì)應(yīng)給料機(jī)。羅茨風(fēng)機(jī)停運(yùn)、系統(tǒng)設(shè)置在程控狀態(tài)下，給料機(jī)不能啟動(dòng)。其它參數(shù)均能在表盤顯示，給料機(jī)可人工任意調(diào)整轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)給料量。
固硫劑噴嘴從鍋爐標(biāo)高23.1m處下兩個(gè)手孔插入，噴嘴采用耐熱合金鋼鑄造，內(nèi)管鋼材為1Gr18Ni9Ti。助推風(fēng)利用鍋爐熱風(fēng)道送來的熱風(fēng)，氣料比為＜3kg/m3。為保證固硫劑能在爐內(nèi)迅速均勻擴(kuò)散，噴嘴在出廠前進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)，保證足夠的旋流強(qiáng)度，使物料離開噴嘴迅速擴(kuò)散并形成一個(gè)回流區(qū)，保證固硫劑均勻擴(kuò)散。系統(tǒng)中采用了不少外國先進(jìn)專利技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)耗能見表1和表2。

       表1輸送噴射設(shè)備電耗表

       表2輸送噴射設(shè)備氣耗表

       三、固硫劑在鍋爐應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問題 
       1、固硫劑噴入爐內(nèi)區(qū)域選擇　實(shí)驗(yàn)室高溫固硫表明，溫度對(duì)固硫效率是相當(dāng)重要的，當(dāng)溫度超過1200℃時(shí)SO2重新釋放出來，固硫率接近于零。這是因?yàn)椋篠O2通過覆蓋在CaSO4表面的保護(hù)層的擴(kuò)散速度隨著溫度的升高而增大；另一種原因可能是在當(dāng)固硫劑里面的催化劑失效時(shí)，SO2與MeO生成的MeSO3又分解為SO2和MeO。從4#爐試驗(yàn)結(jié)果來看，第二種可能更大一些。 
       4#爐第一次試驗(yàn)，噴嘴裝在20.8m處，噴入?yún)^(qū)域溫度高于1200℃，數(shù)據(jù)顯示出口煙氣中的SO2較未噴固硫劑時(shí)煙氣中的SO2還高出5%～10%。當(dāng)噴嘴裝到23.1m時(shí)，（測得溫度均為1045℃）固硫效率明顯提高。 
       2、選擇合適的鈣硫比　不同的固硫劑添加量有不同的固硫效果，取決于原煤含硫量、燃煤用量，它可通過鈣硫摩爾比來求得： 
       M=A×B×X/0.27 
       式中：M--固硫劑噴入量t/h 
       A--鍋爐每小時(shí)耗煤量t/h 
       B--煤中含硫量% 
       X--Ca/S摩爾比 
       假設(shè)220t/h鍋爐燃煤量為28t/h，煤中含硫量為0.8%，要求Ca/S摩爾比為2時(shí)，則固硫劑噴入量為：
M=28×0.8%×2/0.27=1.66t/h 
       設(shè)定不同的Ca/S摩爾比取決于本爐在哪一種固硫劑噴入量取得最佳固硫效果，它要考慮到安全、經(jīng)濟(jì)，對(duì)削減SO2排放量的要求等，經(jīng)優(yōu)化方式來決定。廣石化220t/h鍋爐在應(yīng)用試運(yùn)Ca/S摩爾比在2和2.5時(shí)，由廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所測得的SO2削減率，見表3。

       表3DCL型燃煤固硫劑固硫效果監(jiān)測結(jié)果 
 
       注：廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所監(jiān)測

       需要說明的是，固硫劑噴入爐內(nèi)后，最終與粉煤灰一起被電除塵捕捉。不能無限度的提高Ca/S摩爾比，否則，電除塵前煙塵濃度增大后，影響電除塵正常運(yùn)行。在電除塵滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，電除塵出口煙塵排放濃度依然超標(biāo)。根據(jù)4#爐投入固硫劑后對(duì)電除塵前后煙塵濃度和除塵效率檢測結(jié)果表明，當(dāng)Ca/S摩爾比在2.5以下時(shí)，除塵效率和出口煙塵濃度變化不大。 
       3、噴嘴助推風(fēng)對(duì)脫硫效率的影響 
       由于各種鍋爐結(jié)構(gòu)不同，設(shè)計(jì)煤種和實(shí)際用的煤種不一樣，鍋爐的溫度場分布不一樣，廣石化4#爐最后確定的固硫劑噴入位置為23.1m處，該處爐內(nèi)結(jié)構(gòu)見圖2。

 
圖2　固硫劑噴嘴位置

       當(dāng)噴嘴二次風(fēng)速過高時(shí)，SO2排放量曾出現(xiàn)過削減率不到35%，當(dāng)調(diào)整了二次風(fēng)開度，降低了風(fēng)速，SO2削減率即上升到55%以上。在不同鍋爐應(yīng)用時(shí)，噴嘴的助推風(fēng)（二次風(fēng)）的風(fēng)速的調(diào)整是相當(dāng)重要的。 
       四、脫硫成本分析 
       目前供應(yīng)商提供的固硫劑為200元一噸，根據(jù)Ca/S摩爾比在2.0和2.5時(shí)的SO2削減率，按廣石化動(dòng)力事業(yè)部4#鍋爐試驗(yàn)時(shí)的原煤含硫量和耗煤量理論測算，當(dāng)Ca/S摩爾比在2.0時(shí)，削減每噸SO2固硫劑成本為1509元；當(dāng)Ca/S摩爾比在2.5時(shí)，固硫劑成本為1687元，每kW·h發(fā)電成本約增加0.006元～0.008元。SO2排放環(huán)境造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此數(shù)，也大大低于國外脫硫設(shè)施削減一噸SO2的成本。 
       DCL型燃煤固硫劑技術(shù)，具有投資少、占地小、效率高、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)鍋爐運(yùn)行安全可靠性影響甚微，非常適合我國國情。DCL型固硫劑固硫技術(shù)，對(duì)新建企業(yè)鍋爐的環(huán)保“三同時(shí)”，對(duì)現(xiàn)有企業(yè)的改擴(kuò)建、削減企業(yè)的SO2排放總量，是一個(gè)可行的高新技術(shù)