煤矸石电厂炉内外联合高效脱硫技术研究

文 // 陈渝飞 叶培祥 黄铁军 四川华蓥山广能集团四方电力有限责任公司

煤矸石是在煤矿建设、煤炭开采和加工过程中产生的废弃物，是目前我国排放量最大的固体废弃物，占全国工业固体废弃物的20%以上。华蓥山矿区内钙质型煤矸石发热量低于1500kcal/kg，含硫量超过5%，但其中石灰石（CaCO3）含量高达50%。如能够直接利用煤矸石中的石灰石成分脱硫，不仅降低煤矸石发电烟气达标排放的治理成本，还能增加煤矸石发电的资源综合利用量和发电量。

1 燃煤锅炉炉内固硫技术研究

1.1 炉内固硫化学反应机理

燃煤锅炉炉内固硫的原理是：燃煤锅炉煤燃烧过程中生成的SO2，遇到碱金属物CaO、MgO等时，生成CaSO4、MgSO4等而被脱出，随锅炉灰渣排出锅炉，从而降低烟气中SO2的排放浓度。

采用石灰石（CaCO3）作为脱硫剂是燃煤电厂普遍采用的脱硫方法。该方法就是在煤燃烧过程中，煤中加入的石灰石分解生成石灰（CaO），CaO在氧化性气氛下与烟气中的SO2及氧反应生成硫酸钙（CaSO4）。

1.2 循环流化床锅炉

循环流化床燃烧系统主要包括炉膛、气固分离器和返料器这三个关键部件。循环流化床炉燃烧分布在整个炉膛范围内，炉膛温度上下均匀；被烟气携带出炉膛的物料被分离器分离后经返料器返回炉膛，物料如此反复循环燃烧；锅炉热容量大、燃烧温度便于控制、燃烧效率较高、适用低热值煤矸石做为燃料。

由于循环流化床锅炉的工作特点，燃料在循环流化床中燃烧时，被烟气带走的细颗粒能在循环灰分离器中被分离出来并送回炉内再进行反应，延长了脱硫剂的停留时间；其次，流化床整个炉膛范围内，炉膛温度上下均匀，刚进入炉膛内的新鲜燃料和脱硫剂颗粒能在瞬间即被加热到炉膛温度，而且在整个固体物料的循环系统内温度分布均匀，使得脱硫剂和SO2的反应能在整个炉膛和分离器内进行；还有，在炉膛内的内循环和整个物料通过分离器的外循环过程中，脱硫剂的颗粒会被因为颗粒间的碰撞发生破碎而出现新的反应表面，增加煤中硫分燃烧后在烟气中形成SO2的接触反应面积；这一切大大改善了脱硫性能，提高了脱硫剂的钙利用率，可以达到比一般锅炉更高的炉内脱硫效率。用循环流化床加石灰石脱硫时，当Ca/S=1.5～2.0，可以达到90%的脱硫效率。

1.3 影响燃用煤矸石流化床锅炉炉内固硫效率的因素及措施

循环流化床锅炉的燃烧和脱硫过程十分复杂，影响脱硫效率的因素很多，使用低热值煤矸石做为入炉燃料的流化床锅炉炉内脱硫主要影响因素如下：

①使用燃料发热量不高但含硫量偏高，掺入石灰石后降低入炉燃料发热量，影响锅炉燃烧。

②炉膛温度偏离石灰石分解生成石灰的最佳反应温度850℃，石灰生成量不足。

③粗颗粒石灰石生成的粗颗粒石灰，不能与SO2充分接触反应，就被排出锅炉，炉内固硫效率低。

1.3.1 炉膛温度

炉膛温度对循环流化床锅炉脱硫效率有很大影响。炉膛温度的变化直接影响到脱硫剂的反应速度、固体产物分布及孔隙堵塞特性，从而影响脱硫剂的利用率。为了保证炉内石灰石分解生成石灰所要求的温度水平，锅炉必须控制在850℃低温燃烧，为了保证煤炭的燃尽率，选择高温分离器替代原来的中温旋风分离器，增加回收效率，同时回收回来的灰具有较高温度，不会降低锅炉燃烧室的温度水平，为锅炉低温燃烧提供技术保障。

1.3.2 钙硫摩尔比（Ca/S）

如图1所示，在煤燃烧过程中采用石灰石脱硫，由于反应过程中CaCO3颗粒转变成CaO颗粒时其摩尔体积缩小45%，因而使原CaCO3内的自然孔隙扩大了许多，这有利于多孔隙的CaO与SO2反应生成CaSO4。但是，由于由CaO转变成CaSO4的反应过程其摩尔体积增大180%左右，在反应一开始，就会在CaO的表面生成一层厚度为32μm的致密CaSO4薄层。这一CaSO4薄层的孔隙比SO2分子的尺寸小，从而阻碍了SO2进入CaSO4薄层进一步扩散到CaO颗粒内层进行反应，所以在煤燃烧过程中用石灰石脱硫时，其钙利用率通常较低，如果要达到较高的脱硫效率，应投入比化学当量多得多的石灰石。一般流化床锅炉脱硫时的钙硫摩尔比（Ca/S）在2～3的范围内。

1.3.3 脱硫剂颗粒粒径

石灰石粒径大时其脱硫效率明显下降，这主要是因为脱硫剂的反应表面积小而钙利用率低。但石灰石颗粒的粒径也不能太细，因为现在常用的循环灰分离器只能分离出粒径大于75μm的颗粒，而小于75μm的颗粒由于不能再返回炉膛而降低了利用率。一般燃煤锅炉炉内喷入的石灰石粒径控制在0～2mm，平均100～500μm的粒径为宜。

图1 石灰石在煤燃烧过程中的脱硫原理

2 利用煤矸石中高含量石灰石脱硫存在的问题及解决措施

2.1 利用煤矸石中高含量石灰石存在的问题

为了保证锅炉的燃烧效率，使用煤矸石做燃料的循环流化床锅炉，燃煤粒径一般在0～13mm之间。这样，煤矸石中石灰石反应生成的CaO，受与SO2反应生成的致密CaSO4薄层影响，阻碍了SO2进入CaSO4薄层进一步扩散到CaO颗粒内层进行反应，降低炉内固硫效率。大量CaO随锅炉炉渣排除炉外。

2.2 炉渣中CaO分离技术

炉内大量未及时地、充分地与SO2反应的CaO，随着炉渣排出炉外，通过机械转运至渣仓后装车外运。为了将炉渣中的CaO分离回收利用，设计在机械转运环节，对灰渣进行弱酸性水水洗，酸性水进入CaSO4薄层进一步扩散到CaO颗粒内层进行反应，CaO颗粒迅速膨胀爆裂，与水充分接触全部反应生成含碱性物质Ca(OH)2的碱浆液。

2.3 利用碱液进行尾部烟气湿法脱硫

在小型煤矸石电厂，对锅炉尾部烟气中SO2常采用抛弃法石灰湿法脱硫，将Ca(OH)2石灰稀浆从脱硫塔内布置的喷嘴中喷入，与通过塔体的烟气接触，烟气中的SO2溶入水溶液中，并被其中的碱性物质中和，从而脱除烟气中的SO2。

3 改造煤矸石电厂炉内炉外干湿法联合脱硫系统实例

图2 脱硫水洗石灰系统简图

广能集团绿水洞电厂现有两台高温分离循环流化床锅炉，其设计入炉燃烧值为12000～15000kcal/kg。锅炉采用尾部烟气抛弃法石灰湿法脱硫，脱硫剂购置含钙80%以上的石灰制备成浆液。锅炉排渣在捞渣机中水冷后经大倾角皮带输送机运至渣仓。

在该系统中，一方面电厂外购石灰做为炉外烟气脱硫的脱硫剂原料；另一方面炉内大量未及时、充分地与SO2反应的CaO随着炉渣排出炉外，通过机械运至渣仓后装车外运。为了利用灰渣中的CaO，电厂对炉内炉外脱硫系统进行高效联合脱硫设计改造。在原有排渣和炉外烟气脱硫系统之间新建脱硫水洗石灰炉外脱硫系统。

该系统中，脱硫塔出水经过沉淀池沉淀后的酸性清水，由脱硫泵不停地向捞渣机内注入，使捞渣机灰渣与水充分接触，水从灰渣中CaSO4薄层进一步扩散到CaO颗粒内层，全部反应生成碱性物质Ca(OH)2，然后将这些富含Ca(OH)2的水通过石灰水池水泵注入脱硫塔脱硫，发生反应Ca(OH)2+SO2→CaSO4+H2O，充分脱除烟气中的SO2，其系统结构如图2。

在该系统的沉淀池中，部分未与SO2反应的Ca(OH)2在此积聚沉淀，定期用桥式起重机将其抓出，堆放在灰坪内自然风干后，转运至煤坪，与煤矸石充分混合后进入锅炉再次利用，此时，石灰物质的粒径已基本在0～200μm，完全达到炉内脱硫窄筛分的要求，能对炉内脱硫起到理想的效果。

4 结束语

近年来，国家鼓励循环流化床锅炉用户燃用当地劣质煤，合理利用国家能源，改善环境质量。绿水洞电厂在现有燃料筛分制备系统情况下，有效利用本地区煤矸石中石灰石成份重（50%以上）这一优势，有效地降低燃煤及发电成本，独创了一套炉内固硫，炉外灰渣分离石灰综合脱硫系统，有效的提高了脱硫效率，达到了不外加脱硫剂、不对脱硫剂单独破碎筛分就能达到环保要求的目。