燃煤鍋爐兩步脫硫技術(shù)介紹
內(nèi)容提供： 北京中科慧智建材設(shè)計研究所
一、目前國內(nèi)燃煤電廠脫硫現(xiàn)狀、政策要求及脫硫技術(shù)特點
2005年我國二氧化硫排放總量達到2549萬噸，其中燃煤電廠二氧化硫排放量1300萬噸，超過了二氧化硫排放總量的一半。
根據(jù)目前的二氧化硫排放嚴峻形勢和減排迫切要求，有關(guān)部委制定了《燃煤電廠二氧化硫排放“十一五”規(guī)劃》明確提出燃煤電廠二氧化硫減排的目標：“十一五” 末期二氧化硫排放總量由2005年的1300萬噸下降到502萬噸，下降61.4％。
為了確保實現(xiàn)二氧化硫的減排任務(wù)，國家發(fā)改委和環(huán)？偩致(lián)合出臺《燃煤發(fā)電機組脫硫電價及脫硫設(shè)施運行管理辦法（試行）》，加強對電廠脫硫設(shè)施投運情況的在線監(jiān)控。
目前國內(nèi)電廠脫硫主要采用濕法脫硫。但濕法脫硫建設(shè)投資大、運行費用高，企業(yè)難以承受，到2006年仍有1.37億千瓦共計221個項目未安裝脫硫設(shè)施。
濕法脫硫由于煙氣中二氧化硫濃度高，對煙氣管道及脫硫設(shè)施本身金屬部件產(chǎn)生腐蝕嚴重，影響設(shè)備的使用壽命，且脫硫副產(chǎn)品易造成污染處置費用高。
干法和半干法脫硫率低，燃用高硫煤時，單用干法或半干法很難使SO2排放濃度一步達標。
二、燃煤鍋爐兩步脫硫原理
基于目前各種脫硫技術(shù)存在的問題，開發(fā)一種投資省、運行費用低、脫硫效率高、能夠延長脫硫設(shè)施使用壽命、脫硫副產(chǎn)品利用價值高的綜合性脫硫技術(shù)，具有十分重要的意義。
燃煤鍋爐兩步脫硫是把“爐內(nèi)固結(jié)脫硫”和“爐后煙氣脫硫”結(jié)合起來的一項綜合脫硫技術(shù)。兩步脫硫不但具有較高的脫硫率，而且同時對煤粉灰渣進行改性，所得改性灰渣具有較好的水硬膠凝性能，可以大摻量用于生產(chǎn)建材產(chǎn)品或制品。由于爐內(nèi)固結(jié)脫硫的作用，煙氣中SO2濃度大大減少，從而減輕SO2等酸性氣體對煙氣管道及脫硫設(shè)施本身金屬部件的腐蝕，延長了設(shè)備的使用壽命。
第一步“爐內(nèi)固結(jié)脫硫”
按照“一爐兩用”技術(shù)在燃煤鍋爐燃料中添加并共同粉磨的摻燒劑，既具有爐內(nèi)固結(jié)脫硫功能，又具有爐內(nèi)灰渣改性功能。在煤粉燃燒的同時，具有脫硫和改性雙重功能的多元摻燒劑與煤中的硫及其它組分，迅速完成固結(jié)脫硫和灰渣改性的煅燒反應(yīng)過程，固結(jié)脫硫產(chǎn)物賦存于改性灰渣中并形成早強礦物。爐內(nèi)固結(jié)脫硫率可以達到80%。
但由于燃煤鍋爐內(nèi)燃（煅）溫度比較高，會發(fā)生脫硫逆反應(yīng)，經(jīng)固結(jié)脫硫后的出爐煙氣中SO2濃度仍然較高。
第二步“爐后煙氣脫硫”
由于爐內(nèi)已經(jīng)脫去大部分硫，爐后脫硫的壓力減輕，爐后只需上簡易的半干法脫硫裝置就能達到SO2排放控制的要求。
從鍋爐的空氣預(yù)熱器出來的煙氣，經(jīng)反應(yīng)器底部進入反應(yīng)器，和均勻混合在增濕循環(huán)灰中的吸收劑發(fā)生反應(yīng)，此時吸收劑表面水分被蒸發(fā)，煙氣得到冷卻，濕度增加，在降溫和增濕的條件下，煙氣中的SO2與堿性吸收劑反應(yīng)生成亞硫酸鈣。反應(yīng)后的煙氣攜帶大量的干燥固體顆粒進入電除塵器，經(jīng)過反應(yīng)、干燥的循環(huán)灰被除塵器從煙氣中分離出來，由輸送設(shè)備再輸送給增濕活化器，同時也向增濕活化器加入生石灰，經(jīng)過增濕活化后進行再次循環(huán)。潔凈后的煙氣在露點溫度15℃以上，無須再熱，經(jīng)過引風機排入煙囪。
在傳統(tǒng)的噴霧干燥FGD工藝中，石灰是以漿狀霧化噴入吸收塔的。而本技術(shù)采用的是含水量僅為百分之幾的吸收劑粉末，且吸收劑的循環(huán)量比傳統(tǒng)的半干法FGD工藝要高得多，由于用于水分蒸發(fā)的表面積很大，干燥時間大大縮短，因此反應(yīng)器體積可大大縮。s為傳統(tǒng)的半干法或煙氣循環(huán)流化床反應(yīng)器的10%-20%），并與除塵器入口煙道構(gòu)成一個整體。雖然煙氣在此部分的停留時間較短，但由于循環(huán)灰的蒸發(fā)表面很大及在反應(yīng)段具有高的實際鈣硫比，所以具有比其它半干法更優(yōu)的對煙氣的冷卻效果和脫硫效率。
應(yīng)用半干法完成第二步脫硫之后，兩步脫硫的綜合脫硫效率可以達到95%以上。
三、燃煤鍋爐兩步脫硫的優(yōu)點
燃煤鍋爐兩步脫硫，綜合了爐內(nèi)脫硫和半干法脫硫的優(yōu)勢，并克服了爐內(nèi)噴鈣脫硫、濕法脫硫、半干法和干法脫硫的缺點，具有以下優(yōu)點：
綜合脫硫率達到95%以上，達到濕法脫硫水平，克服了干法和半干法脫硫率低的缺點。
由于爐內(nèi)已經(jīng)脫去大部分硫，減輕了爐后脫硫的壓力，爐后只需上簡易的脫硫裝置就能達到SO2排放控制的要求。
由于爐內(nèi)已經(jīng)脫去大部分硫，煙氣中SO2、SO3濃度降低四分之三以上，從而大大減輕SO2 和SO3對煙氣管道及脫硫設(shè)施本身金屬部件的腐蝕，延長了設(shè)備的使用壽命。
同比濕法脫硫中常用的石灰石-石膏法，脫硫設(shè)施投資節(jié)省約45%（以220T/H鍋爐為例），脫硫成本平均節(jié)省0.5～1.1元/kg，大大減少企業(yè)脫硫設(shè)施資金投入和脫硫運行費用。
脫硫產(chǎn)物賦存于改性灰渣中并形成早強礦物，提高了灰渣的活性，改性灰渣可大摻量應(yīng)用于建材產(chǎn)品或制品的生產(chǎn)。
四、燃煤鍋爐兩步脫硫改性灰渣的特點
燃煤鍋爐實施兩步脫硫并經(jīng)改性后的粉煤灰屬于自硬性粉煤灰，具有水硬膠凝性能好、自硬性強度高、非結(jié)合態(tài)CaO和SO3含量較高、脫硫改性灰活性較好等特點。由于反應(yīng)物顆粒在爐內(nèi)一般只經(jīng)歷2～5秒鐘，煅燒時間較短，因此脫硫改性灰中非結(jié)合態(tài)的CaO具有一定活性，經(jīng)細磨或蒸養(yǎng)后能夠快速水化，不會對水泥等建材產(chǎn)（制）品的安定性產(chǎn)生影響，反而對火山灰性混合材起到堿性激發(fā)劑的作用。
燃煤鍋爐實施兩步脫硫，摻燒劑和煤灰的化合反應(yīng)產(chǎn)物在高溫下形成少量液態(tài)，成粒狀渣排出，所以爐渣也得到改性。
五、燃煤鍋爐兩步脫硫改性灰渣的利用
燃煤鍋爐兩步脫硫改性灰實質(zhì)上為粉煤灰，但性能優(yōu)于傳統(tǒng)粉煤灰。因此傳統(tǒng)粉煤灰可以使用的領(lǐng)域，兩步脫硫改性灰均可以使用。
一些建材產(chǎn)（制）品，如粉煤灰加氣混凝土、粉煤灰砌塊(磚)等，生產(chǎn)時需要摻加水泥、石灰和石膏等。此時的水泥和（或）石灰作為鈣質(zhì)材料，兩者水化時均產(chǎn)生Ca(OH)2，Ca(OH)2與粉煤灰中的活性氧化物反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使制品獲得強度。水泥水化產(chǎn)生大量CSH凝膠，能夠使制品坯體凝固和硬化。石灰水化放出大量的熱量，可促使膠凝材料進一步凝結(jié)硬化。同時石灰提高了料漿的堿度，促使發(fā)泡劑（鋁粉）進行發(fā)氣反應(yīng)。石膏主要起調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間和延長石灰消化時間、降低石灰消化溫度的作用，同時還參與發(fā)泡劑（鋁粉）的放氣反應(yīng)。
兩步脫硫改性灰渣中含有大量鈣質(zhì)水硬性膠凝礦物和具有一定活性的非結(jié)合態(tài)CaO，它們可以替代水泥和石灰作為鈣質(zhì)材料，脫硫產(chǎn)物可以替代部分石膏，因此用兩步脫硫改性灰渣生產(chǎn)建材產(chǎn)（制）品，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下可以節(jié)省所用高價值材料的種類和數(shù)量，簡化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大大降低生產(chǎn)成本。
六、生產(chǎn)線建設(shè)內(nèi)容
燃煤鍋爐兩步脫硫工藝涉及“爐內(nèi)固結(jié)脫硫”和“爐后半干法脫硫”兩個部分。“爐內(nèi)固結(jié)脫硫”工藝主要包括爐前的“AMC”摻燒劑制備、儲存及配料系統(tǒng)。“爐后半干法脫硫”工藝主要包括脫硫劑增濕活化系統(tǒng)、脫硫反應(yīng)器、脫硫產(chǎn)物的收集及儲運系統(tǒng)。其中可利用原有鍋爐與收塵器之間的鋼制煙道改造成脫硫反應(yīng)器，脫硫產(chǎn)物的收集及儲運系統(tǒng)可利用電廠原有設(shè)施。
因此，燃煤鍋爐兩步脫硫的投資主要在“爐內(nèi)固結(jié)脫硫”的爐前工藝系統(tǒng)和“爐后半干法脫硫”的煙道改造及脫硫劑的增濕活化系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，電廠亦可以根據(jù)當?shù)厍闆r，考慮自建水泥粉磨站、混凝土攪拌站或建材制品廠等，充分體現(xiàn)改性產(chǎn)品的附加值。
本技術(shù)適用于各種規(guī)格的燃煤鍋爐，脫硫改性灰渣的產(chǎn)量主要由鍋爐規(guī)格、煤質(zhì)等因素決定。當煤灰分含量為30%時，一般燃燒一噸煤約聯(lián)產(chǎn)0.35～0.45噸水硬性膠凝材料（改性煤粉灰渣）。
七、投資及運行費用估算
燃煤鍋爐實施兩步脫硫，單臺鍋爐的脫硫設(shè)施建設(shè)投資及脫硫運行成本可初步參見表1：
表1
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以220噸鍋爐為例，單臺鍋爐完備石灰石-石膏法脫硫建設(shè)投資約需 1560萬元，而實施兩步脫硫的建設(shè)投資約為855萬元，比其節(jié)省約705萬元。當電廠擁有多臺鍋爐時，如濕法脫硫則需按臺配套建設(shè)脫硫設(shè)施，而兩步脫硫的爐前脫設(shè)施可集中建設(shè)。因此兩步脫硫可以大幅度減少脫硫設(shè)施的建設(shè)投資。
燃煤鍋爐兩步脫硫的改性灰渣用于生產(chǎn)粉煤灰加氣混凝土和粉煤灰砌塊(磚),聯(lián)產(chǎn)規(guī)模可初步參見表2：
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表2
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八、技術(shù)實施給企業(yè)帶來的直接經(jīng)濟效益
實施兩步脫硫，是企業(yè)實現(xiàn)環(huán)保減排、降低脫硫建設(shè)投資和運行費用、延長設(shè)備使用周期、灰渣綜合利用的有效措施和最佳途徑，主要體現(xiàn)在如下方面：
脫硫建設(shè)投資低，可減輕企業(yè)的資金負擔。以220T/H鍋爐為例，同比石灰石-石膏法節(jié)省脫硫建設(shè)投資約45%。
脫硫成本平均在0.6～1.2元/kg,比濕法脫硫節(jié)省0.5～1.1元/kg, 大大減少企業(yè)的脫硫運行費用。
綜合脫硫率達到95%以上，脫硫效果明顯，可減少企業(yè)SO2排污費的支出。
由于爐內(nèi)已經(jīng)脫去大部分硫，煙氣中SO2、SO3濃度降低四分之三以上，從而大大減輕了SO2 和SO3對煙氣管道及脫硫設(shè)施本身金屬部件的腐蝕，延長了設(shè)備的使用壽命。
粉煤灰渣得到全部的處理利用，可以使電廠節(jié)省粉煤灰渣堆存、維護費用，以及粉煤灰排放運營的水、電、人工、車輛折舊、油耗等費用。
可確保享受每千瓦時加價1.5分錢的脫硫加價政策。
九、技術(shù)實施給企業(yè)帶來的遞延經(jīng)濟效益
由于相關(guān)費用均已全部算到脫硫成本中，所以脫硫改性灰不再發(fā)生任何生產(chǎn)成本。脫硫改性灰由于自身具備一定強度，生產(chǎn)建材制品時可不摻（或少摻）水泥和石灰，并且可以和原有存放的粉煤灰渣搭配使用，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下節(jié)省所用高價值材料的種類和數(shù)量，簡化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大大降低生產(chǎn)成本。例如在生產(chǎn)加氣混凝土時，使用脫硫改性灰渣替代水泥和石灰，搭配47%原有存放的粉煤灰渣，加氣混凝土的立方利潤可以提高約26元（視區(qū)域材料價格不同而異）。
用脫硫改性灰渣生產(chǎn)建材制品，還可享受國家免征5年所得稅和增值稅減半的優(yōu)惠政策。
十、投資回收期
一般情況下，實施兩步脫硫正式投產(chǎn)后兩年內(nèi)可收回全部投資。
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