郭志东

（河南理工大学，河南 焦作 454000）

一、概述

某公司现有2台465t循环流化床锅炉，原设计采用炉内掺烧石灰石方式进行炉内脱硫，设计脱硫效率为80%。为加强节能减排工作，该公司需对两台机组治污设施进行技术改造，建设高效脱硫设施，二氧化硫和烟尘排放达到国家标准和地方总量控制要求，正常工况下脱硫效率不低于90%。

河南省环保局推荐氧化钙及催化剂脱硫工艺，且省内已经改造的循环流化床锅炉均按此工艺改造，但该脱硫工艺成本很高，经过多方论证后在改性钙基脱硫剂炉内强化脱硫工艺的基础上提出用电石渣代替氧化钙工艺脱硫。经电石渣脱硫实验后，脱硫效果完全可以满足省环保部门最新脱硫标准。2008年11月脱硫提效综合改造项目正式开工建设，工程静态投资1298万元，2009年3月通过当地市环境监测站验收监测，2009年12月通过河南省环保厅验收。

本项目以电石渣废料作为脱硫剂，一方面，项目周边有大量的电石渣货源，且运费及价格均十分便宜，到厂价30元/吨，相比较省环保局推荐的氧化钙脱硫剂减少原材料成本370元/吨，每年可节约脱硫原料费1100余万；另一方面，电石渣进入炉膛后在580℃即可分解成氧化钙，活性更好，而电石渣分解时放热同时可提高锅炉燃烧效率，不用提高运行温度便迅速与二氧化硫反应脱硫，解决了石灰石不能高效脱硫的问题，电石渣脱硫脱硫效率可达90%以上。

二、项目背景

（1）满足国家产业政策需求分析

国内电石渣目前的年产量为4300万吨左右，长期搁置不利用不仅将占用大量土地，而且对土地有严重的侵蚀。本项目是使用以电石渣为主的脱硫剂提高机组锅炉的脱硫效率到90%以上，在保证达标排放的同时，充分利用了电石渣这一化工废料，符合国家以废制废的环保政策，一举两得，使技术本身更具推广价值。

（2）外部环境及内部需求分析

随着国家环保政策日趋严格和群众环保意识的不断提高，火力发电企业的环保压力及相应的运行成本也在逐渐增加。为促进节能减排工作，河南省环保局就加强了对燃煤电厂脱硫系统的监督管理工作，要求享受脱硫优惠电价的燃煤发电单位的烟气脱硫效率不得低于90%，不深度治理将取消脱硫优惠电价。企业将面临巨大的经济损失。

项目公司现有两台135MW流化床机组，目前，机组运行情况基本正常。年平均脱硫效率高于70%。对其原脱硫系统进行分析发现，导致机组脱硫效率偏低的主要原因是目前使用的石灰石粉料脱硫剂的活性差。在运行过程中，即使进一步增加石灰石粉的给料量，即提高钙硫比，脱硫效率的上升空间也是极为有限的。因此为了达到90%的脱硫效率，只能采取更换活性更好的脱硫剂并对原系统进行适当改造的手段来实现。

鉴于以上情况，项目公司大胆提出用电石渣代替氧化钙工艺脱硫。首先对电石渣品质进行化验，得出电石渣90%成分为Ca（OH）2，自08年4月开始电石渣脱硫实验，通过近半年的实验，发现将脱硫剂更换成电石渣方法是可行的，能够保证SO2的达标排放，脱硫效果完全可以满足机组的经济运行及省环保部门的脱硫新要求。

三、脱硫系统高效综合改造项目研究详细科学技术内容

循环流化床锅炉脱硫技术的研究开发之前主要是在以石灰石为基本脱硫剂的基础上进行的。钙基脱硫剂在炉内最终都是以CaO的形式与SO2进行反应的，对于电石渣用于炉内脱硫很少涉足。本项目的主要研究内容包括：

（1）电石渣脱硫特性研究

①钙硫比的限制

在正常情况下运行的循环流化床，如果脱硫剂的粒度分布合理，脱硫效率大约在90%左右时，其钙硫比根据煤种和脱硫剂种类的不同，大约在2.5左右变化。适当提高钙硫比是可以提高脱硫效率的，但是，过度地提高钙硫比对循环流化床锅炉的运行是不利的，因为石灰石煅烧反应的吸热，增加气体热损失，电站的投资和锅炉的运行费用提高。氧化钙对氮氧化物的形成有催化作用，在钙硫比高于3.0后，氮氧化物的排放会显著地增加。

因此即使在脱硫效率要求很高、对二氧化硫排放的限制很严时，也不宜采用大幅度增加钙硫比的办法。

②炉膛温度

炉膛温度对脱硫效率，或者说钙硫比有重要影响。研究发现，循环流化床锅炉中的脱硫反应的最佳温度在850℃～890℃。炉膛在这个温度范围运行时，在钙硫比较低的情况下，就可以得到较高的脱硫效率。如果炉膛温度低于820℃或高于920℃，在保证一定的脱硫效率的情况下，钙硫比需增高许多。炉膛温度低则不利于保持较高的锅炉燃烧效率；相反，若炉膛温度过高，氧化钙内的微孔会被迅速堵塞而阻止了脱硫剂的进一步的利用。此外炉膛温度过高还会造成硫酸钙的分解，也影响脱硫效率。

③脱硫剂的颗粒分布

脱硫剂的转化率和它的粒度分布的关系非常密切。因为脱硫剂的粒度分布与颗粒的有效反应面积及其在炉膛中停留的时间有关。从反应面积的角度看，颗粒的粒径越小，其反应面积越大，脱硫剂的转化率越高。但从停留时间的角度看，太细的脱硫剂颗粒是不好的。因为脱硫反应的速度与燃烧速度相比是非常慢的，如果脱硫剂的颗粒粒径太小，在颗粒还没有与二氧化硫反应时就已经被烟气携带出炉膛，造成脱硫剂的利用效率低，脱硫剂被大量浪费。

④烟气在炉内停留的时间

如大多数反应一样，脱硫反应也是受反应时间的影响的。反应时间越长，反应就比较完全。因此，延长在烟气在炉内停留的时间将有利于提高脱硫效率。但这又是由炉膛高度决定的，很难在运行中调整。只能通过调整循环量，增加团聚和内循环来提高颗粒的反应时间。

（2）电石渣制备系统研制

目前还没有专门用于电石渣的干燥设备，电石渣制备系统的研制成为决定示范工程改造成败与否的关键因素，项目在这一部分的主要研究内容如下：

①提高热效率

干燥设备的热效率主要由两个方面决定：设备泄露和干燥剂终温。泥浆状物料的干燥多选用回转滚筒干燥机，设备尺寸较大，而为了克服下游除尘器的阻力，干燥机内需要维持正压运行，这就不可避免的导致干燥剂的向外泄露，即造成热损失增加又污染了生产环境。干燥剂的终温由酸露点温度和设备尺寸等条件决定。

②强化换热

本项目针对电石渣的物料特性，设计专门的抄板结构，当电石渣进入干燥机内，高湿物料被转动的筒壁上的抄板抄起到顶部落下，并在干燥机筒体转动的同时沿抄板产生位移，使其始终保持运动状态，在被反复抄起落下的过程中，与干燥剂充分接触，完成传热、传质，实现干燥过程。选取合适的干燥机筒体转数，满足干燥要求的同时尽量降低运行成本。

③预破碎

脱硫系统的电石渣在经过干燥后，还需要进入破碎、制粉单元，而破碎单元对原料的粒度是有一定要求的，这就要求从干燥机排出的干燥物料应该经过粗破碎工艺。可以考虑在干燥机内增加捶打装置，在保证排出物料颗粒度的同时，无须增加额外的动力装置，并能有效克服物料的结疤、粘壁、产生大块的缺点。

（3）高效添加剂开发

煅烧反应过程中Ca（OH）2颗粒转变为CaO时，释放出了24.3%的水蒸气，产生了许多微孔，这有利于SO2与O2气体向它内部的扩散，使固硫反应能顺利进行。不过，反应中生成的CaSO4的摩尔体积则会增大180%左右，因此在反应一开始就会在CaO的表面生成一层致密的CaSO4薄层，由于CaSO4的体积增大，它会使Ca（OH）2的孔隙和孔隙入口被堵塞。这一薄层上的孔隙比SO2和O2分子的尺寸还小，因此它会阻碍SO2和O2通过这薄层而进一步扩散到CaO颗粒的内层进行反应。固硫反应的最佳温度为850℃左右，若温度高于900℃，硫酸钙晶体就会有一部分被烧结，使孔结构减小甚至消失。温度越高烧结的程度也越来越严重，SO2就更难向它内部扩散。温度超过1000℃后，这一现象尤为严重。

为解决上述两个问题在电石渣中加入如AL2O3、FeO等组成的催化剂，这样能够明显地提高氧化钙的转化率和高温性能。同时大大提高固硫反应的速度，有效的克服了多种不利因素对固硫反应造成的影响。

（4）系统运行技术

脱硫系统的运行涉及系统内部、系统与锅炉之间、锅炉内部的运行等等单元的相互协调，是一套自动化程度很高的复杂系统。

干燥单元所需热风从两台锅炉的热二次风连接母管引出，两台锅炉的负荷不能总是保持一致，即引出点两侧的二次风压是不断变化的，需要随时保持其经过调整门后的压力相同。

根据脱硫系统热风引入量和热风温度，自动调整原料电石渣的给料量，以便保证干燥后的水分符合要求，同时避免出现干燥剂终温过高，烧损除尘设备的情况。

脱硫剂、原煤，电石渣、催化剂均需要按照预先设定的比例掺混。仅通过运行人员根据即时测量信号进行调整相应给料速率是很难实现的，因此应设计为自动调节。只有在使用临时脱硫剂（CaO）或煤质发生较大变化时，才需要通过人工对给料程序进行干预，保证实际掺混比例满足设计值。

（5）脱硫提效改造项目的具体实施

根据项目公司厂区总平面布置的规划，在不影响电厂其他设备运行及后期工程建设的情况下，将脱硫提效系统布置在输煤栈桥西侧的马路和围墙之间的场地上，并通过输送皮带将脱硫剂输送至输煤皮带，在此与原煤按一定比例配料，电石渣脱硫剂在此后输送过程中与原煤进行均匀混合。

脱硫提效系统场地占地约为2400m2，为30m×80m的长方形区域，在场地内建设干料棚（简易厂房）以保证天气状况不影响系统正常运行，棚内保持良好通风。原料电石渣进口布置在干料棚南面，不影响整体布局。干料棚内作为简易原料电石渣堆放场地的面积约1000m2，储量满足锅炉5天正常运行需要。

在干燥单元内，原料电石渣从干燥机前料斗经过螺旋给料机给入干燥机，干燥后的电石渣，一部分从回转滚筒干燥机出料口直接排到二级皮带称重输送机上，由热风携带出来的粉状电石渣先后由旋风除尘器和布袋除尘器收集后，从其底部给料阀给到二级皮带称重输送机上。

脱硫剂所需催化剂原料首先通过破碎机破碎后，由三级皮带输送机排入一级斗式提升机所在的上料地沟中，经此斗式提升机送入催化剂仓储存。催化剂仓位于二级皮带称重输送机的上方，其物料从仓下出口给到二级皮带称重输送机上，位于干燥系统给料点的下游。掺混好的物料经二级皮带称重输送机送入振动筛，细度合格的脱硫剂直接落入三级斗式提升机前的上料地沟，细度不合格的物料进入直通磨内进一步磨制，磨制后由二级斗式提升机重新送入振动筛进行筛选。

三级斗式提升机将地沟内混配均匀、细度合格的脱硫剂输送到脱硫剂仓内储存。脱硫剂仓下部分为两支给料锥斗，其中一支锥斗下装有可调开度的（电、气动）给料阀，控制加到四级皮带称重输送机上的脱硫剂量，四级皮带称重输送机将脱硫剂送至#6给煤皮带与原煤混合，最终进入炉内。另外一支锥斗是为给气力输送罐车加料而设置的，气力输送罐车在此接料后将脱硫剂送入原脱硫系统的石灰石粉仓，此后脱硫剂由原脱硫系统送入炉膛。

（6）项目实施后的效果

2012年3月当地市环境监测站对项目公司脱硫提效改造项目进行验收监测，验收监测期间，项目公司2×135MW机组循环流化床锅炉燃用煤的全硫份为0.6%左右，锅炉负荷大于90%，机组发电功率大于122MW。1#机组脱硫效率范围为92.3%～93.1%，平均为92.7%；2#机组脱硫效率范围为92.6%～93.1%，平均为92.8%。达到河南省环境保护局豫环限[2007]02环境污染限期治理通知书中“正常工况下脱硫效率不低于90%”之要求。

四、关键技术与创新点

本项目以电石渣废料作为脱硫剂，一方面不仅可以变废为宝，解决电石渣废料的污染和处理问题，促进资源的综合循环利用，另一方面电石渣进入炉膛后在450℃即可分解成氧化钙，活性更好，不用提高运行温度便迅速与二氧化硫反应脱硫，由于电石渣分解时放热同时可提高锅炉燃烧效率，解决了石灰石不能高效脱硫的问题，电石渣脱硫脱硫效率可达90%以上。电石渣废料应用于发电行业的脱硫系统拓展更为宽广的道路。

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