文 // 陳渝飛 葉培祥 黃鐵軍 四川華鎣山廣能集團四方電力有限責任公司

煤矸石是在煤礦建設、煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的廢棄物，是目前我國排放量最大的固體廢棄物，占全國工業(yè)固體廢棄物的20%以上。華鎣山礦區(qū)內(nèi)鈣質(zhì)型煤矸石發(fā)熱量低于1500kcal/kg，含硫量超過5%，但其中石灰石（CaCO3）含量高達50%。如能夠直接利用煤矸石中的石灰石成分脫硫，不僅降低煤矸石發(fā)電煙氣達標排放的治理成本，還能增加煤矸石發(fā)電的資源綜合利用量和發(fā)電量。

1 燃煤鍋爐爐內(nèi)固硫技術(shù)研究

1.1 爐內(nèi)固硫化學反應機理

燃煤鍋爐爐內(nèi)固硫的原理是：燃煤鍋爐煤燃燒過程中生成的SO2，遇到堿金屬物CaO、MgO等時，生成CaSO4、MgSO4等而被脫出，隨鍋爐灰渣排出鍋爐，從而降低煙氣中SO2的排放濃度。

采用石灰石（CaCO3）作為脫硫劑是燃煤電廠普遍采用的脫硫方法。該方法就是在煤燃燒過程中，煤中加入的石灰石分解生成石灰（CaO），CaO在氧化性氣氛下與煙氣中的SO2及氧反應生成硫酸鈣（CaSO4）。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐

循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)主要包括爐膛、氣固分離器和返料器這三個關(guān)鍵部件。循環(huán)流化床爐燃燒分布在整個爐膛范圍內(nèi)，爐膛溫度上下均勻；被煙氣攜帶出爐膛的物料被分離器分離后經(jīng)返料器返回爐膛，物料如此反復循環(huán)燃燒；鍋爐熱容量大、燃燒溫度便于控制、燃燒效率較高、適用低熱值煤矸石做為燃料。

由于循環(huán)流化床鍋爐的工作特點，燃料在循環(huán)流化床中燃燒時，被煙氣帶走的細顆粒能在循環(huán)灰分離器中被分離出來并送回爐內(nèi)再進行反應，延長了脫硫劑的停留時間；其次，流化床整個爐膛范圍內(nèi)，爐膛溫度上下均勻，剛進入爐膛內(nèi)的新鮮燃料和脫硫劑顆粒能在瞬間即被加熱到爐膛溫度，而且在整個固體物料的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)溫度分布均勻，使得脫硫劑和SO2的反應能在整個爐膛和分離器內(nèi)進行；還有，在爐膛內(nèi)的內(nèi)循環(huán)和整個物料通過分離器的外循環(huán)過程中，脫硫劑的顆粒會被因為顆粒間的碰撞發(fā)生破碎而出現(xiàn)新的反應表面，增加煤中硫分燃燒后在煙氣中形成SO2的接觸反應面積；這一切大大改善了脫硫性能，提高了脫硫劑的鈣利用率，可以達到比一般鍋爐更高的爐內(nèi)脫硫效率。用循環(huán)流化床加石灰石脫硫時，當Ca/S=1.5～2.0，可以達到90%的脫硫效率。

1.3 影響燃用煤矸石流化床鍋爐爐內(nèi)固硫效率的因素及措施

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒和脫硫過程十分復雜，影響脫硫效率的因素很多，使用低熱值煤矸石做為入爐燃料的流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫主要影響因素如下：

①使用燃料發(fā)熱量不高但含硫量偏高，摻入石灰石后降低入爐燃料發(fā)熱量，影響鍋爐燃燒。

②爐膛溫度偏離石灰石分解生成石灰的最佳反應溫度850℃，石灰生成量不足。

③粗顆粒石灰石生成的粗顆粒石灰，不能與SO2充分接觸反應，就被排出鍋爐，爐內(nèi)固硫效率低。

1.3.1 爐膛溫度

爐膛溫度對循環(huán)流化床鍋爐脫硫效率有很大影響。爐膛溫度的變化直接影響到脫硫劑的反應速度、固體產(chǎn)物分布及孔隙堵塞特性，從而影響脫硫劑的利用率。為了保證爐內(nèi)石灰石分解生成石灰所要求的溫度水平，鍋爐必須控制在850℃低溫燃燒，為了保證煤炭的燃盡率，選擇高溫分離器替代原來的中溫旋風分離器，增加回收效率，同時回收回來的灰具有較高溫度，不會降低鍋爐燃燒室的溫度水平，為鍋爐低溫燃燒提供技術(shù)保障。

1.3.2 鈣硫摩爾比（Ca/S）

如圖1所示，在煤燃燒過程中采用石灰石脫硫，由于反應過程中CaCO3顆粒轉(zhuǎn)變成CaO顆粒時其摩爾體積縮小45%，因而使原CaCO3內(nèi)的自然孔隙擴大了許多，這有利于多孔隙的CaO與SO2反應生成CaSO4。但是，由于由CaO轉(zhuǎn)變成CaSO4的反應過程其摩爾體積增大180%左右，在反應一開始，就會在CaO的表面生成一層厚度為32μm的致密CaSO4薄層。這一CaSO4薄層的孔隙比SO2分子的尺寸小，從而阻礙了SO2進入CaSO4薄層進一步擴散到CaO顆粒內(nèi)層進行反應，所以在煤燃燒過程中用石灰石脫硫時，其鈣利用率通常較低，如果要達到較高的脫硫效率，應投入比化學當量多得多的石灰石。一般流化床鍋爐脫硫時的鈣硫摩爾比（Ca/S）在2～3的范圍內(nèi)。

1.3.3 脫硫劑顆粒粒徑

石灰石粒徑大時其脫硫效率明顯下降，這主要是因為脫硫劑的反應表面積小而鈣利用率低。但石灰石顆粒的粒徑也不能太細，因為現(xiàn)在常用的循環(huán)灰分離器只能分離出粒徑大于75μm的顆粒，而小于75μm的顆粒由于不能再返回爐膛而降低了利用率。一般燃煤鍋爐爐內(nèi)噴入的石灰石粒徑控制在0～2mm，平均100～500μm的粒徑為宜。

圖1 石灰石在煤燃燒過程中的脫硫原理

2 利用煤矸石中高含量石灰石脫硫存在的問題及解決措施

2.1 利用煤矸石中高含量石灰石存在的問題

為了保證鍋爐的燃燒效率，使用煤矸石做燃料的循環(huán)流化床鍋爐，燃煤粒徑一般在0～13mm之間。這樣，煤矸石中石灰石反應生成的CaO，受與SO2反應生成的致密CaSO4薄層影響，阻礙了SO2進入CaSO4薄層進一步擴散到CaO顆粒內(nèi)層進行反應，降低爐內(nèi)固硫效率。大量CaO隨鍋爐爐渣排除爐外。

2.2 爐渣中CaO分離技術(shù)

爐內(nèi)大量未及時地、充分地與SO2反應的CaO，隨著爐渣排出爐外，通過機械轉(zhuǎn)運至渣倉后裝車外運。為了將爐渣中的CaO分離回收利用，設計在機械轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，對灰渣進行弱酸性水水洗，酸性水進入CaSO4薄層進一步擴散到CaO顆粒內(nèi)層進行反應，CaO顆粒迅速膨脹爆裂，與水充分接觸全部反應生成含堿性物質(zhì)Ca(OH)2的堿漿液。

2.3 利用堿液進行尾部煙氣濕法脫硫

在小型煤矸石電廠，對鍋爐尾部煙氣中SO2常采用拋棄法石灰濕法脫硫，將Ca(OH)2石灰稀漿從脫硫塔內(nèi)布置的噴嘴中噴入，與通過塔體的煙氣接觸，煙氣中的SO2溶入水溶液中，并被其中的堿性物質(zhì)中和，從而脫除煙氣中的SO2。

3 改造煤矸石電廠爐內(nèi)爐外干濕法聯(lián)合脫硫系統(tǒng)實例

圖2 脫硫水洗石灰系統(tǒng)簡圖

廣能集團綠水洞電廠現(xiàn)有兩臺高溫分離循環(huán)流化床鍋爐，其設計入爐燃燒值為12000～15000kcal/kg。鍋爐采用尾部煙氣拋棄法石灰濕法脫硫，脫硫劑購置含鈣80%以上的石灰制備成漿液。鍋爐排渣在撈渣機中水冷后經(jīng)大傾角皮帶輸送機運至渣倉。

在該系統(tǒng)中，一方面電廠外購石灰做為爐外煙氣脫硫的脫硫劑原料；另一方面爐內(nèi)大量未及時、充分地與SO2反應的CaO隨著爐渣排出爐外，通過機械運至渣倉后裝車外運。為了利用灰渣中的CaO，電廠對爐內(nèi)爐外脫硫系統(tǒng)進行高效聯(lián)合脫硫設計改造。在原有排渣和爐外煙氣脫硫系統(tǒng)之間新建脫硫水洗石灰爐外脫硫系統(tǒng)。

該系統(tǒng)中，脫硫塔出水經(jīng)過沉淀池沉淀后的酸性清水，由脫硫泵不停地向撈渣機內(nèi)注入，使撈渣機灰渣與水充分接觸，水從灰渣中CaSO4薄層進一步擴散到CaO顆粒內(nèi)層，全部反應生成堿性物質(zhì)Ca(OH)2，然后將這些富含Ca(OH)2的水通過石灰水池水泵注入脫硫塔脫硫，發(fā)生反應Ca(OH)2+SO2→CaSO4+H2O，充分脫除煙氣中的SO2，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

在該系統(tǒng)的沉淀池中，部分未與SO2反應的Ca(OH)2在此積聚沉淀，定期用橋式起重機將其抓出，堆放在灰坪內(nèi)自然風干后，轉(zhuǎn)運至煤坪，與煤矸石充分混合后進入鍋爐再次利用，此時，石灰物質(zhì)的粒徑已基本在0～200μm，完全達到爐內(nèi)脫硫窄篩分的要求，能對爐內(nèi)脫硫起到理想的效果。

4 結(jié)束語

近年來，國家鼓勵循環(huán)流化床鍋爐用戶燃用當?shù)亓淤|(zhì)煤，合理利用國家能源，改善環(huán)境質(zhì)量。綠水洞電廠在現(xiàn)有燃料篩分制備系統(tǒng)情況下，有效利用本地區(qū)煤矸石中石灰石成份重（50%以上）這一優(yōu)勢，有效地降低燃煤及發(fā)電成本，獨創(chuàng)了一套爐內(nèi)固硫，爐外灰渣分離石灰綜合脫硫系統(tǒng)，有效的提高了脫硫效率，達到了不外加脫硫劑、不對脫硫劑單獨破碎篩分就能達到環(huán)保要求的目。