燃煤机组干湿法脱硫耦合运行可行性探究

魏 敏 姚国华

上海外高桥第二发电有限责任公司

0 引言

随着国家对烟气排放的相关指标日趋严格，以及火电厂高硫煤掺烧的现状，使脱硫设备进口的烟气中SO2含量不断提高，原有的石灰石湿法脱硫的能力显得捉襟见肘，是进一步扩容湿法脱硫还是采用其他方式以提高机组的脱硫效率，已成为管理者面前的一道新的选题，而国内大型燃煤机组中尚未使用过的干湿法脱硫耦合运行引起了大家的重视。

1 钠基干法脱硫技术分析

1.1 钠基干法脱硫

基于成本和效果等方面综合考量，工业上尤其是焦化炉干法脱硫普遍运用钠基干法脱硫工艺。钠基干法脱硫又称SDS，是利用脱硫剂（小苏打NaHCO3）超细粉与烟气充分混合接触，在催化剂和促进剂的作用下，与烟气中的SO2进行反应。在反应器、烟道及除尘器内，脱硫剂超细粉可始终保持与SO2的反应。反应过程快速、充分，在2 min时间内即可生产副产物Na2SO4，且脱硫效率高。当化学反应当量为1:1时，脱硫效率大于95%。通过除尘器回收的副产物Na2SO4，作为化工产品被玻璃工业利用。

钠基干法脱硫相比其他的干法脱硫，如喷钙脱硫工艺、荷电干法吸收剂喷射脱硫工艺、电子束照射法等，有投资成本较低、运行方式简单、脱硫效率高、对人体和环境没有危害等优势。该项技术主要用于钢厂或工业焦化炉，欧美国家也普遍用于垃圾焚烧电厂，主要因为其烟温高且无煤粉灰等因素。仅有极少数欧美地区的燃煤电厂在使用该技术，极有可能是替代湿法脱硫的系统位置。目前，国内燃煤机组并未查到使用钠基干法脱硫技术的实绩，更没有干湿法脱硫耦合运行的先例。

1.2 钠基干法脱硫反应原理

当温度达到140℃以上时，作为脱硫剂喷入的超细小苏打发生自发反应：

小苏打在温度超过50℃时即可发生自分解，而在温度超过140℃时小苏打表面的微孔结构由于二氧化碳和水蒸气的析出会迅速发生类似于爆米花的物理反应，由粉末变为蓬松的爆米花，增加了表面积，具备极高的反应活性，加快了反应速度。

反应产物Na2CO3是与SO2和HCl反应的实际反应剂。通过分解反应，Na2CO3的内表面积增加，反应活性增强。

小苏打活化后，具备极强的反应活性，在烟道或反应器中发生如下反应：

烟气中酸组分（SO2、SO3、HCl和HF）与吸附剂（NaHCO3）之间的反应主要发生在除尘器上游的烟道或反应器中。

1.3 钠基干法脱硫主要特点

1）用NaHCO3吸收烟气中的SO2是气-固相反应，反应速度快，脱硫效率可达95%，可保证SO2排放要求，吸收剂利用率高。

2）NaHCO3干法脱硫对烟气流量、SO2浓度等工况的变化适应性较强；

3）腐蚀性轻微，基本不用采取特殊防腐措施，但需采取相应防磨措施；

4）由于脱硫工艺不需要对烟气进行増湿减温，排放烟气温度降低幅度不大，烟气排放始终保持良好的视觉效果；

5）系统不需要排放废水；

1.4钠基干法脱硫布置方式

钠基干法脱硫的SDS脱硫塔需布置在锅炉出口和除尘器之间，布置图见图1和图2。当烟道容积允许，SDS脱硫塔也可以由烟道反应器代替，见图3。

图1 钠基干法脱硫布置图

图2 钠基干法脱硫现场布置

图3 SDS烟道反应器

2 干湿法脱硫耦合运行可行性分析

2.1 干湿法耦合脱硫对燃煤机组风烟系统的影响

钠基干法脱硫的反应过程依赖于温度，当温度达到140℃以上碳酸氢钠的自分解速率会大幅增加。然而在高于400℃温度下的热分解会受到颗粒内的烧结过程（颗粒的表面结构）的限制，因此对燃煤机组而言，安装在空预器之前的烟道部位较符合上述条件，因此，需要重视对空预器后的风烟系统的影响。

以工业上焦化炉的运行经验，经过研磨后喷入烟道的碳酸氢钠颗粒细度基本保持在15μm～20μm左右，热分解膨胀并与酸性物质反应后颗粒细度基本在30μm～40μm左右，由于烟气温度非常高，基本不考虑粉煤灰的吸附问题，由此基本达到国家一级粉煤灰细度的标准，即：45μm方孔筛的筛余量不大于12%。

经粗略计算干法脱硫需要的喷入量、消耗的氧气和产生的水蒸气在整个烟气流程中所占比重较小，仍需注意以下几方面：

1)由于碳酸氢钠为冷介质喷入烟道，会降低空预器进口的烟气温度，焦化炉使用该方法的降温一般在10℃～15℃，由于烟气量、喷入量等都有不小的差异，因此，在燃煤机组上的降温效果还有待实验验证。

2)由于会产生部分水蒸气和去除部分SO2，需重新测算空预器进出口的水露点和酸露点，从趋势性看，水露点会微量上升，酸露点会大幅降低，只需保证空预器和除尘器的运行温度，即可基本防止堵塞和腐蚀的情况发生。

3)碳酸氢钠反应后的硫酸钠会加大除尘器的负担，以外高桥第二发电厂机组满负荷为例，对机组约50 t/h的灰量，增加了不少的比重，需保证除尘器工作正常。同时相对总风量约2 800 t/h而言比重较小，吸风机出力的增加不会非常明显，但由于酸露点的大辐降低，对吸风机进口端部件的腐蚀会大辐减轻。

2.2 干湿法耦合脱硫对燃煤机组脱硝SCR的影响

有资料称钠基干法脱硫装置能达到20%～25%的脱硝效率，但工业上均将其布置在脱硝设备SCR之后。对于燃煤机组，为防止反应温度过高造成小苏打颗粒表面烧结，将其布置在脱硝SCR设备与空预器之间比较合适，不仅无需考虑其对脱硝SCR设备运行的影响，且能从一定程度上减轻脱硝设备的出力，降低相应的运行成本。

2.3 干湿法耦合脱硫对燃煤机组石灰石湿法脱硫的影响

燃煤机组除尘器维持高效率也难免一部分硫酸钠颗粒进入石灰石浆液中，表1为Na2SO4的溶解度和结晶水的温度对应表。

表1

虽然吸收塔浆液基本在60℃左右，在脱水过程中会有一部分十水合硫酸钠Na2SO4·10H2O（芒硝）产生，但由于除尘器的作用产量是微量的，对浆液和石膏品质的影响会很小。另外微量的Na2SO4也会进入湿法脱硫的废水，虽然溶于水的Na2SO4无毒、PH值为7，生态学上对水是只有稍微危害，但由于硫酸根的存在对脱硫废水也是有一定不利的影响。

2.4 干湿法耦合脱硫的投资设备和运行成本

钠基干法脱硫技术需新建设备，如粉仓、研磨机、送粉风机、喷嘴反应器等，并对反应烟道进行改造。

钠基干法脱硫所需碳酸氢钠计算方程式：

SO2+2NaHCO3+1/2O2→Na2SO4+2CO2+H2O

以外二厂为例，机组满负荷（900MW）时，在每台给煤机煤量为65 t/h、入炉煤加权平均硫份为0.6%、脱硫效率为95%的情况下，所需喷入的小苏打量为：

65＊6＊0.6%＊2＊2.625/95%=12.93 t/h，

其中，未将飞灰、底渣含硫量和生成SO3量计算在内，实际运行中所需小苏打量会略微下降。如与湿法脱硫耦合运行，承担50%脱硫效率，则需约6.8t/h的小苏打喷入量。

工业用小苏打或纯碱价格约在1 200元/t～1 800元/t，回收产物Na2SO4价格在500元/t～700元/t，但对于燃煤机组，需添加一套粉灰分离装置才能保证Na2SO4的可靠回收，以致又增加了额外的投资和运行成本。

3 干湿法脱硫耦合运行可行性总结

通过分析得出，配置石灰石湿法脱硫设备的燃煤机组需要脱硫能力扩容，增加一套钠基干法脱硫在系统和运行上是可行的，对其他系统的运行影响甚微，也不会对其它设备带来危害。但由于工业小苏打是化学制品，相比于天然存在且易采集的石灰石而言原材料价格相对偏高，且回收产物Na2SO4因为煤粉灰附着的原因而难以收集。总体而言，经济性不佳是遏制干湿法脱硫耦合运行的主要原因。随着工业产业的不断发展，曾被燃煤机组所弃用的干法脱硫工艺已逐渐被一些企业接纳并采用。如果钠基干法脱硫原料和运行成本得到进一步下降，辅以回收产物能力的逐步加强，干湿法耦合脱硫的运行方式因其可靠性和安全性将有望被运用于国内燃煤机组。