燃煤鍋爐內(nèi)同時干法脫硫脫硝技術(shù)研究

李任

摘 要：為解決燃煤鍋爐產(chǎn)生的氮硫污染物，干法脫硫及干法脫硝越來越廣地應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計中，但同時使用干法脫硫脫硝，它們的效率如何？是否會產(chǎn)生沖突反應(yīng)，又是否會對鍋爐管道產(chǎn)生磨損，值得我們?nèi)パ芯俊?/p>

關(guān)鍵詞：爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù);PNCR高分子脫硝;磨損機(jī)理

一、爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)

（一）爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)概述。LIFAC法 由芬蘭IVO公司和TAMPELLA公司聯(lián)合開發(fā)，是在爐內(nèi)噴鈣的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。傳統(tǒng)爐內(nèi)噴鈣工藝的脫硫效率僅為20%～30%，而LIFAC法在空氣預(yù)熱器和除塵器之間裝一個活化反應(yīng)器，并噴水增濕促進(jìn)脫硫反應(yīng)，使最終的脫硫效率達(dá)到70%～75%，LIFAC法比較適合中低硫煤，其投資及運(yùn)行費(fèi)用具有明顯優(yōu)勢，較具競爭力。另外由于活化器的安裝對機(jī)組的運(yùn)行的影響不大，比較適合中小型容量機(jī)組和老電廠的改造。該系統(tǒng)主要任務(wù)是完成物料輸送、計量、送粉量調(diào)節(jié)，爐內(nèi)噴射，從而使石灰石粉在爐內(nèi)煅燒分解，利用生成的CaO與爐內(nèi)煙氣中的SO2進(jìn)行反應(yīng)實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫。石灰石粉噴射輸送系統(tǒng)以羅茨風(fēng)機(jī)為動力源，采用輸粉機(jī)氣源射流原理，利用高速氣流的引射作用來輸送粉狀物料。

（二）爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)反應(yīng)機(jī)理。爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)又稱石灰石粉爐內(nèi)噴射和鈣活化發(fā)（LIFAC），其反應(yīng)機(jī)理仍然是鈣基脫硫原理，由兩部固硫反應(yīng)組成，首先石灰石粉料（固硫劑）噴入爐膛尾部熱煙氣中，在高于750℃的溫度下快速分解為CaO，CaO在800～1000℃的溫度范圍內(nèi)與SO2相遇，直接進(jìn)行脫硫反應(yīng)生成CaSO4，1000℃以上生成的硫酸鹽又將分解。

CaCO3在爐內(nèi)吸收SO2的反應(yīng)式：

CaCO3 → CaO+CO2 CaO+SO2+1/2 O2→ CaSO4

然后煙氣進(jìn)行鍋爐后部的活化反應(yīng)器（或煙道），爐內(nèi)尚未參加反應(yīng)的 CaO 通過噴水增濕轉(zhuǎn)化為具有較高反應(yīng)活性的Ca（OH）2，繼續(xù)與煙氣中的SO2反應(yīng)，使脫硫效率從20%～30%提升至70%～80%。

其反應(yīng)式為：Ca（OH）2+SO2 +1/2O2→ CaSO4+H2O

傳統(tǒng)的爐內(nèi)噴鈣由于反應(yīng)在氣固兩項之間進(jìn)行，受到傳質(zhì)過程的影響，反應(yīng)速度較慢，吸收劑利用率較低。在尾部增濕活化反應(yīng)器內(nèi)，增濕水以霧狀噴入，與未反應(yīng)的CaO接觸生成Ca（OH）2進(jìn)而與煙氣中的SO2反應(yīng)，當(dāng)Ca/S比控制在2.0～2.5時，系統(tǒng)脫硫率可達(dá)到65%～80%，但由于增濕水的加入會使煙氣溫度下降。

（三）影響脫硫效率的因素。鈣硫比（Ca/S摩爾比）是噴射吸收劑的量與初始硫的量之比，它是鈣利用率的一個指標(biāo)，高Ca/S能增強(qiáng)SO2的脫除能力，但過高的Ca/S會使鍋爐固體載荷和廢物處理量迅速增大，通常Ca/S為2時，常常被商業(yè)運(yùn)行采用。

已經(jīng)有研究表明，鍋爐爐內(nèi)脫硫的石灰石最佳顆粒度一般為0～1.5mm，中位徑 D50一般控制約為0.45mm。石灰石粒度如果偏大時，致使其反應(yīng)體表面積較小，顆粒中心有效成分難以參與反應(yīng)，不利于石灰石的有效利用，使得石灰石的利用率降低;石灰石粒度如果偏細(xì)時，則容易造成噴嘴堵塞，且不利于除塵器捕集。

雖然反應(yīng)中，消耗了氧氣，理論上會降低NOx的生成，但實(shí)際上爐內(nèi)噴鈣會導(dǎo)致NOx排放量增加。脫硫劑（石灰石，CaCO3）對生成氮氧化物的影響，主要體現(xiàn)在兩個方面。一是富余的CaO作為強(qiáng)催化劑會強(qiáng)化燃料氮的氧化速度，使NO的生成速度增加;另一個是富余的CaO和CaS作為催化劑會強(qiáng)化CO還原NO的反應(yīng)過程。一般情況下，CaO對燃料氮生成NO的貢獻(xiàn)大于其對還原性氣體還原NO的貢獻(xiàn)，從而使得NOx排放量增加。但從另一個角度來看，生成NO和SO2時，對氧是競爭的，故，NO排放量越高，則SO2排放越低。

決定脫硫效率的關(guān)鍵因素是爐內(nèi)具有反應(yīng)能力的CaO的量。石灰石吸熱分解，釋放出CO2，使其本身形成富含CaO的多孔固體顆粒，增加了反應(yīng)表面和孔隙率，這樣的CaO才具有反應(yīng)能力。一旦生成了活性的CaO，必須在最佳溫度范圍內(nèi)具有足夠的時間（至少1.5s以上）。因此，到達(dá)反應(yīng)界面的SO2必須先擴(kuò)散通過這些微孔。隨著反應(yīng)進(jìn)行，在未反應(yīng)的CaO表面會產(chǎn)生CaSO4產(chǎn)物層，降低了效率。

爐內(nèi)噴鈣所產(chǎn)生的CaO及形成的CaSO4在SCR反應(yīng)器催化劑表面，形成釉質(zhì)層，阻止了反應(yīng)物向催化劑表面擴(kuò)散，及擴(kuò)散進(jìn)入催化劑內(nèi)部，從而影響了催化劑的催化效果。

應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，加設(shè)聲波吹灰器，用來清除催化劑表面的雜質(zhì)。

二、PNCR（Polymer Particles Non-Catalytic Reduction）高活性聚合物顆粒固體氨基還原劑非催化還原煙氣脫硝技術(shù)

（一）PNCR脫銷工藝概述。PNCR脫硝工藝流程簡單、模塊式、安裝簡單，脫硝劑為固態(tài)顆粒狀或粉末狀，運(yùn)輸、儲存安全方便，設(shè)備數(shù)量少，運(yùn)行維護(hù)方便。PNCR脫硝運(yùn)行時，避免了空預(yù)器、過熱器、省煤器積灰，不影響鍋爐出力，不降低熱效率，避免了噴嘴處水冷壁腐蝕嚴(yán)重問題。消除了灰斗積灰渣嚴(yán)重問題，不影響布袋除塵器除塵效果，不會降低布袋使用壽命。

該技術(shù)是利用高活性固體氨基還原劑作為脫銷還原劑，該技術(shù)既具有SCR脫硝效率高的優(yōu)點(diǎn)，又具有SNCR投資和運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)勢。它不用設(shè)置催化劑，以高反應(yīng)活性的固體氨基還原劑（NR5）為原料，在600～950℃范圍內(nèi)，迅速（1～2s）與NOX發(fā)生還原反應(yīng)而達(dá)到脫硝目的。其中最佳反應(yīng)溫度為850～950℃。

反應(yīng)方程式如下：NOX+PNCR（高分子還原劑）→N2+CO2+H2O

高溫下，脫硝劑中氨基和高分子連接的化學(xué)鍵斷裂，釋放出大量的含氨基官能團(tuán)，氨基與煙氣中的NOX發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到脫除NOX的目的。當(dāng)同時實(shí)施爐內(nèi)噴鈣技術(shù)及PNCR時，理論上，兩種投放藥劑不會發(fā)生反應(yīng)。

碳酸鈣（CaCO3）是中性無機(jī)化合物，俗稱石灰石。

氧化鈣（CaO）是一種堿性氧化物，俗名生石灰。

氨基（-NH2）是有機(jī)化學(xué)中的基本堿基，所有含氨基的有機(jī)物都有一定堿的特性。在溫度為200～290℃的范圍內(nèi)，煙氣中的氨與SO3和H2O反應(yīng)生成硫酸氫胺（NH4HSO4），可以沉積，并集聚在催化劑表面。氨與SO2反應(yīng)的必要條件是有H2O的存在，因?yàn)榘笔桥c酸反應(yīng)，而不是氧化物。

（二）實(shí)例分析。以130t單鍋筒衡置式往復(fù)爐排熱水鍋爐為例。已知煙氣流速為12 m/s，及內(nèi)部溫度分布。初始塵濃度：8127 mg/m3;初始SO2濃度：1070 mg/m3;根據(jù)每燃燒1 kg煤;會產(chǎn)生 4.635 m3 煙氣;產(chǎn)生SO2? ?4.96 g;產(chǎn)生煙塵? ?37.67 g;最佳反應(yīng)溫度850-1000℃。最佳反應(yīng)時間1.5s以上以Ca/S為2投入CaCO3，則需要投入CaCO3 15.5 g。15.5 g的CaCO3產(chǎn)生8.68 g 的CaO取25 %的脫硫效率，則生成5.27 g 的CaSO4剩余6.51 g CaO未參與反應(yīng)。反應(yīng)后，塵濃度為10669mg/m3? 增長率31.28%SO2濃度為802.6mg/m3

三、磨損機(jī)理分析

對于燃煤鍋爐來說，由于大量的灰粒子流經(jīng)尾部受熱面，因此，這些受熱面的磨損幾乎是不可避免的。

分析顆粒對受熱面的磨損可由兩個方面來進(jìn)行。粒子碰撞壁面，A處所受到的力R可分解成為法向力PN和切向力PZ，若粒子速度、大小等一定，PN和PZ主要隨α角（即碰撞角）而變化。顯然 PN=Rsinα，PZ=Rcosα

PN的作用是使金屬顯微顆粒克服分子之間的結(jié)合力，使碰撞點(diǎn)的溫度升高引起該處金屬變軟。PZ的作用是把該處變軟的金屬撕下來，表征切削能力的大小。顯然，PN越大， 該處的溫度越高，越容易被撕下來，而PZ越小，切削能力越小?？梢钥闯觯琍N增加，必然PZ減小。被撕下來的金屬的體積可表示為

式中：B是與管子有關(guān)的常數(shù); ξ是與管材有關(guān)的常數(shù)。

對于碳鋼， ξ=0.78，則α=38°。

即α=38°時，管子的磨損最為嚴(yán)重。實(shí)際鍋爐管子，磨損最嚴(yán)重發(fā)生在α=36°～40°處。

參考文獻(xiàn)

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