火電站脫硫新模式——燃前煤粉在線脫硫
摘要: 1999 年全國二氧化硫排放總量1 857 萬t ,而火電廠SO2 排放810 萬t ,占全國SO2 排放的43. 6 %。火電站脫硫已成為研究的熱點。對火電站脫硫新模式- 燃前煤粉的摩擦電選在線脫硫進行了研究論述: (1) 應(yīng)用摩擦電選技術(shù)與電站制粉系統(tǒng)集成進行火電站燃前煤粉在線脫硫降灰的原理; (2) 該技術(shù)的合理性及可選性; (3) 實現(xiàn)燃前煤粉在線脫硫降灰對鍋爐燃燒特性的影響; (4) 該技術(shù)的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:在線脫硫降灰,摩擦電選技術(shù),火電站,煤粉,制粉系統(tǒng),集成
前言
電力工業(yè)的快速發(fā)展, 特別是火電裝機容量和發(fā)電量的大幅增加, 電力環(huán)保問題日益突出。 1999 年全國火電廠SO2 排放810 萬t , 占全國SO2 排放的43. 6 % ,原因就是直接燃燒原煤。我國火電廠1999 年燃煤平均灰分26 % , 燃煤含硫量> 1 % 的火電廠100多個, 相應(yīng)裝機容量4000 多萬千瓦, 約占全國火電裝機容量的14 %; 而到1999 年底, 投入運行的火電廠煙氣脫硫裝置約250 萬kW, 在建的火電廠煙氣脫硫裝置約100 多萬千瓦, 兩者之和僅占火電裝機容量的1. 26 %。燃煤電站要執(zhí)行國家在環(huán)保方面的強制性標準,必須采取脫硫措施。目前脫硫的途徑可分為在燃前對煤粉進行脫硫、在燃燒爐中進行固硫或?qū)θ己蟮臒煔膺M行脫硫。增加燃中或燃后脫硫系統(tǒng), 其投資及運行費用都比較高。
若能實現(xiàn)燃前應(yīng)用高效先進的選煤技術(shù)對煤粉進行深度脫硫降灰, 使污染尚未產(chǎn)生就進行治理, 將是一種減少污染排放、提高鍋爐效率、降低設(shè)備磨損、延長設(shè)備使用壽命、簡化工藝流程、降低發(fā)電成本的合理選擇。
事實上, 燃煤電站的制粉工藝系統(tǒng)已為實現(xiàn)爐前煤粉的深度脫硫降灰提供了充分條件。因為燃煤電站鍋爐噴吹用煤要磨細到70 %以上小于 74μm, 這時大部分礦物質(zhì)都已充分解離, 這就為在燃前應(yīng)用物理選煤的方法高效去除其中的黃鐵礦硫和成灰物質(zhì)提供了充分的解離條件。而且磨煤的能量消耗對燃煤電站來說是必須的, 使得在選煤過程中為了充分解離煤中的礦物質(zhì), 所要消耗的磨煤能耗得以節(jié)省, 選煤過程的成本自然就很低。因此,若能把選煤工藝與電站制粉系統(tǒng)的特點結(jié)合,集成化在爐前實現(xiàn)深度脫硫降灰,無論從技術(shù)工藝角度還是從經(jīng)濟效益角度來看都是一條理想的途徑,具有重要意義。
能夠適應(yīng)這種集成化要求的選煤方法, 必須是能夠分選< 74μm微細粒煤的工藝簡單的干法分選技術(shù),因為鍋爐噴粉燃燒必須用干粉。采用濕法技術(shù)分選如此細的煤,其精煤產(chǎn)品需要脫水、干燥, 同時需要龐大的煤泥水處理系統(tǒng), 其投資、運行成本都非常高,易造成新的環(huán)境污染,而且做不到爐前在線分選。因此,必須采用干法分選技術(shù)。摩擦電選技術(shù)恰是能滿足這種要求的高效干法分選技術(shù)。
1 應(yīng)用摩擦電選技術(shù)進行火電站燃前煤粉在線脫硫降灰的原理
如圖1 所示, 煤粉被氣流輸送經(jīng)過摩擦器時, 煤中有機質(zhì)(煤) 和無機質(zhì)(礦物質(zhì)) 顆粒之間以及顆粒與摩擦器器壁間碰撞摩擦分別帶上正、負電荷, 荷電顆粒群被氣流送入高壓靜電場, 正、負荷電粒子受到相反方向的電場力作用, 分別向相反電極極板運動,形成兩股物料流,從而實現(xiàn)有機質(zhì)與無機質(zhì)(特別是黃鐵礦硫) 的精確分離。由于摩擦電選技術(shù)以氣體作為載體介質(zhì), 能有效地克服分子力引起的顆粒團聚,因此,能有效地分選細度 < 74μm的微粉煤, 而在這個級別中大部分無機質(zhì)(特別是黃鐵礦硫) 已充分解離, 從理論上講更容易實現(xiàn)深度脫硫降灰, 實際試驗研究已給予了充分證明。
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由摩擦電選技術(shù)的原理可知, 該技術(shù)可與燃煤電站制粉系統(tǒng)有機地集成在一起,因為,摩擦電選技術(shù)所需磨粉、干燥、氣力輸送等工藝環(huán)節(jié)在火電站制粉系統(tǒng)中已完全具備,因此,將摩擦電選機的給料口和精煤出料口直接插入到制粉系統(tǒng)的送粉管路與鍋爐之間達到集成化的目的, 在煤粉的輸送過程中,黃鐵礦等礦物質(zhì)被連續(xù)分離排出,進入鍋爐的是低硫低灰潔凈煤, 實現(xiàn)了在線深度脫硫降灰。
2 應(yīng)用摩擦電選技術(shù)進行燃前在線脫硫降灰的合理性、可行性
應(yīng)用摩擦電選技術(shù)進行燃前在線脫硫降灰的合理性、可行性可由下面幾點看出。
(1) 首先燃煤電站鍋爐噴吹用煤要磨細到 70 %以上小于74μm, 這時大部分礦物質(zhì)都已充分解離, 這就為在燃前應(yīng)用摩擦電選技術(shù)在線高效脫除其中的黃鐵礦硫和成灰物質(zhì)提供了充分的解離條件。而且磨煤的能量消耗對燃煤電站來說是必須的, 使得在摩擦電選過程中為了充分解離煤中的礦物質(zhì),所要消耗的磨煤能耗得以節(jié)省,同時摩擦電選過程中主要是利用靜電場來分離黃鐵礦等礦物質(zhì),其能耗非常小。因此,在火電站制粉系統(tǒng)中插入摩擦電選系統(tǒng)以實現(xiàn)集成化在線脫硫降灰的運行、加工成本很低。
(2) 由摩擦電選技術(shù)的原理可知,該技術(shù)可與燃煤電站制粉系統(tǒng)有機地集成在一起,因為,摩擦電選技術(shù)所需磨粉、干燥、氣力輸送等工藝環(huán)節(jié)在火電站制粉系統(tǒng)中已完全具備。因此,將摩擦電選機的給料口和精煤出料口直接插入到制粉系統(tǒng)的送粉管路與鍋爐之間達到集成化的目的, 在煤粉的輸送過程中脫除黃鐵礦等礦物質(zhì), 所需的設(shè)備投資及運行費用都很低。
因此, 把摩擦電選技術(shù)與火電站制粉系統(tǒng)的特點有機結(jié)合,集成化在爐前實現(xiàn)深度脫硫降灰, 無論從技術(shù)工藝角度還是從經(jīng)濟效益角度來看都是一條合理的理想途徑。
(3) 摩擦電選過程對火電站制粉系統(tǒng)的工況條件適應(yīng)性問題。美國在該方面對煤粉電站制粉系統(tǒng)輸送管路中煤粉的摩擦帶電極性、帶電量進行了測量,研究結(jié)果表明: ①煤粉荷電量的荷質(zhì)比可達50μC/ kg , 接近實驗室試驗中顆粒的荷電量水平,能夠滿足摩擦電選的條件要求; ②輸送管路中的條件, 如風(fēng)煤比、氣流速度、氣體溫度及相對濕度不會對摩擦電選過程造成明顯的影響。
在火電站制粉系統(tǒng)中, 煤粉被磨細的同時被干燥。被干燥的煤粉具有很強的吸附空氣的能力, 它能借助于顆粒表面極薄空氣層的減阻作用而具有良好的流動性(松散性) , 這就為摩擦電選過程中顆粒的分散、碰撞摩擦帶電及輸送造就了更加良好的分選條件。
制粉系統(tǒng)管路中的溫度約60 ℃～70 ℃。已掌握的研究結(jié)果表明: 煤粉在這種水分及環(huán)境溫度下,具有很高的比電阻,更加有利于煤粉保持一個較高水平的荷電荷質(zhì)比,提高摩擦電選效率。
在直吹式制粉系統(tǒng)中, 輸送氣體的相對濕度為15 %～60 %。美國的理論研究表明,在這種條件下,不會對摩擦帶電過程產(chǎn)生明顯的影響;中國礦業(yè)大學(xué)在實驗室中試系統(tǒng)上, 在相對濕度為98 % 的陰雨天專門進行試驗, 證明摩擦電選在這種條件下是完全可以進行的。
在中倉式制粉系統(tǒng)中, 輸送氣體的相對濕度更低,對摩擦電選過程不會產(chǎn)生影響。
目前,煤粉電廠的制粉工藝流程是:原煤→干燥、磨粉→輸送→燃燒。而采用適應(yīng)于微粉煤脫硫降灰的干法摩擦電選技術(shù), 集成化進行爐前在線脫硫降灰, 分選工藝流程將為: 原煤→干燥、磨粉 →輸送→摩擦電選→輸送→燃燒。
從工藝及技術(shù)角度來說摩擦電選技術(shù)與幾種制粉系統(tǒng)都可以集成配合。摩擦電選脫硫后產(chǎn)生的尾煤可拋棄、用于井下充填或綜合利用或用循環(huán)流化床單獨處理。
3 實現(xiàn)燃前煤粉在線脫硫降灰對鍋爐燃燒特性的影響
摩擦電選后可得到灰分< 15 %或< 10 %、硫分< 1 %或< 0. 5 %的低灰低硫高熱值煤粉, 它具有高效低污染的燃燒特性,具體表現(xiàn)為: (1) 減少燃料消耗；曳指叩拿翰粌H使發(fā)熱量降低,而且影響煤的著火和燃燒。例如,在煤粉升溫著火過程中,煤中的灰加熱到高溫和改變相態(tài), 要消耗一定的能量,延遲煤粉的及早著火;煤粉燃燒中所形成的灰殼對氧氣擴散到焦炭表面起著阻礙作用,特別是燃盡末期,高灰有可能阻礙燃燒的繼續(xù)進行,使燃燒盡度下降,影響燃燒效率；曳置吭黾1 % ,燃料消耗亦增加1 %。
(2) 提高燃燒溫度、鍋爐效率、降低磨損,提高鍋爐運行的經(jīng)濟和安全性；曳钟绊憮]發(fā)分的析出,其含量愈高則揮發(fā)分析出溫度愈高,著火速度也就愈慢, 且燃燒溫度下降; 燃燒高灰煤時, 易造成爐內(nèi)結(jié)渣、受熱面積積灰與磨損都較嚴重,減少壽命,影響鍋爐的安全經(jīng)濟運行。
(3) 降低煙氣中的飛灰濃度及灰渣處理費用。在以固態(tài)排渣的煤粉燃燒中, 85%～90%的灰分以飛灰形式隨煙氣一起排出爐膛。煤粉灰分愈高, 飛灰濃度愈大。當燃用發(fā)熱量為28. 6 MJ / kg ,灰分為 10%的優(yōu)質(zhì)煤時,飛灰濃度為9. 4 g/ m3 ;而當燃用發(fā)熱量為14. 5 MJ / kg , 灰分為47%的劣質(zhì)煤時, 飛灰濃度高達83. 2 g/ m3。飛灰濃度大,易使受熱面積灰, 影響傳熱,使排煙溫度升高,增加排煙熱損失。由于燃煤灰分降低, 使排放灰渣總量減少, 降低灰渣處理費用。
(4) 減少SO2 排放量。分選后精煤的硫分降低到1 %或0. 5 %以下, 在燃燒時可不需進行燃中或燃后脫硫。
(5) 減少有毒痕量元素的排放。煤中有幾十種痕量元素, 它們在煤炭燃燒中主要有三種變化遷移方式。高熔點元素在燃燒中不揮發(fā),主要集中于灰渣中;高溫下?lián)]發(fā)、低溫下冷凝的元素易在微粒上富集; 易揮發(fā)不易冷凝的元素以氣態(tài)排入大氣。在上述三種方式中,最有害的是痕量元素在微粒上的富集, 因為當這些亞微米級的微粒排入大氣后,對人體健康毒害很大。存在于無機物中的痕量元素, 通過摩擦電選, 都能除去相當一部分, 從而減少這些有毒的痕量元素在微粒上的富集, 減少有毒痕量元素的排放。
因此, 應(yīng)用摩擦電選技術(shù)與制粉系統(tǒng)集成在一起進行爐前在線脫硫降灰與燃中、燃后脫硫技術(shù)相比, 具有達到脫硫目的的同時, 實現(xiàn)節(jié)能、提高鍋爐效率、降低鍋爐磨損、降低灰渣處理費用、減少有毒痕量元素排放的諸多優(yōu)點。
4 應(yīng)用前景
摩擦電選技術(shù)可直接在新建電站設(shè)計中有機結(jié)合在一起,由于其體積小,也可以在已建電站制粉、輸送系統(tǒng)中改造插入,實現(xiàn)煤粉爐前在線脫硫降灰。同時,其低投資、低運行成本的優(yōu)點,都使得該技術(shù)在國內(nèi)外具有廣闊的應(yīng)用市場。
對于燃用含黃鐵礦硫為主煤炭的電站來說, 應(yīng)用投資及運行費用都非常低的摩擦電選與電站制粉系統(tǒng)集成進行在線脫硫降灰技術(shù), 可省略煙氣脫硫系統(tǒng); 對于燃用含有機硫為主煤炭的電站來說,則可應(yīng)用煙氣脫硫技術(shù)或燃中脫硫技術(shù)。因此,該技術(shù)可與煙氣脫硫技術(shù)、燃中脫硫技術(shù)實現(xiàn)互補, 對于解決我國火電站SO2 污染問題將作出重要貢獻。結(jié)合我國的實際國情、經(jīng)濟狀況,研究開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、投資及運行費用都非常低的與煤粉電站制粉系統(tǒng)集成的摩擦電選脫硫降灰技術(shù), 對我國來說具有是十分重要的戰(zhàn)略意義與現(xiàn)實意義。由于該技術(shù)是結(jié)合燃煤電站的供煤系統(tǒng)特點,充分利用其潛在的有利條件,其投資及運行費用都非常低,該技術(shù)的應(yīng)用可省略燃中、燃后脫硫系統(tǒng)。結(jié)合我國西部大開發(fā)中火電發(fā)展的需要,以及西部地區(qū)嚴重缺水的特點,潛在市場前景很好。
該技術(shù)還可應(yīng)用于高爐噴吹系統(tǒng)中, 進行爐前煤粉的在線脫硫降灰。因此,它的應(yīng)用必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
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