燃煤锅炉两步脱硫技术介绍
内容提供： 北京中科慧智建材设计研究所
一、目前国内燃煤电厂脱硫现状、政策要求及脱硫技术特点
2005年我国二氧化硫排放总量达到2549万吨，其中燃煤电厂二氧化硫排放量1300万吨，超过了二氧化硫排放总量的一半。
根据目前的二氧化硫排放严峻形势和减排迫切要求，有关部委制定了《燃煤电厂二氧化硫排放“十一五”规划》明确提出燃煤电厂二氧化硫减排的目标：“十一五” 末期二氧化硫排放总量由2005年的1300万吨下降到502万吨，下降61.4％。
为了确保实现二氧化硫的减排任务，国家发改委和环保总局联合出台《燃煤发电机组脱硫电价及脱硫设施运行管理办法（试行）》，加强对电厂脱硫设施投运情况的在线监控。
目前国内电厂脱硫主要采用湿法脱硫。但湿法脱硫建设投资大、运行费用高，企业难以承受，到2006年仍有1.37亿千瓦共计221个项目未安装脱硫设施。
湿法脱硫由于烟气中二氧化硫浓度高，对烟气管道及脱硫设施本身金属部件产生腐蚀严重，影响设备的使用寿命，且脱硫副产品易造成污染处置费用高。
干法和半干法脱硫率低，燃用高硫煤时，单用干法或半干法很难使SO2排放浓度一步达标。
二、燃煤锅炉两步脱硫原理
基于目前各种脱硫技术存在的问题，开发一种投资省、运行费用低、脱硫效率高、能够延长脱硫设施使用寿命、脱硫副产品利用价值高的综合性脱硫技术，具有十分重要的意义。
燃煤锅炉两步脱硫是把“炉内固结脱硫”和“炉后烟气脱硫”结合起来的一项综合脱硫技术。两步脱硫不但具有较高的脱硫率，而且同时对煤粉灰渣进行改性，所得改性灰渣具有较好的水硬胶凝性能，可以大掺量用于生产建材产品或制品。由于炉内固结脱硫的作用，烟气中SO2浓度大大减少，从而减轻SO2等酸性气体对烟气管道及脱硫设施本身金属部件的腐蚀，延长了设备的使用寿命。
第一步“炉内固结脱硫”
按照“一炉两用”技术在燃煤锅炉燃料中添加并共同粉磨的掺烧剂，既具有炉内固结脱硫功能，又具有炉内灰渣改性功能。在煤粉燃烧的同时，具有脱硫和改性双重功能的多元掺烧剂与煤中的硫及其它组分，迅速完成固结脱硫和灰渣改性的煅烧反应过程，固结脱硫产物赋存于改性灰渣中并形成早强矿物。炉内固结脱硫率可以达到80%。
但由于燃煤锅炉内燃（煅）温度比较高，会发生脱硫逆反应，经固结脱硫后的出炉烟气中SO2浓度仍然较高。
第二步“炉后烟气脱硫”
由于炉内已经脱去大部分硫，炉后脱硫的压力减轻，炉后只需上简易的半干法脱硫装置就能达到SO2排放控制的要求。
从锅炉的空气预热器出来的烟气，经反应器底部进入反应器，和均匀混合在增湿循环灰中的吸收剂发生反应，此时吸收剂表面水分被蒸发，烟气得到冷却，湿度增加，在降温和增湿的条件下，烟气中的SO2与碱性吸收剂反应生成亚硫酸钙。反应后的烟气携带大量的干燥固体颗粒进入电除尘器，经过反应、干燥的循环灰被除尘器从烟气中分离出来，由输送设备再输送给增湿活化器，同时也向增湿活化器加入生石灰，经过增湿活化后进行再次循环。洁净后的烟气在露点温度15℃以上，无须再热，经过引风机排入烟囱。
在传统的喷雾干燥FGD工艺中，石灰是以浆状雾化喷入吸收塔的。而本技术采用的是含水量仅为百分之几的吸收剂粉末，且吸收剂的循环量比传统的半干法FGD工艺要高得多，由于用于水分蒸发的表面积很大，干燥时间大大缩短，因此反应器体积可大大缩小（约为传统的半干法或烟气循环流化床反应器的10%-20%），并与除尘器入口烟道构成一个整体。虽然烟气在此部分的停留时间较短，但由于循环灰的蒸发表面很大及在反应段具有高的实际钙硫比，所以具有比其它半干法更优的对烟气的冷却效果和脱硫效率。
应用半干法完成第二步脱硫之后，两步脱硫的综合脱硫效率可以达到95%以上。
三、燃煤锅炉两步脱硫的优点
燃煤锅炉两步脱硫，综合了炉内脱硫和半干法脱硫的优势，并克服了炉内喷钙脱硫、湿法脱硫、半干法和干法脱硫的缺点，具有以下优点：
综合脱硫率达到95%以上，达到湿法脱硫水平，克服了干法和半干法脱硫率低的缺点。
由于炉内已经脱去大部分硫，减轻了炉后脱硫的压力，炉后只需上简易的脱硫装置就能达到SO2排放控制的要求。
由于炉内已经脱去大部分硫，烟气中SO2、SO3浓度降低四分之三以上，从而大大减轻SO2 和SO3对烟气管道及脱硫设施本身金属部件的腐蚀，延长了设备的使用寿命。
同比湿法脱硫中常用的石灰石-石膏法，脱硫设施投资节省约45%（以220T/H锅炉为例），脱硫成本平均节省0.5～1.1元/kg，大大减少企业脱硫设施资金投入和脱硫运行费用。
脱硫产物赋存于改性灰渣中并形成早强矿物，提高了灰渣的活性，改性灰渣可大掺量应用于建材产品或制品的生产。
四、燃煤锅炉两步脱硫改性灰渣的特点
燃煤锅炉实施两步脱硫并经改性后的粉煤灰属于自硬性粉煤灰，具有水硬胶凝性能好、自硬性强度高、非结合态CaO和SO3含量较高、脱硫改性灰活性较好等特点。由于反应物颗粒在炉内一般只经历2～5秒钟，煅烧时间较短，因此脱硫改性灰中非结合态的CaO具有一定活性，经细磨或蒸养后能够快速水化，不会对水泥等建材产（制）品的安定性产生影响，反而对火山灰性混合材起到碱性激发剂的作用。
燃煤锅炉实施两步脱硫，掺烧剂和煤灰的化合反应产物在高温下形成少量液态，成粒状渣排出，所以炉渣也得到改性。
五、燃煤锅炉两步脱硫改性灰渣的利用
燃煤锅炉两步脱硫改性灰实质上为粉煤灰，但性能优于传统粉煤灰。因此传统粉煤灰可以使用的领域，两步脱硫改性灰均可以使用。
一些建材产（制）品，如粉煤灰加气混凝土、粉煤灰砌块(砖)等，生产时需要掺加水泥、石灰和石膏等。此时的水泥和（或）石灰作为钙质材料，两者水化时均产生Ca(OH)2，Ca(OH)2与粉煤灰中的活性氧化物反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，使制品获得强度。水泥水化产生大量CSH凝胶，能够使制品坯体凝固和硬化。石灰水化放出大量的热量，可促使胶凝材料进一步凝结硬化。同时石灰提高了料浆的碱度，促使发泡剂（铝粉）进行发气反应。石膏主要起调节水泥凝结时间和延长石灰消化时间、降低石灰消化温度的作用，同时还参与发泡剂（铝粉）的放气反应。
两步脱硫改性灰渣中含有大量钙质水硬性胶凝矿物和具有一定活性的非结合态CaO，它们可以替代水泥和石灰作为钙质材料，脱硫产物可以替代部分石膏，因此用两步脱硫改性灰渣生产建材产（制）品，在保证产品质量的前提下可以节省所用高价值材料的种类和数量，简化生产环节，大大降低生产成本。
六、生产线建设内容
燃煤锅炉两步脱硫工艺涉及“炉内固结脱硫”和“炉后半干法脱硫”两个部分。“炉内固结脱硫”工艺主要包括炉前的“AMC”掺烧剂制备、储存及配料系统。“炉后半干法脱硫”工艺主要包括脱硫剂增湿活化系统、脱硫反应器、脱硫产物的收集及储运系统。其中可利用原有锅炉与收尘器之间的钢制烟道改造成脱硫反应器，脱硫产物的收集及储运系统可利用电厂原有设施。
因此，燃煤锅炉两步脱硫的投资主要在“炉内固结脱硫”的炉前工艺系统和“炉后半干法脱硫”的烟道改造及脱硫剂的增湿活化系统。在此基础上，电厂亦可以根据当地情况，考虑自建水泥粉磨站、混凝土搅拌站或建材制品厂等，充分体现改性产品的附加值。
本技术适用于各种规格的燃煤锅炉，脱硫改性灰渣的产量主要由锅炉规格、煤质等因素决定。当煤灰分含量为30%时，一般燃烧一吨煤约联产0.35～0.45吨水硬性胶凝材料（改性煤粉灰渣）。
七、投资及运行费用估算
燃煤锅炉实施两步脱硫，单台锅炉的脱硫设施建设投资及脱硫运行成本可初步参见表1：
表1
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以220吨锅炉为例，单台锅炉完备石灰石-石膏法脱硫建设投资约需 1560万元，而实施两步脱硫的建设投资约为855万元，比其节省约705万元。当电厂拥有多台锅炉时，如湿法脱硫则需按台配套建设脱硫设施，而两步脱硫的炉前脱设施可集中建设。因此两步脱硫可以大幅度减少脱硫设施的建设投资。
燃煤锅炉两步脱硫的改性灰渣用于生产粉煤灰加气混凝土和粉煤灰砌块(砖),联产规模可初步参见表2：
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表2
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八、技术实施给企业带来的直接经济效益
实施两步脱硫，是企业实现环保减排、降低脱硫建设投资和运行费用、延长设备使用周期、灰渣综合利用的有效措施和最佳途径，主要体现在如下方面：
脱硫建设投资低，可减轻企业的资金负担。以220T/H锅炉为例，同比石灰石-石膏法节省脱硫建设投资约45%。
脱硫成本平均在0.6～1.2元/kg,比湿法脱硫节省0.5～1.1元/kg, 大大减少企业的脱硫运行费用。
综合脱硫率达到95%以上，脱硫效果明显，可减少企业SO2排污费的支出。
由于炉内已经脱去大部分硫，烟气中SO2、SO3浓度降低四分之三以上，从而大大减轻了SO2 和SO3对烟气管道及脱硫设施本身金属部件的腐蚀，延长了设备的使用寿命。
粉煤灰渣得到全部的处理利用，可以使电厂节省粉煤灰渣堆存、维护费用，以及粉煤灰排放运营的水、电、人工、车辆折旧、油耗等费用。
可确保享受每千瓦时加价1.5分钱的脱硫加价政策。
九、技术实施给企业带来的递延经济效益
由于相关费用均已全部算到脱硫成本中，所以脱硫改性灰不再发生任何生产成本。脱硫改性灰由于自身具备一定强度，生产建材制品时可不掺（或少掺）水泥和石灰，并且可以和原有存放的粉煤灰渣搭配使用，在保证产品质量的前提下节省所用高价值材料的种类和数量，简化生产环节，大大降低生产成本。例如在生产加气混凝土时，使用脱硫改性灰渣替代水泥和石灰，搭配47%原有存放的粉煤灰渣，加气混凝土的立方利润可以提高约26元（视区域材料价格不同而异）。
用脱硫改性灰渣生产建材制品，还可享受国家免征5年所得税和增值税减半的优惠政策。
十、投资回收期
一般情况下，实施两步脱硫正式投产后两年内可收回全部投资。
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