能源与环保 福建能源开发与节约 2002年第1期
中国燃煤电站锅炉燃烧前脱硫技术分析
陈行滨(福建省电力勘测设计院 350003)
灰与脱硫并举及回收洗矸中的黄铁矿。原煤洗选不
我国是一个煤炭资源十分丰富的国家,是世界上仅有益于环保,而且还能带来一定的直接经济效益。最大的煤炭生产和消费国,其煤炭消费占一次能源的据测算,用户用1吨洗煤与直接使用原煤相比,可减70%左右。煤炭是我国分布最广,储量最多的能源资少发电成本近5元。源,在我国国民经济和社会发展中占有极其重要的地选煤技术分物理法、化学法和微生物法三种,具位。体情况如下。
能源消费结构中对煤炭的过分依赖导致了环境21111 物理及化学选煤法污染的加剧。我国煤炭资源的特点是高硫高灰煤比物理选煤可除去原煤中的部分灰分和黄铁矿硫,重大,大部分原煤的灰分含量在25%左右,约13%的是目前我国广泛采用的一种选煤方法。其中跳汰占原煤含硫量高于2%,而且高硫煤的产量在逐年增多。59%、重介质选煤占23%、浮选占14%。据统计,我国1995年二氧化硫排放量为2370万吨,占化学选煤是借助化学反应使煤中有用成分富集世界第1位。其中90%的二氧化硫排放与燃煤有关。或除去杂质和有害成分的工艺过程。我国的大气污染特征呈现煤烟型污染。我国选煤工业起步较晚,50年代才开始建立自己
二氧化硫排放量剧增使大多数城市二氧化硫浓的选煤工业。近十年来原煤入选量增长速度逐渐接度处于较高的污染水平。其中某些城市环境空气污近原煤产量的增长速度。尽管如此,我国原煤入选比染程度已达到发达国家五六十年代的污染最严重的例还是主要产煤国家中最低的。1997年全国入选原程度,酸性降水硫酸根与硝酸根的当量浓度之比达煤3138亿吨,动力商品煤平均灰分20149%,硫分64:1。目前酸雨污染区已扩展到长江以南,青藏高原1102%;炼焦精煤平均灰分9185%,硫分0174%;选后以东的大部分地区以及四川盆地等。严重的酸性降商品煤排出矸石5000万吨,节省铁路运量300亿吨公水和脆弱的生态系统使我国经济损失严重,环境问题里,省运费20亿元,脱除黄铁矿硫50-70%,减少SO2已经成为影响我国经济和社会发展的主要因素之一。排放230万吨。“十五”期间,计划全国原煤入选量要
鉴于“九五”期间75%、2000—2010年间90%的煤达到515亿吨,入选率达到50%。炭增加量用于发电,因此,我国的二氧化硫排放总量通过多年的自行开发和消化引进技术,我国选煤控制,尤其是酸雨控制区和二氧化硫污染控制区中,技术已有了长足进展,掌握了国际上先进的选煤方削减二氧化硫总量的重点应放在燃煤电厂。法。自行研制开发的设备已能满足400万t/a不同厂
根据控制二氧化硫排放的工艺在煤炭燃烧过程型、不同煤质、不同工艺的新厂建设及老厂技术改造中的位置,可将脱硫技术分为燃烧前、燃烧中和燃烧的需要。如跳汰机已达40m2,重介质分选机槽宽达到后三种。燃烧前脱硫主要是指选煤、煤气化和水煤浆415m,重介质旋流器直径达到1200mm,浮选机单槽容等技术;燃烧中脱硫指的是低污染燃烧、型煤和流化积16m3,筛分机面积27m2,压滤机面积最大达1050m2,床燃烧技术;燃烧后脱硫即烟气脱硫技术。相比而过滤机面积200m2,且均已形成系列,达到了国际先进
传感器、计算机言,燃烧前脱硫更接近于标本兼治,故本文主要就燃水平。此外,自行研制的自动化仪表、
软件及自控装置,已能实现主要生产环节的自动测控烧前原煤含硫量控制及脱除技术进行分析。
和全厂集中控制。“八五”和“九五”期间完成的“跳汰2 燃烧前原煤含硫量控制及脱除技术
211 煤炭洗选技术机主要参数自动控制”、“浮选系统产品质量在线测控
“、末煤重介系统产品质量在线测控技术”、“单选煤是除去或减少原煤中所含的硫分、灰分等杂技术”
质,并按不同用户对煤质的不同要求,实行对路供应。机自动化系统和工控网络系统”、“选煤厂电控系统可发展煤炭洗选,是从源头上减少污染的有效措施。我靠性诊断检测与工况参数监控系统”、“同位素煤炭硫
、“光电式浮选尾矿在线测灰仪”等攻国1997年原煤入选率为25173%,煤炭洗选的重点已分快速测定仪”
由炼焦煤转为动力煤,由过去单纯的注重降灰转为降关项目,总体技术达到或接近国际先进水平。1 我国二氧化硫的排放及污染现状44
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正在研究的空气重介干法选煤、风力选煤、动筛跳汰机选煤及小直径重介质旋流器分选煤泥等技术都取得了可喜进展;高梯度磁选脱硫、选择性絮凝、磨擦静电选和微波脱除有机硫等项目正在探索之中。
目前国内选煤生产和技术水平与国际先进水平相比,还存在一定的差距。如:原煤入选比例低;生产工效低;大型设备及自动化检测仪表的可靠性有待提高;适用于干旱缺水地区、年轻变质煤及易泥化煤分选的干法及节水型分选技术有待进一步开发、完善;煤炭深度脱硫降灰和综合利用技术尚未配套;极细粒煤的分选及脱水问题的研究刚刚起步。21112 微生物脱硫技术
微生物脱硫是把煤粉悬浮在含细菌的气泡液中,细菌产生的酶促使硫氧化为硫酸盐,从而达到脱硫的目的。这一方法具有脱硫反应条件温和、成本低、能耗省、没有煤流失等优点,因而受到广泛注意。利用微生物脱硫,黄铁矿的硫去除率可达90%,有机硫的去除率约为40%。当前应用有浸出法、空气搅拌式浸出法、表面氧化法等。
煤炭中的硫分为无机硫和有机硫,其比例因煤炭的种类和产地而异,无机硫主要以矿物形式(FeS2)存在,有机硫主要以化学键与成煤矿原子结合的形式存在。
用于脱除煤中硫化物的微生物种类较多,但主要的种类是氧化亚铁硫杆菌和氧化硫杆菌。氧化硫杆菌不能氧化亚铁,但可以氧化元素硫;而氧化亚铁硫杆菌不能氧化元素硫,却能氧化亚铁为高铁。如果把两者混合培养,彼此优势互补,则有利于黄铁矿的氧化。同样,利用氧化铁钩端菌和氧化硫杆菌混合培养,黄铁矿的硫脱除比单独培养使用效果要显著。氧化亚铁硫杆菌在氧化煤的不同硫化物中起着至关重要的作用。
目前利用微生物脱硫存在的主要问题是基础研究尚待深入,工业化进程缓慢,解决好微生物繁殖慢、反应时间长导致难以保证脱硫工艺的稳定性和酸性浸出液的处理等问题,将推动微生物脱硫技术的实际应用。
解决微生物脱硫技术中存在的问题,一是可用生物技术和基因工程的办法,筛选和培育出一批生长繁殖快、脱硫活性高的菌种,以满足工业化脱硫生产的需要;二是进一步探讨工业化脱硫的措施及工艺;三是建立有效的酸性浸出液回收系统,以避免对环境的二次污染。微生物脱硫技术在理论上是完全可行的,在工业应用上也是需要的,从经济上及环境保护的角度来看,该技术的开发应用有着诱人的前景。212 煤气化技术
煤气化是把经过适当处理的煤送入反应器,在一定的温度和压力下,通过气化剂(空气或氧和蒸汽)以一定的流动方式(移动床、流化床或携带床)转化成气体。煤气化联合循环发电(IGCC)是目前世界发达国家大力开发的一项高效、低污染清洁煤发电技术,它不仅能满足日趋严格的环保要求,而且发电效率可达45%以上,极有可能成为21世纪主要的洁净煤发电方式之一。我国IGCC关键技术研究已启动,包括IGCC工艺、煤气化、煤气净化、燃气轮机和余热系统方面的关键技术。目前拟在烟台电厂建100万kW示范电站。213 水煤浆技术
煤炭可以直接燃用,然而这种固体燃料在燃烧、贮运、输送和对环境的污染等方面都不如石油和天然气,所以急需寻找一种代油煤基型流体燃料。煤炭的气化和液化虽然已有成熟的技术,但投资大,成本高,难以普遍推广,因此通过物理加工获得煤浆燃料受到人们的高度重视。水煤浆是70年代发展起来的一种低污染、高效率、流动性强的代油煤基型流体燃料。它是把灰分很低而挥发分很高的煤,研磨成微细煤粉,按煤水合理的比例,加入分散剂和稳定剂配制而成,可以象燃料油一样运输贮存和燃烧。水煤浆可分为高浓度水煤浆(CWM)、普通浓度水煤浆(CWS)、煤泥浆(CWS)、精细水煤浆等。我国目前生产的主要品种为高浓度水煤浆。它是由65%-70%的煤粉、30%-35%的水和1%-2%的添加剂通过物理加工而成的浆体状燃料,具有像油一样易于装卸、储存、管道输送及直接雾化燃烧的特点。尤其是水煤浆在电站锅炉中所具有的低硫、容易实现炉内脱硫和粉尘噪音污染低等环保优势,使其成为目前节约能源、替代燃油的理想洁净燃料,是适合我国国情与国策的洁净燃料。21311 国外水煤浆技术研究概况
由于煤炭资源丰富,价格便宜,水煤浆的加工方法又简单,与煤炭的气化、液化相比投资少,成本低,以水煤浆作为代油燃料,已受到世界各国的普遍重视。美国、瑞典、意大利、日本等国都投入了大量的资金和人力,进行了长期的试验和研究,在技术上获得了重大成果,只是由于国际石油价格下降,水煤浆技术尚未广泛推广应用,而是作为一项新技术贮备起来。
近年来,细粉煤净化的进展使煤浆燃料生产所需的低灰分、低硫分和高热值的细煤有了保证。在煤净化过程中所用的水成为煤浆燃料的液相,因而不需要脱水,这是水煤浆最吸引人的地方。用低灰、低硫的选精煤所制的煤浆可保证锅炉的容量并符合环保要求,免去了除飞灰的麻烦。
水煤浆的研究工作1950年始于前苏联,现在美
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降低粘度而具有良好的流动性。一旦剪切或外力消
除或减小,流体本身即开始恢复原有的结构。
31 具有合理粒度分布特性,以保持水煤浆中煤炭不同颗粒粒径的比例与分布达到较高的堆积效率和浓度。
其他工业分析指标如灰分、挥发分、发热量等根据不同煤种不同用户要求确定。
生产水煤浆的原料煤,灰分一般小于8%,硫分小于5%,因此燃烧时烟尘和二氧化硫排放低于烧原煤。目前我国共有六个制浆厂,制浆能力已超过了年产60万吨。至今已成功地完成了20t/h、35t/h工业锅炉、轧钢加热窑炉的应用工作。230t/h电站锅炉应用水煤浆工程也已进行调试和试生产,山东省白杨河发电厂230t/h电站锅炉改烧水煤浆工程为以煤代油开辟了广阔前景。水煤浆代油在白杨河发电厂经过2000小时的试运行,在全烧水煤浆条件下,燃烧效率>98%,锅炉效率>89%,锅炉负荷在40%-100%范围内均能稳定燃烧,与燃烧重油有相同的效果。矿区煤泥制浆燃烧取得进展。采用高灰(灰分41%-43%)煤泥制浆,供10t/h链条炉燃用。累计运行2008小时,锅炉热效率由单纯层燃洗中块煤的53199%提高到掺烧煤泥浆后的68%,燃烧效率由6317%提高到79101%。该厂投资兴建的水煤浆厂一期、二期工程已形成年产45万吨的生产能力,可满足该厂已改造的两台230吨/小时锅炉运行用浆。目前,该厂水煤浆工程逐步发展成为集水煤浆制备、燃烧为一体的系统示范工程,也是我国最大的制备及燃用水煤浆一体化电厂。
高效廉价添加剂、高灰煤泥制浆、脱硫及先进水煤浆气化技术,大型代油水煤浆燃烧工艺和设备是水煤浆应用应解决的关键技术问题。3 燃煤电厂二氧化硫污染控制
中国燃煤二氧化硫污染控制技术的研究、开发和引进工作经过“七五”和“八五”攻关,对国际上现有脱硫技术的一些主要类型都进行了研究和装置试验,少数引进国外的脱硫工艺已在可靠、有效地运行。由于进行了大量的前期工作,我国开展燃煤二氧化硫污染控制的技术条件已基本成熟。
鉴于我国能源结构中以煤炭为主,而燃煤又造成严重环境污染的状况,寻求新型的可持续开发的洁净燃料是解决问题的关键。我国能源资源特点是煤炭占绝对优势,油气资源短缺,油气依赖进口的状况越来越严重,研究制订我国21世纪后续能源发展战略已是当务之急。因此,解决燃煤的污染问题至关重要,从上分析,诸多脱硫技术中的原煤含硫量控制及脱除是既经济又符合我国国情的切实可行技术。
国、加拿大、瑞典、日本、德国、意大利、中国和其它一些国家都有生产煤浆燃料的试验厂。在水煤浆制备方面,前苏联采用球磨机湿磨煤粉方法,实现了不用添加剂制备、输送和燃烧50%的水煤浆。21312 国内水煤浆技术研究概况
我国水煤浆技术起步于80年代初期,从“六五”以来,水煤浆工作以代油为主要目标,采取科研、生产经济联合体的形式,组建了华煤水煤浆技术联合中心,完善了制浆、管运、燃烧三个试验中心,建立了五厂、六厂的水煤浆系统示范工程,经有关部门批准已发展建设为“国家水煤浆工程技术研究中心”;同时,中科院系统、鞍山热能研究所也进行了水煤浆技术的开发和应用研究,上海市经委还在浙江绍兴钢厂建立了水煤浆燃烧示范点。
我国的科技工作者对煤炭的成浆性进行了系统的研究,发现了在烟煤范围内,随着变质程度的加深,煤炭的成浆性变易的规律;掌握了制备水煤浆的级配技术和适用于不同煤种的干法制浆、浮选精煤过滤及调整粒度级配加添加剂搅拌成浆、水洗精煤高浓度细磨直接成浆工艺。其中,利用现有选煤厂浮选精煤为原料的制浆工艺为我国首创,它具有投资少、见效快、成本低以及可以合理利用煤炭资源等特点,受到日本、前苏联有关专家的高度评价。21313 水煤浆制备原理及关键技术
对工业应用的水煤浆,要求具备下列特点:11 良好的流变特性,以适应不同运输和燃烧情况要求:
(1)在储存时,能形成一定的高粘度结构,以防止沉淀。
(2)在流动输送时,其粘度能迅速降低,有良好的流动性。长输管送时,要求浆在1001/秒切变率时的表观粘度不高于800Mpa・s。
(3)在燃烧时,其粘度能迅速降低,易雾化,以利于提高效率。水煤浆有类似水一样的粘温特性,温升后,其粘度明显降低。作为燃烧用浆,要求在1001/秒切变率时表观粘度不高于1000Mpa・s。
21 良好的稳定性和触变性
为保证大规模生产和储存运输的需要要求水煤浆具有:(1)稳定性好。稳定性即指水煤浆体中固体煤炭颗粒保持均匀分散悬浮状态的性质。稳定性好的水煤浆在储存时不会发生硬沉淀,在运送过程中,不发生沉淀。当发生软沉淀时,沉淀物经搅拌即可恢复原态。工业应用上要求不许出现板结状硬沉淀。(2)触变性好:水煤浆在储存时有良好的结构化特性,但给以外力产生剪切或被搅拌、泵送、触动时,能迅速
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