燃煤锅炉内同时干法脱硫脱硝技术研究

李任

摘 要：为解决燃煤锅炉产生的氮硫污染物，干法脱硫及干法脱硝越来越广地应用到实际生产设计中，但同时使用干法脱硫脱硝，它们的效率如何？是否会产生冲突反应，又是否会对锅炉管道产生磨损，值得我们去研究。

关键词：炉内喷钙脱硫技术;PNCR高分子脱硝;磨损机理

一、炉内喷钙脱硫技术

（一）炉内喷钙脱硫技术概述。LIFAC法 由芬兰IVO公司和TAMPELLA公司联合开发，是在炉内喷钙的基础上发展起来的。传统炉内喷钙工艺的脱硫效率仅为20%～30%，而LIFAC法在空气预热器和除尘器之间装一个活化反应器，并喷水增湿促进脱硫反应，使最终的脱硫效率达到70%～75%，LIFAC法比较适合中低硫煤，其投资及运行费用具有明显优势，较具竞争力。另外由于活化器的安装对机组的运行的影响不大，比较适合中小型容量机组和老电厂的改造。该系统主要任务是完成物料输送、计量、送粉量调节，炉内喷射，从而使石灰石粉在炉内煅烧分解，利用生成的CaO与炉内烟气中的SO2进行反应实现炉内脱硫。石灰石粉喷射输送系统以罗茨风机为动力源，采用输粉机气源射流原理，利用高速气流的引射作用来输送粉状物料。

（二）爐内喷钙脱硫技术反应机理。炉内喷钙脱硫技术又称石灰石粉炉内喷射和钙活化发（LIFAC），其反应机理仍然是钙基脱硫原理，由两部固硫反应组成，首先石灰石粉料（固硫剂）喷入炉膛尾部热烟气中，在高于750℃的温度下快速分解为CaO，CaO在800～1000℃的温度范围内与SO2相遇，直接进行脱硫反应生成CaSO4，1000℃以上生成的硫酸盐又将分解。

CaCO3在炉内吸收SO2的反应式：

CaCO3 → CaO+CO2 CaO+SO2+1/2 O2→ CaSO4

然后烟气进行锅炉后部的活化反应器（或烟道），炉内尚未参加反应的 CaO 通过喷水增湿转化为具有较高反应活性的Ca（OH）2，继续与烟气中的SO2反应，使脱硫效率从20%～30%提升至70%～80%。

其反应式为：Ca（OH）2+SO2 +1/2O2→ CaSO4+H2O

传统的炉内喷钙由于反应在气固两项之间进行，受到传质过程的影响，反应速度较慢，吸收剂利用率较低。在尾部增湿活化反应器内，增湿水以雾状喷入，与未反应的CaO接触生成Ca（OH）2进而与烟气中的SO2反应，当Ca/S比控制在2.0～2.5时，系统脱硫率可达到65%～80%，但由于增湿水的加入会使烟气温度下降。

（三）影响脱硫效率的因素。钙硫比（Ca/S摩尔比）是喷射吸收剂的量与初始硫的量之比，它是钙利用率的一个指标，高Ca/S能增强SO2的脱除能力，但过高的Ca/S会使锅炉固体载荷和废物处理量迅速增大，通常Ca/S为2时，常常被商业运行采用。

已经有研究表明，锅炉炉内脱硫的石灰石最佳颗粒度一般为0～1.5mm，中位径 D50一般控制约为0.45mm。石灰石粒度如果偏大时，致使其反应体表面积较小，颗粒中心有效成分难以参与反应，不利于石灰石的有效利用，使得石灰石的利用率降低;石灰石粒度如果偏细时，则容易造成喷嘴堵塞，且不利于除尘器捕集。

虽然反应中，消耗了氧气，理论上会降低NOx的生成，但实际上炉内喷钙会导致NOx排放量增加。脱硫剂（石灰石，CaCO3）对生成氮氧化物的影响，主要体现在两个方面。一是富余的CaO作为强催化剂会强化燃料氮的氧化速度，使NO的生成速度增加;另一个是富余的CaO和CaS作为催化剂会强化CO还原NO的反应过程。一般情况下，CaO对燃料氮生成NO的贡献大于其对还原性气体还原NO的贡献，从而使得NOx排放量增加。但从另一个角度来看，生成NO和SO2时，对氧是竞争的，故，NO排放量越高，则SO2排放越低。

决定脱硫效率的关键因素是炉内具有反应能力的CaO的量。石灰石吸热分解，释放出CO2，使其本身形成富含CaO的多孔固体颗粒，增加了反应表面和孔隙率，这样的CaO才具有反应能力。一旦生成了活性的CaO，必须在最佳温度范围内具有足够的时间（至少1.5s以上）。因此，到达反应界面的SO2必须先扩散通过这些微孔。随着反应进行，在未反应的CaO表面会产生CaSO4产物层，降低了效率。

炉内喷钙所产生的CaO及形成的CaSO4在SCR反应器催化剂表面，形成釉质层，阻止了反应物向催化剂表面扩散，及扩散进入催化剂内部，从而影响了催化剂的催化效果。

应根据实际情况，加设声波吹灰器，用来清除催化剂表面的杂质。

二、PNCR（Polymer Particles Non-Catalytic Reduction）高活性聚合物颗粒固体氨基还原剂非催化还原烟气脱硝技术

（一）PNCR脱销工艺概述。PNCR脱硝工艺流程简单、模块式、安装简单，脱硝剂为固态颗粒状或粉末状，运输、储存安全方便，设备数量少，运行维护方便。PNCR脱硝运行时，避免了空预器、过热器、省煤器积灰，不影响锅炉出力，不降低热效率，避免了喷嘴处水冷壁腐蚀严重问题。消除了灰斗积灰渣严重问题，不影响布袋除尘器除尘效果，不会降低布袋使用寿命。

该技术是利用高活性固体氨基还原剂作为脱销还原剂，该技术既具有SCR脱硝效率高的优点，又具有SNCR投资和运行费用低的优势。它不用设置催化剂，以高反应活性的固体氨基还原剂（NR5）为原料，在600～950℃范围内，迅速（1～2s）与NOX发生还原反应而达到脱硝目的。其中最佳反应温度为850～950℃。

反应方程式如下：NOX+PNCR（高分子还原剂）→N2+CO2+H2O

高温下，脱硝剂中氨基和高分子连接的化学键断裂，释放出大量的含氨基官能团，氨基与烟气中的NOX发生反应，进而达到脱除NOX的目的。当同时实施炉内喷钙技术及PNCR时，理论上，两种投放药剂不会发生反应。

碳酸钙（CaCO3）是中性无机化合物，俗称石灰石。

氧化钙（CaO）是一种碱性氧化物，俗名生石灰。

氨基（-NH2）是有机化学中的基本碱基，所有含氨基的有机物都有一定碱的特性。在温度为200～290℃的范围内，烟气中的氨与SO3和H2O反应生成硫酸氢胺（NH4HSO4），可以沉积，并集聚在催化剂表面。氨与SO2反应的必要条件是有H2O的存在，因为氨是与酸反应，而不是氧化物。

（二）实例分析。以130t单锅筒衡置式往复炉排热水锅炉为例。已知烟气流速为12 m/s，及内部温度分布。初始尘浓度：8127 mg/m3;初始SO2浓度：1070 mg/m3;根据每燃烧1 kg煤;会产生 4.635 m3 烟气;产生SO2   4.96 g;产生烟尘   37.67 g;最佳反应温度850-1000℃。最佳反应时间1.5s以上以Ca/S為2投入CaCO3，则需要投入CaCO3 15.5 g。15.5 g的CaCO3产生8.68 g 的CaO取25 %的脱硫效率，则生成5.27 g 的CaSO4剩余6.51 g CaO未参与反应。反应后，尘浓度为10669mg/m3  增长率31.28%SO2浓度为802.6mg/m3

三、磨损机理分析

对于燃煤锅炉来说，由于大量的灰粒子流经尾部受热面，因此，这些受热面的磨损几乎是不可避免的。

分析颗粒对受热面的磨损可由两个方面来进行。粒子碰撞壁面，A处所受到的力R可分解成为法向力PN和切向力PZ，若粒子速度、大小等一定，PN和PZ主要随α角（即碰撞角）而变化。显然 PN=Rsinα，PZ=Rcosα

PN的作用是使金属显微颗粒克服分子之间的结合力，使碰撞点的温度升高引起该处金属变软。PZ的作用是把该处变软的金属撕下来，表征切削能力的大小。显然，PN越大， 该处的温度越高，越容易被撕下来，而PZ越小，切削能力越小。可以看出，PN增加，必然PZ减小。被撕下来的金属的体积可表示为

式中：B是与管子有关的常数; ξ是与管材有关的常数。

对于碳钢， ξ=0.78，则α=38°。

即α=38°时，管子的磨损最为严重。实际锅炉管子，磨损最严重发生在α=36°～40°处。

参考文献

[1] 乔慧萍 ， 杨柳  《电力科技与环保》

[2] 赵毅，朱洪涛，安晓玲，苏蓬.燃煤电厂SCR烟气脱硝技术的研究. 《 电力科技与环保 》 ， 2009