煤脱硫预期成果应用前景和经济社会效益分析
燃煤脱硫技术是应环保要求必须满足三同时建设的。十二五期间脱硫要求更加严格,脱硝要求也逐渐浮出水面。看燃煤锅炉的用途了,是烧结还是制肥还是电厂锅炉了。不同的用途工艺肯定是一样的。烧结和制肥都可以把脱硫和直接的经济效益挂钩,可以用氨法脱硫同时生产出硫胺化肥。脱硫必须上,社会效益就看用途了,对于电厂来说,因为电价中含有脱硫补贴,不然电厂都不会主动上脱硫系统,完全是没有直接经济效益的
中国煤炭工业将继续保持旺盛的发展趋势,今后一个较长时期内,中国煤炭行业的发展前景都将非常广阔。
近年来,煤矿智能化建设不断提速,山西、内蒙古等地持续推进煤炭智能化开采。公开信息显示,截至 2021 年底,全国已建成 800 多个智能化采掘工作面,实现智能化工作面从薄煤层、中厚煤层到特厚煤层的综采、综放开采的全覆盖。但业内人士也指出,当前煤炭行业的科技创新体系。
目前国家正大力推动煤炭开采企业的整合,煤炭流通市场也将趋向集中,这将逐步提高煤炭流通企业的市场进入壁垒,小规模煤炭流通企业的生存空间将不断缩减,大规模、跨区域的流通服务商将成为主流。
在碳达峰碳中和背景下,控制煤炭消费是推动能源绿色低碳转型的重点方向,同时煤炭也肩负着保障我国能源安全的重要责任。中国要实现“3060”目标,需要优化产业结构和能源结构。煤炭是我国重要的基础能源,为国民经济和社会发展提供了可靠的能源保障。在智能化发展大潮之下,煤炭行业亟待借势转型。
科技推送煤炭行业“高能”运转,全方位推动选煤厂精细化管理工作,实现减人增效的目的。
随着人工智能、5G 等新一代信息技术的迅猛发展,正处于从工业经济向数字经济转型过渡的大变革时代。
以“黑色煤炭、绿色发展、高碳能源、低碳利用”的管理理念,以精细化的管理模式,建立的智能化洗煤厂平台,最大限度以用户需要提供优质信息,发掘业务协同价值,多维度多层次展现,帮助用户迅速做出决策,提高选煤厂业务效率及质量。搭建选煤厂区建筑及生产设备、管线等设施的三维场景,将生产数据采集、安全监测监控与生产时空有机结合,构建了集智能巡检、设备安全监测、预警功能、企业管理于一体的三维可视化管理系统。
整体场景采用航拍建模方式获取,利用飞机或无人机搭载多台传感器,对选煤厂进行拍摄采集,快速高效获取真实反映厂区情况的数据信息。在线监测核心设备运行情况,对选煤厂智能管控实现全覆盖,避免监控不到位、工作人员疏忽等问题所造成的各类事故的出现,确保了选煤厂机电设备的正常、平稳、持续、高效的工作。
日常管控、企业历程、应急管控为主体进行展示。系统聚焦产品运输、洗选加工关键流程管控,化繁为简,从根本上堵塞管理漏洞,通过精准监督推动企业高质量发展。系统可实时显示重介旋流器、精煤皮带、振动筛、原煤皮带等重要设备的动态数据,当点选不同楼层设备时,自动弹出设备多重信息,创建多参数实时在线监测。
数据信息包括运行设备的振动频率、温度、故障信号、趋势信号等数据,管理人员可通过此功能,进行调用查看设备运行状态、故障属性及导致故障发生的相关联信息历史数据。
搭建的压滤车间可视化管理系统,通过引擎将压滤车间的压滤机以及楼层分布进行 1:1 还原,可随时查看设备基本信息、运行信息、故障信息等。点击左侧面板压滤机以及楼层展开,即可查看车间楼层分布情况以及压滤机工作状态。
实时监测系统内压滤机状态信息,包括松开、压紧、进料等各进程状态,打破压滤机与压滤机之间、压滤机与智能压滤检测系统相关辅助设备之间的信息孤岛。实现智能压滤检测系统内所有设备及相关信息的统一集中监管,降低岗位巡检工的劳动强度,方便生产监管。
展示了厂区所有建筑用能、重要设备或工艺的能源消耗。点选内场景建筑图标,可以清晰明了地看出对应建筑当日及一周内用水、用电、用气的累计值以及变化趋势,能源管理一键触达。
支持模拟无人机视角漫游,当经过厂区建筑时,可自动弹出对应设备信息及瞬时带煤量变化趋势、在线统计设备故障数量,值班人员根据实时显示的数据进行复查留存,实现对煤炭产量的实时准确监管,有效解决职工不履职、工作疏忽容易造成事故隐患的现象,防止皮带断带等事故的发生。
打造健康舒适厂区
系统对接环境监测系统,实时采集厂区内各监测指标,以及选煤厂房内各有害气体,并选用Hightopo丰富的图表、平面图等形式形象展示,通过设置环境数据预警值和告警值实现平台环境监测的自动告警。
优化选煤厂用能
能耗监测系统的监测范畴涵盖厂区的电、水、气,通过智能设备对能源消耗进行全面感知,对各类能耗进行采集统计,并经过能耗分析挖掘对厂区生产生活的整体用能优化。
完善选煤厂安全建设
通过搭载智慧化物联网设备,对厂区资产信息进行统计分析,实现厂区资产的数字化管理。同时也能进行物资定位与盘点,实现管理人员对物资的全生命周期管理。
保障厂区生产生活安全
对每日巡更计划的实施情况进行有效监测,并可联动 3D 场景查看巡更计划在厂区中路线、视频点位等信息。同时图表化展示巡更过程中的异常上报趋势,分析出巡更异常的高发时间段与区域。
主要为煤炭洗选脱硫,即在燃烧前对煤进行净化,去除原煤中部分硫分和灰分。分为物理法、化学法和微生物法等。
1、物理法:主要指重力选煤,利用煤中有机质和硫铁矿的密度差异而使它们分离。该法的影响因素主要有煤的破碎粒度和硫的状态等。主要方法有跳汰选煤,重介质选煤,风力选煤等。
2、化学法:可分为物理化学法和纯化学法。物理化学法即浮选;化学法又包括碱法脱硫,气体脱硫,热解与氢化脱硫,氧化法脱硫等。
3、微生物法:在细菌浸出金属的基础上应用于煤炭工业的一项生物工程新技术,可脱除煤中的有机硫和无机硫。
我国当前的煤炭入洗率较低,大约在 20%左右,而美国为 42%,英国为94.9%,法国为 88.7%,日本为 98.2%。提高煤炭的入洗率有望显著改善燃煤二氧化硫污染。然而,物理选洗仅能去除煤中无机硫的 80%,占煤中硫总含量的 15%~30%,无法满足燃煤二氧化硫污染控制要求,故只能作为燃煤脱硫的一种辅助手段。
二、燃烧中煤脱硫技术
煤燃烧过程中加入石灰石或白云石作脱硫剂,碳酸钙、 碳酸镁受热分解生成氧化钙、氧化镁,与烟气中二氧化硫反应生成硫酸盐,随灰分排出。在我国采用的燃烧过程中脱硫的技术主要有两种:型煤固硫和流化床燃烧脱硫技术。
1、型煤固硫技术:将不同的原料经筛分后按一定比例配煤,粉碎后同经过预处理的粘结剂和固硫剂混合,经机械设备挤压成型及干燥,即可得到具有一定强度和形状的成品工业固硫型煤。固硫剂主要有石灰石、大理石、电石渣等,其加入量视含硫量而定。燃用型煤可大大降低烟气中二氧化硫、一氧化碳和烟尘浓度,节约煤炭,经济效益和环境效益相当可观,但工业实际应用中应解决型煤着火滞后、操作不当会造成的断火熄炉等问题。
2、流化床燃烧脱硫技术:把煤和吸附剂加入燃烧室的床层中,从炉底鼓风使床层悬浮进行流化燃烧,形成了湍流混合条件,延长了停留时间,从而提高了燃烧效率。其反应过程是煤中硫燃烧生成二氧化硫,同时石灰石煅烧分解为多孔状氧化钙,二氧化硫到达吸附剂表面并反应,从而达到脱硫效果。流化床燃烧脱硫的主要影响因素有钙硫比,煅烧温度,脱硫剂的颗粒尺寸孔隙结构和脱硫剂种类等。为提高脱硫效率,可采用以下方法:
(1)改进燃烧系统的设计及运行条件
(2)脱硫剂预煅烧
(3)运用添加剂,如碳酸钠,碳酸钾等
(4)开发新型脱硫剂
三、 燃烧后烟气脱硫技术
烟气脱硫的基本原理是酸碱中和反应。烟气中的二氧化硫是酸性物质,通过与碱性物质发生反应,生成亚硫酸盐或硫酸盐,从而将烟气中的二氧化硫脱除。最常用的碱性物质是石灰石、生石灰和熟石灰,也可用氨和海水等其它碱性物质。共分为湿法烟气脱硫技术、干法烟气脱硫技术、半干法烟气脱硫技术三类,分别介绍如下:
1、湿法烟气脱硫技术
湿法烟气脱硫技术是指吸收剂为液体或浆液。由于是气液反应,所以反应速度快,效率高,脱硫剂利用率高。该法的主要缺点是脱硫废水二次污染;系统易结垢,腐蚀;脱硫设备初期投资费用大;运行费用较高等。
(1)石灰石—石膏法烟气脱硫技术
该技术以石灰石浆液作为脱硫剂,在吸收塔内对烟气进行喷淋洗涤,使烟气中的二氧化硫反应生成亚硫酸钙,同时向吸收塔的浆液中鼓入空气,强制使亚硫酸钙转化为硫酸钙,脱硫剂的副产品为石膏。该系统包括烟气换热系统、吸收塔脱硫系统、脱硫剂浆液制备系统、石膏脱水和废水处理系统。由于石灰石价格便宜,易于运输和保存,因而已成为湿法烟气脱硫工艺中的主要脱硫剂,石灰石—石膏法烟气脱硫技术成为优先选择的湿法烟气脱硫工艺。该法脱硫效率高(大于95%),工作可靠性高,但该法易堵塞腐蚀,脱硫废水较难处理。
(2)氨法烟气脱硫技术
该法的原理是采用氨水作为脱硫吸收剂,氨水与烟气在吸收塔中接触混合,烟气中的二氧化硫与氨水反应生成亚硫酸氨,氧化后生成硫酸氨溶液,经结晶、脱水、干燥后即可制得硫酸氨(肥料)。该法的反应速度比石灰石—石膏法快得多,而且不存在结构和堵塞现象。
另外 ,湿法烟气脱硫技术中还有钠法、双碱脱硫法和海水烟气脱硫法等,应根据吸收剂的来源、当地的具体情况和副产品的销路实际选用。
2、半干法烟气脱硫技术
主要介绍旋转喷雾干燥法。该法是美国和丹麦联合研制出的工艺。该法与烟气脱硫工艺相比,具有设备简单,投资和运行费用低,占地面积小等特点,而且烟气脱硫率达75%—90%。
该法利用喷雾干燥的原理,将吸收剂浆液雾化喷入吸收塔。在吸收塔内,吸收剂在与烟气中的二氧化硫发生化学反应的同时,吸收烟气中的热量使吸收剂中的水分蒸发干燥,完成脱硫反应后的废渣以干态形式排出。该法包括四个在步骤:1)吸收剂的制备;2)吸收剂浆液雾化;3)雾粒与烟气混合,吸收二氧化硫并被干燥; 4)脱硫废渣排出。该法一般用生石灰做吸收剂。生石灰经熟化变成具有良好反应能力的熟石灰,熟石灰浆液经高达15000~20000r/min的高速旋转雾化器喷射成均匀的雾滴,其雾粒直径可小于100微米,具有很大的表面积,雾滴一经与烟气接触,便发生强烈的热交换和化学反应,迅速的将大部分水分蒸发,产生含水量很少的固体废渣。
1、低温甲醇洗脱硫脱碳综合技术方面最为成熟、先进、可靠,但投资较大,一般应用于大型煤化工装置。
2、NHD是适合我国国情的物理吸收法脱硫脱碳工艺,尽管技术指标不如低温甲醇洗,但投资较低,且整体能耗低于传统的热钾碱法脱碳,是中小企业进行技术改造的首选,新建中型煤化工装置也可以考虑。
3、MDEA一次性投资最低,但能耗较高,新建项目不推荐使用。
4、以上三种工艺均是指加压气化或中压下脱硫脱碳,如果是传统的常压固定层间歇气化,常压栲胶脱硫+变换气脱硫+PSA脱碳是较好的选择。
按照脱硫工序在煤炭利用过程中所处阶段的不同,煤碳脱硫可以分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫。
煤炭燃烧后脱硫又称烟道气脱硫(Flue Gas Desulphurization,简称FGD),是指对燃烧后产生的气体进行脱硫。按产物是否回收,烟道气脱硫可分为抛弃法和回收法;按照脱硫过程的干湿性质又可分为湿式脱硫、干式脱硫和半干式脱硫;按脱硫剂的使用情况,可分为再生法和非再生法。FGD法技术上比较成熟,属末端治理,经过小试和中试已投入工业运行。尽管脱硫率可高达90%,但工艺复杂,运转费用高,副产品难以处置。
煤炭燃烧中脱硫(固硫)是在采用低温沸腾床层燃烧(800~850℃)的过程中,向炉内加入固硫剂如CaCO3、CaO或MgO等粉末,使煤中的硫转化成硫酸盐,随炉渣排出,可脱除50%-60%的硫。其脱硫效率受到温度的限制,而且固硫剂的磨制过程中需要消耗大量的能量,燃烧后增加了锅炉的排灰量。采用该方法无法将所有的硫转化成硫酸盐,只能在一定程度上降低烟气中的硫含量,不能从根本上解决烟气的污染问题。此技术目前尚不成熟,而且存在易结渣、磨损和堵塞等难题,成本高。
煤炭燃烧前脱硫是在煤炭燃烧前就脱去煤中硫分,避免燃烧中硫的形态改变,减少烟气中硫的含量,减轻对尾部烟道的腐蚀,降低运行和维护费用。燃烧前脱硫较之另两种脱硫工艺有许多潜在的优势,而且符合“预防为主”的方针。因为众多家庭用煤、中小锅炉用煤量大,来源不一,不易控制,而在选煤厂就把硫脱除到一定范围,从源头进行控制。所以,燃烧前脱硫具有重要意义。
煤炭的燃烧前脱硫可以分为物理脱硫法、化学脱硫法和生物脱硫法等。
物理脱硫法利用煤和黄铁矿的性质(如表面性质、密度、电及磁性等)差异而使它们分离,包括重选、浮选、磁分离、油团聚等方法。该方法工艺较简单,投资少,可以脱除50%左右的黄铁矿,而对煤质中高度分散的黄铁矿作用不大,且不能脱除煤炭中的有机硫。
化学脱硫法是利用不同的化学反应,将煤炭中的硫转变为不同形态,而使它们从煤中分离出来。在众多的化学脱硫方法中,目前经济技术效果较好的,且颇具应用前景的主要是碱法脱硫和溶剂萃取脱硫工艺。新开发的温和的化学脱硫法主要有辐射法、电化学法等。化学脱硫方法虽然能脱除无机硫和一部分有机硫,但有两个致命缺点,一是大多数化学脱硫法是在高温、高压和强氧化-还原条件下进行的,并使用不同氧化剂,故设备及操作费用显著提高;二是由于在这样的反应条件下,煤的结构、煤的粘结性被破坏,热值损失大,因而使所净化煤的用途受到了限制,难于在工业上大规模应用。
煤炭的生物脱硫法是由生物湿法冶金技术发展而来的,是在极其温和的条件下(通常是温度低于100℃、常压),利用氧化-还原反应使煤中硫得以脱除的一种低能耗的脱硫方法。它不仅生产成本低,而且不会降低煤的热值,还能脱除煤中有机硫,从而引起了世界各国的广泛关注。尽管煤炭生物脱硫目前还处于试验阶段,但它在经济上很有竞争力,是一种很有前途的煤炭燃烧前脱硫方法。
国内目前对微生物煤炭脱硫研究较多的是脱除黄铁矿硫,且仅限于试验室小型试验,对大规模培养微生物研究得较少,而微生物如何及时供应也是影响煤炭脱硫的一个重要方面,对脱除有机硫的研究国内尚处于起步阶段。国外对微生物脱除煤中硫的研究,不仅进行了脱除黄铁矿硫的研究工作,在有机硫的脱除方面也取得了很大进展。
目前,常用的生物脱硫的方法有浸出法、表面氧化法和微生物絮凝法[7-9]等。
(1)生物浸出脱硫
生物浸出法就是利用微生物的氧化作用将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸,硫酸溶于水后将其从煤炭中排除的一种脱硫方法。具体方法是将含有微生物的水浸透在煤中,实现微生物脱硫。
刘生玉、印海南等认为,FeS2脱除的基本反应[27-29]如下(下面反应都是在氧化酶的参与下进行的):
2 FeS2 + 7O2+2H2O → 2FeSO4 + 2H2SO4 (1)
2FeSO4 + 0.5 O2+ H2SO4 → Fe2(SO4)3 +2 H2O (2)
FeS2 + Fe2(SO4)3 → 3FeSO4 + 2S (3)
2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 (4)
生物浸出脱硫目前常用的反应方式有堆浸法和浆态床流动法。堆浸法只需在煤堆上撒上含有微生物的水,通过水浸透,在煤中实现微生物脱硫,生成的硫酸在煤堆底部收集,从而达到脱硫的目的。浆态床流动法是将煤粉碎后与细菌、营养介质一起置于反应器内,在通气条件下进行煤的脱硫。
该法研究历史较长,技术较成熟。优点是装置简单、经济、不受场地限制、处理量大等。由于是将煤中硫直接代谢转化,当采用合适的微生物时,还能同时处理无机硫和有机硫,理论上有很大应用价值。其缺点是处理时间较长,一般需要数周;浸出的废液容易造成二次污染。
(2)微生物表面处理法
即表面改性浮选法。这是一种将微生物技术与选煤技术结合起来,开发出的一种微生物浮选脱硫技术。该法是将煤粉碎成微粒,与水混合,在其悬浮液下通入微细气泡,使煤和黄铁矿表面均附着气泡,在空气和浮力作用下,煤和黄铁矿一起浮到水面。但是,如果将微生物加入悬浮液中,由于微生物在黄铁矿表面,使黄铁矿表面由疏水性变成亲水性。与此同时微生物却难以附着在煤粒表面,所以煤表面仍保持疏水性。这样煤粒上浮,而黄铁矿则下沉从而将煤和黄铁矿分离,达到煤炭中脱除黄铁矿的目的。
该法优点是处理时间短,当采用对黄铁矿有很强专一性的微生物(如氧化亚铁硫杆菌)时,能在数秒钟之后就起作用,抑制黄铁矿上浮,整个过程几分钟就完成,脱硫率较高。该法缺点是煤炭回收率较低。
(3)微生物絮凝法
利用一种本身疏水的分歧杆菌的选择性吸附作用,在煤浆中有选择地吸附在煤表面,使煤表面的疏水性增强,结合成絮团,而硫铁矿和其它杂质吸附细菌,仍分散在矿浆中,从而实现脱硫。该法较新,应用较少,还有待于进一步研究和推广。
对于脱硫,发电厂采用后处理的工艺。即对烟尘进行洗涤脱硫处理。对于煤化工,需要在选煤阶段进行洗煤工艺处理。
煤的使用寿命略大于石油,还有100年左右,各发达国家均将视线投入到新能源的开发方面。
FGD入口烟气量1131000Nm3/h(湿烟气) FGD入口SO2浓度≤507ppm
FGD入口烟尘浓度≤157mg/ N m3(干烟气)
FGD脱硫效率≥95% FGD入口烟温125℃
烟囱出口烟气温度≥80℃
烟囱出口SO2浓度≤25.3ppm 字串1 烟囱出口粉尘浓度≤50.0mg/ Nm3(干烟气) 钙硫比1.034 烟气SO2去除量1.45t/h 石灰石耗量2.7t/h
石膏产量4.6t/h 石膏含水量≤10% 天津大港发电厂主要设备参数
吸收塔:液柱塔 11.9m×7.9m×34.05m(H) 吸收塔浆液循环泵:流量4100m3/h,扬程16mH2O
真空皮带脱水机:出力6.9t/h(湿饼),过滤面积为9m2 氧化风机:流量2200 m3/h(湿),两运两备
FGD增压风机;动叶可调轴流式风机,流量1859314 m3/h,静压升4084Pa
GGH:回转式,漏风率≤0.5%
湿式球磨机;出力5.4t/h,出料细度325目,90%通过。 1 烟气含硫量大于设计值的问题 由于目前电厂燃用煤种变化太大,煤的含硫量大于以前脱硫系统设计烟气中的含硫量,脱硫系统无法全部脱硫,只能部分烟气脱硫。由于脱硫系统是处理锅炉部分烟气,因此对脱硫系统烟道出口CEMS显示的浓度值与实际吸收塔烟气脱硫后浓度有一定偏差,吸收塔出口在线监测取样点的位置在旁路原烟气和处理后静烟气的混合位置,此处烟气中的SO2浓度场和温度场分布不均,通过我们测试,当DCS的CRT显示浓度与实际测量段面最大浓度及最低浓度差几倍,由于是旁路烟气和净烟气混合,DCS显示吸收塔出口温度和旁路烟气和净烟气混合,温度显示也可能不正确,需要重新确认温度测点位置。因此在线监测(CEMS系统)显示的数值只能在运行时进行参考,或对在线检测系统(CEMS系统)数值进行系数修正。在以后可能由于煤炭市场的变化,燃煤电厂煤炭供应缓和,这种情况会减少。
2 锅炉开脱硫系统旁路挡板的运行方式
目前大部分新建机组及老机组安装脱硫装置时间基本落后机组投产时间,并且现在我国供电紧张,基本是机组全部带负荷,不可能有停炉机会进行脱硫烟风系统调试,脱硫系统的调试及投产也受到相应影响。由于目前脱硫系统设备运行的稳定性不是很好,关旁路投入脱硫系统后发电厂对机组运行的稳定性也不放心,担心脱硫系统运行出现故障时可能造成机组停运。所以大部分机组脱硫调试期间及运行时开旁路挡板运行,防止脱硫系统突然出现故障时,对锅炉炉膛负压产生影响,造成机组跳闸。但这种运行方式会对脱硫系统运行产生一定影响,增压风机动叶或静叶调节风量是根据引风机出口风压、旁路挡板压差、锅炉负荷等信号进行调节,开旁路后由于烟气流向发生一些变化而造成这些反馈信号可能不准,脱硫烟风系统运行会造成以下二种不正常的情况; 第一种情况,锅炉的烟气有一部分原烟气走脱硫系统的旁路烟道,脱硫系统进行部分原烟气脱硫,烟气脱硫流向如图1所示。
图1 第二种情况;锅炉的原烟气全部走脱硫烟气系统,但有一部分净烟气回流,又进入脱硫增压风机(如图2所示)。这种情况由于净烟气回流增压风机,增加增压风机负荷,并且由于净烟气温度一般温度低(80℃左右),使进入增压风机的烟气温度较低、烟气含湿量大。关旁路挡板运行时一般烟气温度就是锅炉排烟温度,增压风机设计在热端,增压风机一般没有防腐,旁路净烟气回流会造成增压风机的腐蚀。 图2 根据以上这两种情况,我们有一个初步设想,在旁路附近和增压前安装一些温度测点,温度测点监控烟气流动方向比压力测点要准确一些。
如发生第一种情况,锅炉烟气没有100%通过脱硫系统,有一部分通过旁路烟道,旁路烟道的烟温应与锅炉的排烟温度基本相同,这样我们可调节增压风机动叶或静叶的开度,观察增压风机流量,尽量使其烟气100%通过脱硫系统。
如发生第二种情况,净烟气产生回流,旁路烟道的烟温应与锅炉的排烟温度低许多,如果脱硫装置没有GGH,温度更低,这样我们可调节增压风机动叶或静叶的开度,关叶片开度,减少增压风机的流量。 开旁路挡板运行,不可避免出现上面两种情况的发生,因此我们估计在旁路挡板位置的烟气温度控制大致110℃左右(如果锅炉排烟温度在130℃),可防止净烟气回流或部分原烟气走旁路,这需要我们进一步做试验加以确认。
当然我们也根据经验,通过增压风机的流量及烟道出口在线监测仪表显示SO2的浓度来判断。