電石渣在火電廠濕法煙氣脫硫中的應(yīng)用

孫成永，張 鵬

(國電重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶400060)

近年來，隨著日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的實(shí)施，二氧化硫作為主要污染物被國家納入總量減排管理，火電廠煙氣脫硫技術(shù)也得到進(jìn)一步發(fā)展。氯堿行業(yè)所產(chǎn)生的電石渣，由于其綜合利用率較低，大量堆放所帶來的環(huán)境污染問題也受到廣泛關(guān)注。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，2臺(tái)300MW燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣脫硫每年可消耗7萬噸電石渣，不但大幅降低了脫硫成本，還提高了電石渣的綜合利用率，緩解了電石渣的環(huán)境危害。

1 電石渣綜合利用現(xiàn)狀

目前，電石渣在水泥、制磚、建材以及廢水酸中和等方面有所應(yīng)用，但利用量較少，整體綜合利用率不足30%，大多數(shù)仍采取集中堆放處理，對(duì)周邊環(huán)境，特別是對(duì)土壤和地下水帶來危害。傳統(tǒng)的電石濕法制乙炔工藝所產(chǎn)生的電石渣含水率達(dá)90%，經(jīng)脫水后其含水率仍達(dá)40% ～50%，呈漿糊狀，在運(yùn)輸途中易滲漏污染路面，長期堆積不但占用大量土地，而且對(duì)土地有嚴(yán)重的侵蝕作用。近年來新興的電石干法制乙炔工藝所產(chǎn)生的電石渣水份在10%左右，呈粉末狀。由于該工藝比濕法工藝效率高，粉末狀的電石渣在轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放以及綜合利用方面也比濕渣便利，所以干法制乙炔工藝逐步得到推廣。

重慶某化工廠在2009年實(shí)施了2套干法乙炔改造項(xiàng)目，其反應(yīng)效率的提高給企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益，但其年產(chǎn)10萬余噸粉末狀電石渣，由于綜合利用率較低，不但存在環(huán)境污染問題，而且企業(yè)為電石渣的轉(zhuǎn)運(yùn)和堆放場(chǎng)的管理還要投入大量資金。電石渣的處理成為制約干法乙炔工藝技術(shù)發(fā)展的主要因素。

2 火電廠煙氣脫硫現(xiàn)狀

“十一五”末，我國火電行業(yè)建設(shè)煙氣脫硫裝置容量約5.6億 kW，占火電總裝機(jī)容量比例的85%［1］?；痣姀S煙氣脫硫技術(shù)主要有石灰石-石膏法、雙堿法、氧化鎂法、氨法、海水脫硫法等，而石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝是目前在我國火電廠應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的煙氣脫硫技術(shù)，約占已安裝脫硫裝置機(jī)組容量的90%［2］。但由于煤炭市場(chǎng)發(fā)生變化，煤質(zhì)特別是硫份偏離了設(shè)計(jì)煤種，火電廠脫硫系統(tǒng)仍普遍存在對(duì)復(fù)雜工況適應(yīng)性差、故障率高、難以長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行等情況。

石灰石化學(xué)成份主要為CaCO3，其折算CaO的理論含量為54%，實(shí)際在52%左右，因地理區(qū)域等因素，有些地區(qū)甚至不足50%。由于石灰石本身的物化性質(zhì)限制，其作為脫硫劑對(duì)燃煤硫份較高的火電廠就難以適應(yīng)，特別是在我國西南高硫煤地區(qū)。

重慶某電廠2×300MW燃煤發(fā)電機(jī)組2006年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)為石灰石-石膏濕法脫硫工藝，設(shè)計(jì)煤種硫份3.51%，設(shè)計(jì)脫硫效率大于95%。機(jī)組投產(chǎn)后，由于煤炭市場(chǎng)變化，實(shí)際燃煤硫份達(dá)5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致機(jī)組投產(chǎn)后脫硫效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值，二氧化硫排放濃度超標(biāo)。為此，該電廠在2008年5月對(duì)原脫硫設(shè)施實(shí)施了技術(shù)改造，將原石灰石-石膏脫硫工藝改為石灰—石膏脫硫工藝，同時(shí)增大了各個(gè)系統(tǒng)的容量。

石灰主要成份為CaO，CaO含量在80%左右。由于其CaO含量比石灰石高，且溶于水后形成的電石渣Ca(OH)2呈強(qiáng)堿性，對(duì)SO2的吸收反應(yīng)也較石灰石強(qiáng)烈，用于火電廠煙氣脫硫可適應(yīng)較高硫份的煤種。該電廠實(shí)施石灰法脫硫技術(shù)改造后，可適應(yīng)5.5%硫份的煤種脫硫。但該電廠脫硫改造投入運(yùn)行后，由于石灰粉價(jià)格比石灰石高數(shù)倍，使脫硫成本大幅升高。因此，石灰法脫硫雖能適應(yīng)較高硫份的煤種，但其使用的經(jīng)濟(jì)性不利于火電廠經(jīng)營。所以，必須尋求一條既能滿足高硫煤脫硫效果，又能降低脫硫成本的工藝路線，才有利于電廠的持續(xù)發(fā)展。

3 電石渣濕法煙氣脫硫原理

3.1 電石渣的形成原理

電石渣是氯堿化工行業(yè)電石法生產(chǎn)乙炔氣體所產(chǎn)生的廢棄物，其形成原理如下。

由焦炭(C)和生石灰(CaO)在高溫條件下反應(yīng)生成電石(CaC2)和一氧化碳(CO):

電石(CaC2)水解生成電石渣［Ca(OH)2］和乙炔(C2H2):

3.2 電石渣濕法煙氣脫硫的原理

火電廠煙氣中的二氧化硫(S02)溶于水后生成亞硫酸(H2SO3):

電石渣漿液［Ca(OH)2］與亞硫酸(H2SO3)反應(yīng)生成亞硫酸鈣(Ca SO3·1/2 H2O):

通氧化空氣后亞硫酸鈣(Ca SO3·1/2 H2O)氧化生成石膏(Ca SO4·2 H2O):

在實(shí)際工程應(yīng)用中，從煙氣中脫除二氧化硫是在氣、液、固三相中進(jìn)行的，先后或同時(shí)發(fā)生了氣—液反應(yīng)和液—固反應(yīng)。由于亞硫酸不穩(wěn)定，所以漿液中同時(shí)存在SO32-和SO42-?？偟幕瘜W(xué)反應(yīng)式如下:

由以上化學(xué)反應(yīng)式可知，因石灰(CaO)溶于水后生成氫氧化鈣［Ca(OH)2］，與電石渣的主要成份一樣，所以電石渣脫硫與石灰法脫硫的原理是一致的，從而說明電石渣脫硫在理論上的可行性。

4 電石渣在火電廠濕法煙氣脫硫的應(yīng)用

4.1 重慶某化工廠電石渣的成份分析

重慶某化工廠2套干法乙炔裝置年產(chǎn)電石渣10萬余噸，其化學(xué)成份含量較穩(wěn)定。表1是電石渣與重慶某電廠使用的石灰粉和石灰石各化驗(yàn)指標(biāo)的對(duì)照表。

表1 電石渣、石灰粉和石灰石成份分析對(duì)照表

從化驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，電石渣中氧化鈣(CaO)含量比石灰粉低，比石灰石高;二氧化硅(SiO2)含量與石灰粉相當(dāng)，比石灰石高。其中，石灰粉品質(zhì)受礦點(diǎn)和煅燒技術(shù)影響，氧化鈣(CaO)含量波動(dòng)較大;石灰石品質(zhì)也因礦點(diǎn)不同，氧化鈣(CaO)含量有所差異;電石渣來源單一，其原料在進(jìn)入化工廠前已經(jīng)過質(zhì)量控制，品質(zhì)較為穩(wěn)定。從實(shí)際運(yùn)行情況看，電石渣含有少量大比重、大顆粒的雜質(zhì)，在脫硫系統(tǒng)內(nèi)易造成系統(tǒng)磨損和溶液箱底部雜質(zhì)沉積。

4.2 重慶某電廠電石渣脫硫效果分析

重慶某電廠自2010年開始電石渣脫硫試驗(yàn)，采取電石渣與石灰粉和石灰石按一定比例混用的方式試驗(yàn)。表2～表4為各種工況下脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

表2 電石渣與石灰石摻配運(yùn)行參數(shù)表

表3 電石渣、石灰石、石灰粉摻配運(yùn)行參數(shù)表

表4 低負(fù)荷下不同摻配比例運(yùn)行參數(shù)表

4.3 電石渣脫硫存在的問題及解決措施

(1)電石渣含有少量大比重、大顆粒的雜質(zhì)，進(jìn)入脫硫系統(tǒng)后易造成系統(tǒng)管路和設(shè)備磨損，還會(huì)在溶液箱底部沉積。雜質(zhì)沉積量過大，會(huì)減小溶液箱有效容量，影響系統(tǒng)出力，還會(huì)造成溶液箱的攪拌器損壞。所以在制漿前或制漿過程中需加裝一套過濾設(shè)施，除去其中的雜質(zhì)。

(2)純電石渣脫硫會(huì)對(duì)吸收塔內(nèi)的石膏結(jié)晶以及下游的石膏脫水帶來一定影響。經(jīng)試驗(yàn)得出，電石渣漿液和石灰石漿液摻配比例約在6∶4～7∶3之間，電石渣漿液、石灰石漿液、石灰漿液摻配比例約在2∶1∶1時(shí)，可同時(shí)保證達(dá)標(biāo)排放和石膏漿液品質(zhì)基本不受影響。若采用石膏拋棄法脫硫的電廠，則可不受此限制。

(3)隨著pH值從4.9～6.4，脫硫效率整體呈逐漸增加趨勢(shì)。但pH值從5.8增加至6.4時(shí)，pH值增加對(duì)脫硫效率影響幅度減小。吸收塔漿液pH值在5.8以下時(shí)，石膏中碳酸鹽含量均較低(試驗(yàn)結(jié)果均在1.7%以下);當(dāng)pH值提高到7.0時(shí)，碳酸鹽含量相對(duì)突然提高。分析反應(yīng)機(jī)理，可能是pH值提高到一定程度后，會(huì)促進(jìn)吸收塔漿液吸收煙氣中的CO2，從而反應(yīng)生成CaCO3，且時(shí)間久后吸收塔漿液亞硫酸鹽增加較多。建議采用電石渣和石灰石摻配做脫硫劑時(shí)，根據(jù)主機(jī)負(fù)荷及入口SO2濃度情況，吸收塔漿液pH值最好控制在5.0～5.7之間。

5 結(jié)論

電石渣脫硫的方法是可行的，脫硫效果能夠達(dá)到國家環(huán)保要求，且能適應(yīng)較高硫份煤種的脫硫。電石渣使用摻配的比例以及pH值等其他運(yùn)行控制參數(shù)應(yīng)根據(jù)電廠實(shí)際情況進(jìn)行性能試驗(yàn)而定。

以重慶某電廠為例，每年可消耗電石渣約7萬噸，與石灰粉相比，每年可節(jié)約脫硫劑費(fèi)用1000余萬元。而且大大減少了化工行業(yè)電石渣作為固體廢棄物的排放量，具有較好的環(huán)境效益。因此，電石渣脫硫具有一定的推廣意義。

［1］薛建明，王小明，劉建民，等.濕法煙氣脫硫設(shè)計(jì)及設(shè)備選型手冊(cè)［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［2］周至祥，段建中，薛建明.火電廠濕法煙氣脫硫技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［3］吳金樂.電石渣脫硫技術(shù)的探討［J］.機(jī)電技術(shù)，2008，(1).

［4］衛(wèi)泳波，薛維漢，郝強(qiáng)，等.電石渣漿在大型火電機(jī)組煙氣脫硫中的應(yīng)用［J］.山西能源與節(jié)能，2006，(1).