燃煤机组“磨内脱矿”：从源头降低SO₂与汞排放的新路径

基于ICESP 2016澳大利亚Hansom Environmental Products十年实机数据的技术与效益解读

关键词
Pyrite, Quartz, Coal Mills, Emissions, Sulphur-dioxide, Sulphur-trioxide, Mercury, Arsenic, Coal Benefaction, Boiler Performance, Electrostatic Precipitator, FGD

燃煤电厂如何在不大幅改造炉膛和尾部烟气治理系统的前提下，实质性降低SO₂、SO₃、汞、砷以及粉尘排放？来自澳大利亚Hansom Environmental Products的R. Truce在ICESP 2016上给出了一条颇具颠覆性的思路——在煤磨内部直接进行“矿物脱除”（in-mill mineral removal），通过在线去除黄铁矿（pyrite）、石英（quartz）等难以通过常规洗煤手段去掉的矿物质，从源头改变入炉燃料特性，进而重塑锅炉燃烧、磨煤系统性能以及下游静电除尘器（ESP）、脱硫（FGD）与汞控制系统的运行边界[1]。

这项技术由Hansom Environmental Products开发，并以“磨内灰分脱除技术（HEP-ART）”进行商业化推广。研究团队在澳大利亚四台200 MW机组上完成了2006–2009年的成套安装，并持续跟踪运行约十年，形成了一套较为完整的工程数据和成本收益分析。与传统的选煤、洗煤不同，HEP-ART专注于煤磨内部已经被研磨、解离后的无机矿物颗粒，将黄铁矿和石英等高硬度、难溶矿物高效分离并排出系统，保留可燃碳进入炉膛燃烧，在减排与节能之间寻找平衡点。

从工艺布置来看，论文以典型的立式中速磨（vertical spindle mill）为场景。磨内矿物脱除装置布置在磨机下部的“粗粉回料锥体（rejects cone）”部位，即分离器落回物（classifier reject）及部分煤给料汇聚到磨盘中心之前。该装置对分离器回料进行二次分选，将主要由黄铁矿、石英、氧化铁等构成的高矿物质颗粒从循环物料中分离出来，而未完全被磨细的含碳颗粒则被重新送回磨盘中心与入磨原煤一同继续研磨。随着煤粉在磨内不断破碎，原本与有机碳骨架紧密结合的矿物被逐步释放，形成相对独立的矿物颗粒，正适合作为分选对象。这一“在线脱矿”机制从源头显著削弱了磨内无机矿物的循环富集程度。

在一台全尺寸实机磨上的独立试验结果表明，该技术对黄铁矿和石英的去除率具有相当可观的水平：在不同排出量下，黄铁矿的去除效率可超过50%，石英去除效率超过40%。试验所用煤种为一类次烟煤，干基含灰约7.1%，其中硅（以SiO₂计）约1.3%，铁约0.6%，硫约0.5%。单台磨处理煤量约40 t/h，对应含灰量约4000 lb/h。HEP-ART排出的物料量约占入磨灰分的60%–80%，其中黄铁矿占比约28%–55%，石英约39%。在试验阶段，矿物排出速率在210–475 lb/h范围内调节，配合不同试验点考察分选效率和系统影响。

显微照片显示，被排出的物料以单体黄铁矿和石英颗粒为主，几乎看不到被有机碳胶结的多矿物团聚体，这说明在现有磨机工况下，煤中无机矿物已高度解离。研究特别指出，试验煤中石英颗粒粒径一般较大，多在0.5–1.0 mm范围，而黄铁矿颗粒多小于0.5 mm。正是这种粒径与密度差异，被磨内脱矿技术有效利用，实现了“对矿物有选择性，对可燃碳尽量保留”的目标。

从元素形态上看，被去除的硫主要为黄铁矿硫，其在该煤中的比例约为总硫的一半。实测表明，排出物料中硫含量约占其总量的20%，折算到原煤，相当于去掉了约四分之一的煤中总硫。在未配置烟气脱硫装置的澳大利亚示范电厂，这一“燃前脱硫”对SO₂和SO₃排放已经产生显著影响；而如果将同样的磨内脱矿水平叠加在高黄铁矿含量、高硫煤（如含硫3%煤种）上，理论上可以获得更高的SO₂与SO₃削减潜力，并直接转化为FGD石灰石/石灰消耗和运行负荷的降低[2]。

磨内矿物脱除对煤磨系统性能的正面影响同样突出。由于循环无机矿物显著减少，磨机压差明显下降，研究报道压差降低超过40%。在调整分离器开度后，磨机通煤量得到提升，全厂机组最大出力由200 MW提升至220 MW，等于在不增加主机设备的前提下，释放了约10%的发电能力。与此同时，由于硬质矿物粉碎工作大幅减少，磨机电耗出现10%–20%的下降，辅机电耗的降低又进一步反映为机组单位发电量CO₂排放的小幅下降，对现行“双控”与碳减排要求有一定边际价值。

更为直观的收益来自设备磨损与检修频次的下降。磨盘、磨辊等易损件的磨损速率在安装HEP-ART后约下降50%，年大修由“每年一次”延长至“两年一次”，对应全厂年度磨机及燃烧系统检修费用由240万美元降至120万美元，直接节约约120万美元/年。更重要的是，由于高硬度石英和富铁矿物的减少，锅炉尾部受热面因飞灰冲刷导致的管束磨损与泄漏大幅减少，飞灰磨损型水冷壁或省煤器管爆管由每年约6次降至1次，以每次强迫停炉约5天、500工时计，全年减少强迫停机损失电量约4万MWh，对应电费收入增加约400万美元，另减少检修人工费用约18.75万美元。这部分“避免损失”其实是磨内脱矿在资产可靠性和可利用率上的最大价值之一。

对于下游静电除尘器及脱硫、脱汞系统，矿物脱除同样构成了间接利好。一方面，石英、氧化铁等硬质、高比重颗粒的大量削减降低了锅炉出口粉尘浓度和磨蚀性，有利于ESP阴阳极系统、壳体和烟道的长期稳定运行，也改善了粉尘可捕集性，从而有助于满足更严格的颗粒物排放标准。另一方面，一系列研究表明，高黄铁矿煤中相当比例的砷和汞与黄铁矿存在紧密关联[1]。R. Truce引用的相关统计相关性（硫/黄铁矿与汞、砷含量的耦合关系）显示，若在磨内实现超过50%的黄铁矿脱除，可预期砷和汞的排放同步显著下降，直接降低后端汞控制系统（例如粉末活性炭喷射+ESP/袋滤器）的化学品消耗需求。

以美国典型的汞控制工艺和成本假设（PAC用量3 lb/MMacf，单价0.7美元/lb）进行估算，全站年粉末活性炭消耗费用约464万美元。假设磨内黄铁矿脱除带来25%的汞减排，则相应PAC消耗可减少25%，换算为约116万美元/年的运行成本节约[1]。类似地，依据美国电力行业公开的几类典型脱硫工艺（LSFO、MEL、干法喷雾干燥和CFB干法脱硫）的成本构成数据[2]，在澳大利亚1%硫煤条件下，若通过磨内脱矿实现约40%的燃前脱硫，其对全厂湿法或干法脱硫运行成本的节约在96万–271.5万美元/年范围。若换用3%高硫煤并保持相似脱除比例，单是湿法石灰石–石膏脱硫的药剂与电耗节约即可达到约249万–367万美元/年[2]。

综合全站层面的成本收益，R. Truce给出了一套基于1 GW级电站的经济性测算：一方面，因磨机电耗和脱硫系统辅机电耗的降低，全站辅机电耗节约折合约77万美元/年；另一方面，因磨机、锅炉检修减少以及强迫停机次数的显著下降，维护费用降低约150万美元/年，同时可利用率提升带来电量收入增加约400万美元/年。再叠加脱硫药剂与汞控制药剂（PAC）费用的减少等因素，总体年净收益约397万美元。考虑到该电站实际为四台200 MW机组，HEP-ART系统总投资约600万美元，每年因分离物料中碳损失增加的燃煤成本约100万美元，折算下来静态投资回收期约1.5年，投资回报率约65%，在传统公用事业项目中已属非常突出的水平。

论文最后还特别强调，以上经济性评估仅基于可直接量化的成本与收入变化，并未将以下潜在收益纳入：如因黄铁矿显著减少带来的炉膛结渣、受热面结垢降低，从而提升锅炉热效率、减少吹灰；因磨机压差降低与可控性改善而实现的煤粉细度优化、燃烧稳定性提升和不完全燃烧损失降低；以及由辅机耗电下降与锅炉效率提高带来的额外CO₂减排收益等。这意味着从系统视角看，磨内脱矿不仅可以重塑磨煤–燃烧–烟气净化的一体化工艺边界，也为ESP、FGD与脱汞装置提供了更友好的上游工况，使末端治理逐步向“源头减排+过程优化+末端控制”协同转变。

对于正在承压于超低排放、碳约束和高负荷灵活性运行的燃煤电厂而言，基于煤磨的“磨内脱矿”技术提供了一个与ESP、湿法脱硫、干法脱硫以及汞控制技术高度互补的选项：既不需要大幅改变炉膛结构，也不依赖大规模新增烟道与吸收塔空间，却可以在锅炉前段完成相当比例的硫、砷、汞及难收集高硬度粉尘的脱除，形成“燃前减量+燃中优化+燃后精细控制”的新格局。未来，随着更多煤种（尤其是高硫、高黄铁矿煤）及不同磨型上的工程验证开展，这类磨内矿物脱除技术有望与静电除尘器优化、分级燃烧、尾部深度脱硫脱硝等协同构成系统化解决方案，为燃煤电厂在环保约束日趋严格的环境下寻找新的生存空间与经济性平衡点。

参考文献
[1] Truce R. Update on in-mill mineral removal to reduce furnace emissions and operating costs[C]// International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP). Wrocław, Poland, 19–23 September 2016.
[2] DePriest W., Gaikwad R. Economics of lime and limestone for control of sulphur dioxide[C]// Combined Power Plant Air Pollutant Control Mega Symposium. Washington, DC, May 2003.
[3] Conrad V., Looney B., Snowden B., et al. Sensible removal of arsenic and mercury from pulverized coal – economic and environmental benefits[C]// The 35th International Technical Conference on Clean Coal & Fuel Systems. Clearwater, Florida, USA, June 6–10, 2010.

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