于樹輝(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?山東濟(jì)南 250013)

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫的研究

于樹輝(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?山東濟(jì)南 250013)

分析了循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)和脫硫原理,探討了循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫系統(tǒng)中存在的問(wèn)題及影響脫硫效率的因素,提出提高循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫效率的措施。

循環(huán)流化床鍋爐;石灰石;脫硫效率;影響因素;對(duì)策措施

循環(huán)流化床 (CFB)燃燒技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新型燃燒技術(shù),由于循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、高效脫硫的特點(diǎn),因此近年來(lái)有了很大的發(fā)展。其應(yīng)用范圍從小型工業(yè)流化床鍋爐發(fā)展到大型電站鍋爐,投入運(yùn)行的最大容量為 300MW。截至 2008年底,已有與 300MW機(jī)組配套的 18臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行。流化床燃燒技術(shù)也從第一代鼓泡床 (俗稱沸騰床)發(fā)展到第二代循環(huán)床。

1 循環(huán)流化床燃燒特點(diǎn)和脫硫原理

1.1 循環(huán)流化床燃燒優(yōu)點(diǎn)

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有一些常規(guī)的煤燃燒技術(shù) (如層燃和煤粉燃燒)所不具備的優(yōu)點(diǎn),如具有脫硫、脫硝功能,燃料適應(yīng)性強(qiáng),可燃燒劣質(zhì)煤,負(fù)荷調(diào)節(jié)性能強(qiáng)等。

(1)具有脫硝功能。循環(huán)流化床的燃燒特點(diǎn)是任何時(shí)候流化床內(nèi)惰性熱物料都占全部床內(nèi)固體物料的 97%～98%,因而,可以將溫度控制在 800～900℃的范圍內(nèi),并保證穩(wěn)定和高效的燃燒。這種低溫燃燒方式可以有效地抑制 NOx的生成和排放,循環(huán)流化床鍋爐NOx的生成量很小,僅占煤粉鍋爐燃燒的 1/3～1/4。

(2)具有脫硫功能。由于循環(huán)流化床燃燒溫度正好是石灰石 /石灰脫硫反應(yīng)的最佳溫度,因而在床內(nèi)加入石灰石或白云石可有效地脫除在燃燒過(guò)程中生成的 SO2。

(3)燃料適應(yīng)性強(qiáng)。由于循環(huán)流化床床內(nèi)惰性物料的巨大熱容量,以及流態(tài)燃燒過(guò)程中十分良好的傳熱、傳質(zhì)和混合過(guò)程,因此循環(huán)流化床雖然是一種低溫燃燒方式,但它卻可以燃用一切種類的燃料并達(dá)到較高的燃燒效率,其中包括高灰分、高水分、低熱值、低灰熔點(diǎn)的劣質(zhì)燃料 (如泥煤、褐煤、油頁(yè)巖、木屑、洗煤廠的煤泥、洗矸、煤礦的煤矸石等),以及難以點(diǎn)燃和燃盡的低揮發(fā)分燃料 (貧煤、無(wú)煙煤、石油焦和焦炭等)。

(4)負(fù)荷調(diào)節(jié)性能強(qiáng)。負(fù)荷可在 30%～115%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢栽阱仩t負(fù)荷 40%以上的情況下,使蒸汽溫度正常;鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)速率也快,一般每分鐘可達(dá) 4%的調(diào)節(jié)速率。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐存在的問(wèn)題

(1)初投資大。由于循環(huán)流化床的爐膛內(nèi)傳熱系數(shù)與爐內(nèi)沿爐膛高度的氣固濃度比密切相關(guān),爐膛上部稀相段的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于下部濃相段的傳熱系數(shù),再加上溫度低、煙氣流速高、床截面小,因而必須增加爐膛高度,否則四周墻面不足以滿足受熱面面積要求,從而增加了鍋爐的初投資。

(2)耗電量大。循環(huán)床的分離循環(huán)系統(tǒng)比較復(fù)雜,且布風(fēng)板及系統(tǒng)阻力較大,使鍋爐自身耗電量增大,約為機(jī)組發(fā)電量的 7%左右,導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加,耗電量增大。

(3)磨損及腐蝕。由于床內(nèi)流速高、固體顆粒濃度大以及為控制 NOx排放而采用分級(jí)燃燒使?fàn)t膛內(nèi)存在還原性氣氛的區(qū)域等因素,會(huì)造成進(jìn)風(fēng)風(fēng)帽等部位的磨損及受熱面與吊掛管的磨損與腐蝕,導(dǎo)致循環(huán)流化床鍋爐檢修率較高。

綜上所述,循環(huán)流化床由于能在低溫下燃燒等一系列特點(diǎn),它雖然存在一定的問(wèn)題,但仍不失是當(dāng)前在燃燒中脫硫的最佳燃燒方式。

1.3 循環(huán)流化床鍋爐的脫硫原理

循環(huán)流化床燃燒脫硫技術(shù)是指在循環(huán)流化床鍋爐中將石灰石 (石灰)等原料粉碎成與煤粉同等細(xì)度,參入煤中在爐內(nèi)同時(shí)燃燒,在 800～900℃時(shí),石灰石受熱分解成 CO2,及多孔 CaO,CaO與 SO2發(fā)生反應(yīng)生成 CaSO4。由于循環(huán)流化床鍋爐帶有高溫除塵器 (旋風(fēng)分離器),可使飛出去的未完全反應(yīng)的脫硫劑又返回爐膛循環(huán)利用,同時(shí),循環(huán)流化床較低的燃燒溫度確保 CaO不會(huì)燒結(jié),從而提高了脫硫效率。其化學(xué)反應(yīng)式如下:

(1)式為吸熱反應(yīng),石灰石 CaCO3分解為 CaO和 CO2的熱分解溫度為 880℃左右。(2)式中 CaO與 SO2反應(yīng)的最佳溫度是 800～850℃。

由于循環(huán)床內(nèi)的煙氣流速為 4.5～7.0m/s,可以把相當(dāng)數(shù)量的固體顆粒帶出爐膛。安裝在爐膛出口處的高效分離器能將被氣流帶出的固體顆粒分離出來(lái),再將其送回爐膛底部,以維持爐膛內(nèi)床料總量不變的連續(xù)工作狀態(tài)。

在循環(huán)床運(yùn)行工況下,整個(gè)爐膛內(nèi)除了氣體向上流動(dòng)外,固體顆粒亦向上流動(dòng),此時(shí)氣、固兩相之間存在的相對(duì)速度稱為滑移速度。氣、固兩相混合物的密度不單純?nèi)Q于流化速度,還與當(dāng)時(shí)顆粒的質(zhì)量流率有關(guān)。在一定的氣流速度下,質(zhì)量流率越大,則床料密度越大;固體顆粒的循環(huán)量越大,則氣、固間滑移速度也越大。固體顆粒的聚集和團(tuán)聚作用是循環(huán)床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特點(diǎn)。研究表明,當(dāng)床料密度為 8～10 kg/m3時(shí),床內(nèi)細(xì)顆粒就會(huì)團(tuán)聚成大粒子團(tuán)。粒子團(tuán)由于重量增加、體積加大,具有較大的自由沉降速度。在一定的氣流速度下,大粒子團(tuán)不是被吹上去,而是逆著氣流沿爐墻向下運(yùn)動(dòng)。這些粒子團(tuán)在沿著爐墻向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,氣、固間產(chǎn)生較大的相對(duì)速度,然后被上升的氣流打散成細(xì)顆粒,再有氣流帶動(dòng)向上運(yùn)動(dòng),又聚集成粒子團(tuán),再沉降下來(lái),這種粒子團(tuán)不斷聚集、下沉、吹散、上升又再聚集的物理過(guò)程,使循環(huán)床內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的熱量和質(zhì)量交換。由于粒子團(tuán)沿爐墻沉降和邊壁效應(yīng),循環(huán)床中氣、固流動(dòng)形成近爐壁處很濃的粒子團(tuán)以旋轉(zhuǎn)狀向下運(yùn)動(dòng),爐膛中心則相對(duì)較稀的氣固相向上,產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的爐內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng),大大強(qiáng)化了爐內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程,使剛進(jìn)入爐內(nèi)的新鮮燃料和脫硫劑顆粒在瞬間即被加熱到 850℃的爐膛溫度,并保證了在整個(gè)爐膛內(nèi)縱向和橫向都具有十分均勻的溫度分布,從而使脫硫劑和 SO2的脫硫反應(yīng)能夠在整個(gè)爐膛內(nèi)和分離器內(nèi)進(jìn)行。

由于循環(huán)流化床鍋爐中被煙氣帶出的細(xì)顆粒能在旋風(fēng)分離器中被分離出、來(lái)并被送回爐內(nèi)再利用,因而大大延長(zhǎng)了脫硫劑的停留時(shí)間。在爐膛內(nèi)的內(nèi)循環(huán)和整個(gè)物料通過(guò)旋風(fēng)分離器的外循環(huán)過(guò)程中,脫硫劑的顆粒會(huì)被磨碎而出現(xiàn)新的反應(yīng)表面,而在整個(gè)固體物料的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)有著均勻的溫度分布,這一切大大地改善了脫硫性能,提高了脫硫劑的使用效率。

2 循環(huán)流化床燃燒脫硫的影響因素及對(duì)策

循環(huán)流化床燃燒脫硫一般采用添加石灰石的方法。其脫硫效率的影響因素主要是石灰石輸送添加方式、鈣硫比 (Ca/S)、石灰石的顆粒度、石灰石的品質(zhì) (活性)、煤中硫分、燃燒溫度、循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率等。

2.1 石灰石輸送系統(tǒng)對(duì)脫硫效率的影響及其對(duì)策

石灰石輸送系統(tǒng)一般分兩級(jí)料倉(cāng)石灰石輸送系統(tǒng)和單級(jí)料倉(cāng)石灰石輸送系統(tǒng)兩種。

兩級(jí)料倉(cāng)石灰石輸送系統(tǒng)分為石灰石粉庫(kù) (鍋爐房外)至中間粉倉(cāng)的前置段輸送和中間粉倉(cāng)至鍋爐爐膛的后置段輸送兩個(gè)部分。前置段輸送采用空壓機(jī)做為輸送用氣動(dòng)力源進(jìn)行定容間斷輸送;后置段輸送采用羅茨風(fēng)機(jī)做為輸送用氣動(dòng)力源進(jìn)行可定量調(diào)整的連續(xù)輸送。

兩級(jí)料倉(cāng)石灰石輸送系統(tǒng)主要是由儲(chǔ)料倉(cāng)、正壓氣力輸送系統(tǒng)、爐前倉(cāng)、噴吹系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。物料采用罐車壓送到儲(chǔ)料倉(cāng),再由正壓氣力輸送系統(tǒng)輸送至爐前倉(cāng),最后經(jīng)噴吹系統(tǒng)吹送入爐膛。整個(gè)系統(tǒng)采用 PLC程序控制。輸送系統(tǒng)是以空壓機(jī)作為動(dòng)力源,采用高密度的低壓栓流式輸送,將物料從發(fā)送器以灰栓形式由管道輸送至爐前倉(cāng)。正壓氣力輸送系統(tǒng)由發(fā)送器、進(jìn)出料閥、補(bǔ)氣閥、管路等組成。

單級(jí)料倉(cāng)連續(xù)石灰石輸送系統(tǒng)主要由石灰石粉儲(chǔ)倉(cāng)、螺旋計(jì)量給料裝置、自控旋轉(zhuǎn)給料閥、壓力式噴射給料裝置、鼓風(fēng)送風(fēng)裝置以及管道分配器等組成。該系統(tǒng)可根據(jù)鍋爐的運(yùn)行工況,通過(guò)變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速控制,將石灰石粉定量、連續(xù)、均勻地送入鍋爐爐膛。

石灰石輸送系統(tǒng)中影響脫硫效率的主要有石灰石粉吸水出現(xiàn)板結(jié)、堵塞及定量、連續(xù)輸送系統(tǒng)的自動(dòng)控制問(wèn)題。

2.1.1 石灰石粉板結(jié)、堵塞原因及解決辦法

石灰石粉的吸水性很強(qiáng),可有效地吸收空氣中的水分,引起儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)石灰石粉的板結(jié)、硬化、起拱,石灰石正壓氣力輸送系統(tǒng)由于輸送的風(fēng)壓不足易造成堵塞。

儲(chǔ)料倉(cāng)下部設(shè)流化裝置以防止石灰石粉結(jié)塊,頂部設(shè)置除塵器及壓力真空釋放閥;選擇合適的氣粉比,實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)送粉,防止在輸送風(fēng)壓不足時(shí)石灰石輸送系統(tǒng)堵塞,確保石灰石粉均勻、連續(xù)、通暢地進(jìn)入鍋爐,以滿足爐膛內(nèi)設(shè)計(jì)的鈣硫比。

2.1.2 系統(tǒng)自動(dòng)連續(xù)控制

完善石灰石輸送系統(tǒng)自動(dòng)連續(xù)控制。目前,石灰石多采用人工添加方式,無(wú)計(jì)量設(shè)施的中小型電廠尚有一定數(shù)量,這種添加方式很難做到連續(xù)、均勻,其脫硫效率很難保證。因此,必須安裝煙氣自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)煙氣自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋至石灰石添加系統(tǒng),實(shí)施輸送系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的聯(lián)鎖,自動(dòng)調(diào)節(jié)石灰石粉的添加速率,實(shí)現(xiàn)石灰石輸送系統(tǒng)的 PLC控制。

沒(méi)有中間倉(cāng)的發(fā)送系統(tǒng)當(dāng)然是最簡(jiǎn)單的系統(tǒng),但要充分考慮采取可靠措施,主要是合理的倉(cāng)料干燥方式和解決料倉(cāng)背壓?jiǎn)栴}。

2.2 爐溫對(duì)脫硫效率的影響及其對(duì)策

根據(jù)石灰石脫硫劑和副產(chǎn)品硫酸鹽的化學(xué)特性,控制循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)溫度是提高脫硫效率的有效措施。由于石灰石是通過(guò)煅燒成 CaO與煤燃燒產(chǎn)生的 SO2化合生成 CaSO4而達(dá)到脫硫效果的,在 750℃以下,石灰石分解困難;1000℃以上,生成的硫酸鹽 (CaSO4)又將部分分解成 CaO和SO2。因此,既要保證石灰石 (CaCO3)的熱分解溫度,又不致于使反應(yīng)生成的副產(chǎn)品分解,必須控制循環(huán)流化床鍋爐的床層溫度在 800～900℃的范圍內(nèi)。

控制床溫還在于保持脫硫劑的反應(yīng)速度和固體產(chǎn)物的分布及防止孔隙堵塞等,有利于提高脫硫劑的利用率。

為了控制床溫,一般在床層內(nèi)布置一部分管束,它既是吸熱強(qiáng)度很大的受熱面,保證爐內(nèi)溫度適當(dāng),不致燒熔爐渣而影響正常運(yùn)行,又可使 NOx的生產(chǎn)量及灰中鈉、鉀的揮發(fā)量大為減少。

2.3 Ca/S對(duì)脫硫效率的影響

Ca/S是影響脫硫效率和 SO2排放量的首要因素。為了確定為達(dá)到一定的脫硫效率所需要消耗的脫硫劑量,常用鈣和硫的摩爾比值 (Ca/S)作為一個(gè)綜合指標(biāo),來(lái)說(shuō)明在用 CaCO3脫硫時(shí)鈣的有效利用率。Ca/S越高,鈣的利用率就較低。通常情況下,當(dāng)流化速度一定時(shí),脫硫效率隨 Ca/S的增加而增大;當(dāng) Ca/S一定時(shí),脫硫效率隨流化速度降低而升高。一般來(lái)說(shuō),要達(dá)到 90%的脫硫效率,常壓循環(huán)流化床和增壓流化床的 Ca/S分別在 1.8～2.5和1.5～2.0之間。

為了達(dá)到一定的脫硫效率,需加入到循環(huán)流化床鍋爐中的脫硫劑 G可用下式計(jì)算:

式中 G為達(dá)到一定脫硫效率需向循環(huán)流化床鍋爐中加入的脫硫劑量,kg/h;100/32為 CaCO3和 S轉(zhuǎn)化為摩爾數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù),其中 100是 CaCO3分子量,32是 S分子量;Ca/S為達(dá)到一定脫硫效率所需的鈣硫摩爾比值;S為煤中含硫量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%;CaCO3為脫硫劑中 CaCO3含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%;B為燃料消耗量,kg/h。

由上述 CaCO3在燃燒過(guò)程中的脫硫原理可知,實(shí)際上并不是全部 CaO都能參與脫硫反應(yīng),因此在Ca/S=1.0時(shí),實(shí)際的脫硫效率并不高。所謂脫硫效率是指在煙氣中的 SO2被脫硫劑吸收的百分?jǐn)?shù),在最佳的脫硫反應(yīng)溫度 850℃、Ca/S=1.0時(shí),理論上的脫硫效率為 60%。如果要得到理想的脫硫效率,必須增加鈣硫比。

有關(guān)試驗(yàn)表明,隨著 Ca/S值的增加,脫硫效率在 Ca/S值低于 2.5時(shí)增加很快,而繼續(xù)增加 Ca/S或脫硫劑量時(shí),脫硫效率增加較慢。不僅如此,繼續(xù)增加脫硫劑的投入量會(huì)帶來(lái)其他副作用,如增加物理熱損失、影響燃燒工況等。因此,存在一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)的 Ca/S值。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐,Ca/S值一般控制在 1.5～2.5之間。

2.4 石灰石度對(duì)脫硫效率的影響

石灰石粒度大時(shí)其脫硫效率明顯下降,這是因?yàn)槊摿騽┛偟姆磻?yīng)表面小而使鈣的利用率降低。但石灰石的顆粒也不能太細(xì),因?yàn)楝F(xiàn)在常用的旋風(fēng)分離器只能分離出大于 75μm的顆粒,而小于 75μm的顆粒由于不能再返回爐膛而降低了鈣的利用率。研究表明,用于循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫的石灰石最佳粒度為 0.2～1.5mm。

一般循環(huán)流化床鍋爐燃煤要求的顆粒度控制在0～13mm,只要粗碎 +細(xì)碎就能滿足要求。為了適應(yīng)爐內(nèi)脫硫的需要,最好燃煤的粒度與入爐石灰石的粒度一致。

2.5 脫硫劑爐內(nèi)添加的位置

筆者認(rèn)為,脫硫劑的添加位置應(yīng)設(shè)置在分離器的返料口處,以利于其與煤的充分接觸、混合,使脫硫劑與煤較好地同步燃燒。

2.6 脫硫劑反應(yīng)性的影響

在煤燃燒過(guò)程中,石灰石中的鈣能否被有效地用來(lái)脫硫,還取決于石灰石本身的反應(yīng)特性。只有采用高反應(yīng)活性的石灰石,才能在 Ca/S在 1.5～2.0時(shí)達(dá)到 90%以上的脫硫效率。相同的鈣硫比對(duì)中等反應(yīng)活性的石灰石只能達(dá)到 80%的脫硫效率。因此,脫硫劑的選用對(duì)提高脫硫時(shí)的鈣利用率、減少脫硫劑的消耗十分重要。

2.7 除灰渣系統(tǒng)對(duì)脫硫效率的影響

除灰渣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)有一定的裕量,以適應(yīng)入爐煤的含硫量的變化。目前,由于煤炭?jī)r(jià)格的原因,基本上能購(gòu)到什么煤就用什么煤,致使煤中含硫量的差異很大。為了適應(yīng)高硫煤的燃燒,需在除灰渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮留有一定裕量,以防止除灰渣系統(tǒng)容量不足影響機(jī)組運(yùn)行安全和脫硫達(dá)標(biāo)。

2.8 循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率的影響

循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)倍率一般為 5～20。循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率越大,飛灰的再循環(huán)的次數(shù)越多,脫硫劑在床內(nèi)的停留時(shí)間越長(zhǎng),脫硫劑的利用率越高,脫硫效率也會(huì)相應(yīng)地得到提高。因此,在鍋爐選型時(shí),應(yīng)盡量選擇循環(huán)倍率較高的鍋爐。

2.9 煤中硫分對(duì)脫硫效率的影響

在相同的 Ca/S下,硫分越高的煤,其脫硫效率也越高,這是因?yàn)楦吡蛎簳?huì)使?fàn)t膛內(nèi)產(chǎn)生高的 SO2濃度,因而增加了脫硫反應(yīng)的速度。入爐煤硫分的高低需根據(jù)煤源的情況確定,不可因追求高的脫硫效率而特意選擇高硫煤。選用高硫煤勢(shì)必增加鍋爐的投資和運(yùn)行成本。

3 結(jié)語(yǔ)

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫,只要挑選活性高的優(yōu)質(zhì)石灰石、嚴(yán)格控制入爐石灰石的粒度、完善石灰石粉的儲(chǔ)存和輸送系統(tǒng),防止板結(jié)、堵塞并實(shí)施自動(dòng)化控制、合理控制爐膛溫度、選擇合適鈣硫比等措施,一定能獲得較好的脫硫效果。循環(huán)流化床鍋爐用于脫硫是不錯(cuò)的選擇,因?yàn)樗悄壳笆澜缟霞冉?jīng)濟(jì)又脫硫效率高的設(shè)備。

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Discussion on the adding limestone desulfurization in CFB boiler

The principles and characteristics of Circulating Fluidized Bed(CFB)boiler were analyzed.The problem s existed in the CFB boiler desulfurization system that added l im estone in the boilerwere discussed.The facto rs influenced the desulfurization efficiency were analyzed.Some countermeasures to improve the desulfurization efficiency of CFB boilerwere proposed.

CFB boiler;l imestone;desulfurization efficiency;influencing facto r;countermeasure

X701.3

B

1674-8069(2010)01-045-04

2009-11-26;

2010-01-10

于樹輝 (1976-),男,山東汶上人,工程師,主要從事火電廠電氣設(shè)計(jì)工作。E-mail:sdyushuhui@yahoo.com.cn