CFB-FGD在大型燃煤電站鍋爐煙氣凈化中的應(yīng)用

王建春

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

CFB-FGD在大型燃煤電站鍋爐煙氣凈化中的應(yīng)用

王建春

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

通過循環(huán)流化床干法煙氣脫硫除塵一體化裝置在華能邯峰電廠2×660MW機(jī)組脫硫技改工程中的成功投運(yùn)，詳細(xì)介紹了CFB-FGD技術(shù)的工藝特點(diǎn)和運(yùn)行情況，為大型燃煤電站鍋爐煙氣凈化和節(jié)能環(huán)保開拓了一條全新的路線。

循環(huán)流化床;干法煙氣脫硫;脫硫除塵一體化;燃煤電站

前言

循環(huán)流化床干法煙氣脫硫工藝（CFB-FGD）是國(guó)內(nèi)外研究最多、應(yīng)用最廣、有望與濕法脫硫工藝在大型機(jī)組應(yīng)用上進(jìn)行比選的一種脫硫工藝[1、2]。CFB-FGD工藝集脫硫、除塵于一體，具有占地少、電耗及水耗低、一次投資少、操作維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在中低硫煤和缺水地區(qū)，以及兼具除塵和多種污染物（多種酸性污染物如SO3、HF、HCl，重金屬如汞，二英等）治理要求的領(lǐng)域，都具有非常好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[3、4]。

華能邯峰電廠2×660MW機(jī)組煙氣循環(huán)流化床干法脫硫項(xiàng)目是目前世界上裝機(jī)容量最大的煙氣循環(huán)流化床干法脫硫除塵一體化系統(tǒng)，同時(shí)，也是我國(guó)“十一五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目課題—600MW燃煤電站半干法脫硫除塵一體化技術(shù)與裝備（課題號(hào)：2007AA061806）的依托工程。該裝置于2008年12月順利通過“168”小時(shí)試運(yùn)行，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值。

華能邯峰發(fā)電廠一期工程的兩臺(tái)660MW等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組是國(guó)家“九五”期間河北省最大的中外合資項(xiàng)目，所采用的鍋爐為2026.8t/h亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、“W”型火焰燃燒、固態(tài)排渣汽包爐，是目前世界上最大的燃燒無(wú)煙煤的電站鍋爐。華能邯峰電廠在對(duì)這兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行脫硫改造時(shí)，考慮到采用傳統(tǒng)的石灰石/石膏濕法脫硫工藝，必須對(duì)原有的電除塵器進(jìn)行大規(guī)模的改造。但由于場(chǎng)地緊張加上需要長(zhǎng)時(shí)間停爐，而且原電除塵器改造需近億元的巨額費(fèi)用，且存在改造后仍無(wú)法滿足排放要求的風(fēng)險(xiǎn)，改造的難度、風(fēng)險(xiǎn)非常大。因此必須因地制宜、科學(xué)合理選擇脫硫工藝方案。經(jīng)過多方論證，華能邯峰電廠決定采用“600MW燃煤電站半干法脫硫除塵一體化技術(shù)與裝備”課題所推薦的新型節(jié)能、節(jié)水型煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵一體化的工藝方案。該方案改造工期和停爐時(shí)間較短，投資費(fèi)用可節(jié)省近5000萬(wàn)元，每年還可降低運(yùn)行成本1000多萬(wàn)元，并可避免采用傳統(tǒng)的石灰石/石膏濕法脫硫工藝因煙囪防腐而造成兩臺(tái)爐同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)引起的巨大發(fā)電損失。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體方案

華能邯峰電廠2×660MW發(fā)電機(jī)組，采用循環(huán)流化床干法脫硫工藝旁路布置方式進(jìn)行煙氣脫硫。該脫硫系統(tǒng)在前期氣流均布模擬（物模及CFD）實(shí)驗(yàn)成功完成優(yōu)化的基礎(chǔ)上，首創(chuàng)性地采用每臺(tái)爐兩套脫硫除塵裝置，即一爐二塔工藝。旁路布置使得鍋爐和脫硫兩個(gè)系統(tǒng)互不影響，脫硫除塵系統(tǒng)可以單獨(dú)調(diào)試運(yùn)行，鍋爐無(wú)需停爐。因此脫硫改造停爐時(shí)間非常短，可以利用鍋爐的小修時(shí)間進(jìn)行煙氣接駁，大大減少因鍋爐停爐造成的發(fā)電損失。

另外，由于采用一爐二塔工藝，脫硫除塵島的負(fù)荷范圍能滿足鍋爐負(fù)荷在35萬(wàn)～66萬(wàn)kW范圍內(nèi)的變化，在鍋爐負(fù)荷調(diào)整時(shí)脫硫裝置有良好、適宜的調(diào)節(jié)特性。脫硫系統(tǒng)既可以兩套脫硫除塵裝置同時(shí)運(yùn)行，滿足全負(fù)荷下全煙氣脫硫的要求，同時(shí)也允許鍋爐低負(fù)荷時(shí)單塔（即只投入一臺(tái)脫硫除塵裝置及啟運(yùn)一臺(tái)脫硫引風(fēng)機(jī)）脫硫運(yùn)行，可節(jié)約電耗至少38.2%，實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求。

1.2 系統(tǒng)布置

整個(gè)脫硫除塵島布置效果見圖1，每套脫硫系統(tǒng)的吸收塔、脫硫除塵器與吸風(fēng)機(jī)呈一字排列，吸收劑倉(cāng)布置在每臺(tái)爐兩套脫硫系統(tǒng)之間。主要工藝設(shè)備和輔助設(shè)施圍繞脫硫塔，按工藝要求集中布置，各設(shè)備的平面和空間組合，既工作分區(qū)明確，又合理、緊湊、方便，外觀造型協(xié)調(diào)，整體性好，并與電廠其他建筑群體相協(xié)調(diào)，同時(shí)最大限度地節(jié)省了用地。

圖1 邯峰CFB-FGD系統(tǒng)布置三維效果

每臺(tái)爐兩套脫硫系統(tǒng)的生石灰倉(cāng)和消石灰倉(cāng)并排布置于脫硫塔旁邊，便于生石灰粉的卸車；同時(shí)生石灰倉(cāng)與消石灰倉(cāng)的距離較近，便于將消化出來(lái)的消石灰輸送至消石灰倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存。消石灰倉(cāng)靠近吸收塔布置便于消石灰輸送進(jìn)入吸收塔內(nèi)。

工藝水箱、水泵、流化風(fēng)機(jī)等布置在脫硫布袋除塵器下的零米層地面上，所有的設(shè)備布置整齊、有序。兩個(gè)脫硫灰?guī)觳贾迷?＃爐脫硫除塵裝置邊上，便于脫硫灰裝車、外運(yùn)。

1.3 工藝流程及原理

CFB-FGD工藝以循環(huán)流化床原理為基礎(chǔ)，采用生石灰或消石灰為脫硫劑。圖2所示為典型的循環(huán)流化床脫硫系統(tǒng)工藝流程示意圖，整套系統(tǒng)由預(yù)電除塵器（利用現(xiàn)有電除塵器作為預(yù)除塵器）、吸收劑制備及供應(yīng)系統(tǒng)、脫硫塔、脫硫灰再循環(huán)系統(tǒng)、脫硫引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、脫硫后除塵器、儀表控制系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等組成。

圖2 工藝流程示意圖

鍋爐空氣預(yù)熱器出來(lái)的煙氣溫度一般為120℃～180℃，通過預(yù)除塵器后從底部進(jìn)入脫硫塔，在此處高溫?zé)煔馀c加入的吸收劑、循環(huán)脫硫灰充分預(yù)混合，進(jìn)行初步的脫硫反應(yīng)。

然后煙氣通過脫硫塔底部文丘里管的加速，進(jìn)入循環(huán)流化床體，物料在循環(huán)流化床里，氣固兩相由于氣流的作用，產(chǎn)生激烈的湍動(dòng)與混合，充分接觸，使得氣固間的滑落速度高達(dá)單顆粒滑落速度的數(shù)十倍；脫硫塔頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步強(qiáng)化了絮狀物的返回，提高了塔內(nèi)顆粒的床層密度，使得床內(nèi)的Ca/S比高達(dá)50以上。這樣的循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流機(jī)制，極大地強(qiáng)化了氣固間的傳質(zhì)與傳熱，為實(shí)現(xiàn)高脫硫率提供了根本的保證。

在文丘里的出口擴(kuò)管段設(shè)一套噴水裝置，噴入霧化水以降低脫硫反應(yīng)器內(nèi)的煙溫至高于露點(diǎn)15℃左右，從而使得SO2與Ca(OH)2的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可以瞬間完成的離子型反應(yīng)。吸收劑、循環(huán)脫硫灰在文丘里段以上的塔內(nèi)進(jìn)行第二步的充分反應(yīng)，生成副產(chǎn)物CaSO3·1/2H2O等。噴入的用于降低煙氣溫度的水，以激烈湍動(dòng)的、擁有巨大表面積的顆粒作為載體，在塔內(nèi)得到充分的蒸發(fā)，保證了進(jìn)入后續(xù)除塵器中的灰具有良好的流動(dòng)狀態(tài)。

在循環(huán)流化床脫硫塔中，Ca(OH)2與煙氣中的SO2和幾乎全部的SO3、HCl、HF等，完成化學(xué)反應(yīng)，主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

由于流化床中氣固間良好的傳熱、傳質(zhì)效果，SO3全部得以去除，加上排煙溫度始終控制在高于露點(diǎn)溫度15℃以上，因此煙氣不需要再加熱，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)也無(wú)須任何的防腐處理。經(jīng)除塵器捕集下來(lái)的固體顆粒，通過除塵器下的再循環(huán)系統(tǒng)，返回脫硫塔繼續(xù)參加反應(yīng)。多余的少量脫硫灰渣通過物料輸送至脫硫灰倉(cāng)內(nèi)，再由罐車或二級(jí)輸送設(shè)備外排。

2 運(yùn)行情況

邯峰2×660MW機(jī)組脫硫除塵裝置竣工后外觀照片如圖3所示。圖4為邯峰項(xiàng)目DCS畫面。

圖3 邯峰2×660MW機(jī)組脫硫除塵裝置照片

圖4 邯峰項(xiàng)目DCS畫面

從圖4中可以看出，在原煙氣入口SO2濃度為2175mg/m3的情況下，經(jīng)過CFB-FGD脫硫后出口凈煙氣SO2濃度降為146mg/m3，系統(tǒng)整體脫硫效率達(dá)到93.3%，同時(shí)經(jīng)布袋除塵后粉塵排放控制到了30.6mg/m3。脫硫除塵效果完全滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也滿足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放要求。

在168小時(shí)的試運(yùn)過程中，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，始終維持較高的脫硫除塵效率，滿足了環(huán)保要求。在穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行接近一年之后，華能邯峰電廠請(qǐng)權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果顯示各指標(biāo)均滿足或高于保證/設(shè)計(jì)值，顯示出優(yōu)越的性能。

3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）采用優(yōu)化的煙氣循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)塔，脫硫效率高、系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定

塔內(nèi)沒有任何運(yùn)動(dòng)部件和支撐桿件，操作氣速穩(wěn)定、磨損小，沒有堆積死角，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)、檢修方便。特別是通過進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和增加了清潔煙氣再循環(huán)裝置，無(wú)須在塔內(nèi)增加絮流圈，就可使煙氣負(fù)荷在10%～110%的變化范圍內(nèi)保證塔內(nèi)良好的氣固混合和充分接觸，而且不出現(xiàn)堆積死角。

由于設(shè)計(jì)選擇了最佳的操作氣速，使得氣固兩相流在循環(huán)流化床內(nèi)的滑落速度最大，脫硫反應(yīng)區(qū)床層密度高，顆粒在脫硫塔內(nèi)單程的平均停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)40秒左右（考慮循環(huán)倍率，顆粒總的停留時(shí)間為60分鐘左右），煙氣在塔內(nèi)的氣固接觸時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8秒以上，使得脫硫塔內(nèi)的氣固混合、傳質(zhì)、傳熱更加充分，優(yōu)化了脫硫反應(yīng)效果，達(dá)到了較高的脫硫效率。

（2）采用大流量高壓回流式霧化水噴嘴，直接向脫硫塔內(nèi)噴水降溫，對(duì)負(fù)荷變化響應(yīng)快，保證后續(xù)布袋除塵器可靠運(yùn)行

采用進(jìn)口的大流量回流式霧化水噴嘴具有流量大、噴水壓力高、霧化效果好、耐磨損耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，從高壓水泵出來(lái)的工藝水通過高壓回流式水噴嘴噴入脫硫塔內(nèi)，煙氣溫度下降到脫硫反應(yīng)器所需要的最佳溫度（高于煙氣露點(diǎn)溫度15℃以上）。當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，所需的噴水量也隨之變化，此時(shí)通過水系統(tǒng)中的回流水調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)噴入脫硫塔內(nèi)的水量，對(duì)負(fù)荷變化響應(yīng)快。噴入塔內(nèi)的水由于壓力高、霧化效果好，水分得以瞬間氣化，使得塔內(nèi)激烈湍動(dòng)的固體顆粒不易黏結(jié)抱團(tuán)，因此能保證后級(jí)布袋除塵器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（3）操作控制簡(jiǎn)單

整套裝置操作非常簡(jiǎn)單，啟停快速。在鍋爐緊急投運(yùn)時(shí)，脫硫系統(tǒng)可以選擇熱備或停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)鍋爐啟停情況下脫硫系統(tǒng)無(wú)擾運(yùn)行。整套裝置的調(diào)節(jié)控制回路少，主要通過3個(gè)回路實(shí)現(xiàn)，這3個(gè)回路相互獨(dú)立，互不影響。

1） SO2排放控制：根據(jù)吸收塔入口SO2的總量，確定消石灰旋轉(zhuǎn)給料器變頻控制的頻率，然后根據(jù)脫硫塔出口的SO2濃度，校核和精確地調(diào)節(jié)消石灰粉給料量的輔助調(diào)控參數(shù)，以保證達(dá)到按要求的SO2排放濃度。

2） 溫度控制：通過對(duì)脫硫塔出口溫度的測(cè)定，控制回流噴嘴向脫硫塔內(nèi)的噴水量，以使溫度降低到設(shè)定值。脫硫系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，工藝水會(huì)自動(dòng)停止注入。

3） 脫硫塔的壓降控制：脫硫塔的壓降由煙氣壓降和固體顆粒壓降兩部分組成。通過調(diào)節(jié)除塵器灰斗下料進(jìn)入空氣斜槽的物料量，以控制送回脫硫塔的再循環(huán)量，從而維持脫硫塔內(nèi)的固體顆粒壓降相對(duì)穩(wěn)定，保證塔內(nèi)流化床脫硫反應(yīng)所需的固體顆粒濃度。

（4）單塔處理能力大，已有大型化的應(yīng)用業(yè)績(jī)

采用一個(gè)塔內(nèi)配置7個(gè)文丘里管的結(jié)構(gòu)，單塔理論上最高可處理的煙氣量為28×105Nm3/h。配置7個(gè)文丘里單塔循環(huán)流化床脫硫系統(tǒng)已在300MW燃煤機(jī)組脫硫上得到成功應(yīng)用，并運(yùn)行近4年。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)已有單塔處理煙氣量超過25×105Nm3/h的運(yùn)行業(yè)績(jī)，已接近理論的最大處理煙氣量。

（5）采用流線型的底部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，保證了脫硫塔入口氣流分布均勻

通過對(duì)脫硫塔的入口結(jié)構(gòu)大量的氣流分布模型試驗(yàn)表明：采用流線型結(jié)構(gòu)，有利于氣流塔內(nèi)徑向分布均勻，保持塔內(nèi)流化床的穩(wěn)定，在實(shí)現(xiàn)高效脫硫的同時(shí)有效減少塔底落灰，有利于脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）設(shè)計(jì)有清潔煙氣再循環(huán)煙道，負(fù)荷適應(yīng)性好，維持脫硫塔內(nèi)操作氣速穩(wěn)定，進(jìn)一步保證了氣固兩相流場(chǎng)的穩(wěn)定

由于采用了清潔煙氣再循環(huán)技術(shù)，以及脫硫灰再循環(huán)等措施，可以滿足不同的鍋爐負(fù)荷要求。鍋爐負(fù)荷在35%～110%范圍內(nèi)變化時(shí)，脫硫系統(tǒng)可正常運(yùn)行。在不依賴鍋爐即不引入熱煙氣的情況下，脫硫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)煙氣自循環(huán)，完成系統(tǒng)靜態(tài)分布試運(yùn)，從而縮短裝置調(diào)試時(shí)間。

（7）無(wú)須防腐

循環(huán)流化床脫硫塔內(nèi)具有優(yōu)良的傳質(zhì)傳熱條件，使塔內(nèi)的水分迅速蒸發(fā)，并且可脫除幾乎全部的SO3，煙氣溫度高于露點(diǎn)15℃左右，脫硫塔及其下游設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生腐蝕，因此整個(gè)系統(tǒng)無(wú)需采取任何防腐措施，顯著節(jié)省投資，縮短裝置施工時(shí)間。

（8）良好的入口煙氣SO2濃度變化適應(yīng)性

當(dāng)煤的含硫量或要求的脫硫效率發(fā)生變化時(shí)，無(wú)需增加任何工藝設(shè)備，僅需調(diào)節(jié)脫硫劑的耗量便可滿足更高脫硫效率的要求。

（9）脫硫副產(chǎn)物流動(dòng)性好，易于處理；脫硫劑利用率高、脫硫副產(chǎn)物排放少

脫硫系統(tǒng)使用正確的注水位置，保證噴入脫硫塔內(nèi)冷卻水的充分蒸發(fā)，加上煙氣和顆粒在塔內(nèi)具有較長(zhǎng)的接觸行程，進(jìn)一步加強(qiáng)了冷卻水的蒸發(fā)，因此脫硫副產(chǎn)物含水率小，副產(chǎn)物流動(dòng)性好，易于輸送和處理。

從吸收劑及循環(huán)物料加入口到脫硫塔煙氣出口長(zhǎng)近40米的氣固接觸行程和塔內(nèi)長(zhǎng)達(dá)8秒以上的氣固接觸時(shí)間，保證了塔內(nèi)充分的脫硫反應(yīng)，加上二級(jí)除塵器收集脫硫灰全部返回塔內(nèi)再循環(huán)，外排的脫硫灰數(shù)量很少，因此灰的綜合處理成本較低。

4 結(jié)語(yǔ)

電力能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈。大量燃煤引發(fā)的大氣污染是中國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)建和諧社會(huì)的主要障礙之一。華能邯峰電廠CFB-FGD系統(tǒng)的順利投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)600MW及以上大型燃煤電站新型節(jié)能、節(jié)水型干法煙氣脫硫工藝的研制取得了成功，表明我國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新能力方面已經(jīng)逐漸走到了世界前列。循環(huán)流化床干法煙氣脫硫技術(shù)完全適用于大型燃煤電站的鍋爐煙氣凈化，而且相比濕法脫硫工藝，其表現(xiàn)出的對(duì)鍋爐負(fù)荷良好的適應(yīng)性，多污染物一體化解決方案，環(huán)保節(jié)能，降低煙氣脫硫建設(shè)和運(yùn)行成本，更易于處理的脫硫副產(chǎn)物等特點(diǎn)，為解決大型燃煤電站鍋爐煙氣凈化開拓了一條全新的路線。

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Application of CFB-FGD on Flue Gas Purification of 660MW Coal-fired Power Plants

WANG Jian-chun

X701

A

1006-5377（2011）06-0027-04

國(guó)家863課題“600MW燃煤電站半干法脫硫除塵一體化技術(shù)與裝備”，編號(hào)：2007AA061806。