CFB鍋爐爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)工藝優(yōu)化

摘 要：文章分析了循環(huán)流化床鍋爐脫硫機理及脫硫的影響因素，總結(jié)現(xiàn)有脫硫裝裝置存在的問題。研究采用延長脫硫反應(yīng)時間的方式，提高脫硫效率，制定脫硫系統(tǒng)優(yōu)化工藝。工程實例表明，該工藝合理穩(wěn)定，節(jié)約石灰石用量，有效降低了煙氣SO2排放濃度。

關(guān)鍵詞：CFB鍋爐；脫硫；工藝優(yōu)化

中圖分類號：TK227 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）29-0175-02

循環(huán)流化床燃燒是一種在爐內(nèi)使高溫運動的煙氣與其所攜帶的湍流擾動極強的固體顆粒密切接觸，并具有大量顆粒返混的流態(tài)化燃燒反應(yīng)過程；在爐外分離設(shè)備將絕大部分高溫固體顆粒同步捕集，并將它們送回爐膛繼續(xù)參與燃燒。

該燃燒技術(shù)具有分級燃燒有效降低NOx排放、低成本脫硫、煤種適應(yīng)性強、灰渣易于綜合利用、負荷調(diào)節(jié)范圍大、燃燒穩(wěn)定等特點。爐內(nèi)噴鈣脫硫與煤粉燃燒鍋爐尾部煙氣脫硫技術(shù)相比，在脫硫經(jīng)濟性、脫硫能力上占有優(yōu)勢。

1 循環(huán)流化床鍋爐脫硫機理

循環(huán)流化床鍋爐通過向爐內(nèi)添加石灰石控制SO2排放。其在爐內(nèi)的脫硫反應(yīng)過程一般分為兩步：

第一步，CaCO3的煅燒反應(yīng)，即石灰石在高溫下分解生成CaO和CO2。

化學(xué)方程式：CaCO3→CaO + CO2 （煅燒反應(yīng)）

第二步，煅燒生成的多孔狀CaO在氧化性氣氛中遇到SO2就會發(fā)生化合反應(yīng)生成CaSO4。化學(xué)反應(yīng)方程式：CaO+ SO2+1/2O2→ CaSO4（化合反應(yīng)）

石灰石煅燒及化合反應(yīng)過程中微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如圖1所示。

2 循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫的影響因素

2.1 燃料和石灰石粒徑的影響

循環(huán)流化床鍋爐對燃料和石灰石粒度及粒徑分布有嚴(yán)格要求。燃料平均顆粒度過大，會造成鍋爐床料大顆粒積聚，床料分層，流化變差，排渣設(shè)備堵塞，嚴(yán)重時導(dǎo)致爐膛結(jié)焦停爐。石灰石平均粒度過大，脫硫氣固反應(yīng)表面積減小，擴散阻力增加，石灰石利用不充分。但是，燃料和石灰石粒度太小時，會增大其飛灰形式的逃逸量，旋風(fēng)分離器捕捉不到，使脫硫效率下降，飛灰含炭量升高。故一般采用0～2 mm，平均100～500 μm的石灰石粒度。

2.2 Ca/S摩爾比的影響

CaCO3摩爾體積為CaO的1.79倍，CaCO3煅燒過程中自然孔隙擴大，形成的多孔隙結(jié)構(gòu)有利于CaO與SO2反應(yīng)。理論上，硫的鹽化反應(yīng)中CaO與SO2按照等摩爾比進行。但是實際反應(yīng)中由于脫硫產(chǎn)物CaSO4的摩爾體積是CaO的2.43倍，CaO的表面生成一層致密的CaSO4薄膜，這層膜減緩SO2與CaO顆粒反應(yīng)速率，致使短時間內(nèi)石灰石顆粒內(nèi)部CaO無法充分反應(yīng)。

由于上述原因，工程實際應(yīng)用中，鈣硫摩爾比總是大于1。在其他工況相同的情況下，脫硫效率隨Ca/S摩爾增加而快速提高。但是當(dāng)Ca/S比從2.5繼續(xù)增加時，脫硫效率增加趨勢變緩，繼續(xù)增加石灰石用量，CaO的利用率快速下降，脫硫效率無增加。Ca/S摩爾比對脫硫效率與CaO利用率的影響如圖2所示。

2.3 反應(yīng)時間的影響

對于有氣體參與的化學(xué)反應(yīng)，狀態(tài)條件不變時，單位時間內(nèi)有效碰撞次數(shù)不變。如果延長化學(xué)反應(yīng)時間，則累計有效碰撞次數(shù)增加，化學(xué)反應(yīng)效果提高；反之則減小。工程實踐表明，當(dāng)Ca/S摩爾比確定的情況下，隨著鍋爐循環(huán)倍率的增加，飛灰的再循環(huán)延長了石灰石在床內(nèi)的停留時間，達到一定脫硫效率所需的石灰石投放量下降，提高了脫硫效率。反應(yīng)時間對脫硫效率和CaO利用率的影響如圖3所示。

2.4 其它影響

①床溫影響。循環(huán)流化床鍋爐最佳溫度大約是830～930℃。循環(huán)流化床在這個溫度內(nèi)進行燃燒脫硫能得到高的脫硫效率，溫度低于或高于該溫度范圍后，脫硫效率都會下降。

②給料方式的影響。國內(nèi)外運行實踐表明，石灰石與煤同點給入時，脫硫效率高；前后墻平衡給煤時，脫硫劑利用率最高。

3 循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫的主要問題

實際運行中，由于鍋爐運行工況不穩(wěn)、脫硫效率影響因素控制不嚴(yán)，為使SO2達標(biāo)排放，往往造成實際Ca/S比較大。如四川某電廠鍋爐設(shè)計的Ca/S比為1.97，實際運行中Ca/S比有時超過4.0，但是有時即使增加Ca/S摩爾比，也難以達到所要求的脫硫效率。顯然單純通過增加Ca/S比來控制SO2排放在做法，存在諸多弊端：更多的石灰石用量增加了鍋爐的運行費用，嚴(yán)重影響脫硫經(jīng)濟性；大量的石灰石進入爐膛煅燒，增加了鍋爐的CO2排放量：反應(yīng)后的粉煤灰中游離氧化鈣含量很高，限制粉煤灰綜合利用；增加NOX的排放量，對SNCR脫硝系統(tǒng)性能產(chǎn)生負面影響；干擾爐內(nèi)燃燒，降低鍋爐效率。

4 脫硫系統(tǒng)工藝的優(yōu)化

為了避免這些弊端，使循環(huán)流化床在更為經(jīng)濟有效的脫硫方式下運行，這就要求循環(huán)流化床鍋爐在保證較高脫硫效率的同時，能夠在較低的Ca/S比下運行。

4.1 脫硫優(yōu)化工藝原理

實踐中，循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器對于平均直徑小于50 μm的飛灰顆粒捕捉能力很低。大量的石灰石顆粒在流化床鍋爐中停留時間過短，CaO反應(yīng)不充分，高Ca/S摩爾比工況下，石灰石粉浪費更為嚴(yán)重。工藝上，可以考慮采用回燃方式延長反應(yīng)時間，延長反應(yīng)時間，提高石灰石利用率。所謂回燃，就是把除塵器收集下來的飛灰，再回送入爐內(nèi)參與燃燒。回燃既能把未反應(yīng)的CaO粒子返回爐內(nèi)循環(huán)利用，延長石灰石停留時間，起節(jié)約石灰石的作用，又能降低飛灰含碳量。

4.2 工程實例

河北某熱電廠4×410 t/h循環(huán)流化床鍋爐回燃系統(tǒng)系統(tǒng)，將鍋爐尾部電除塵器一電場收集的飛灰送回石灰石粉倉，進入鍋爐爐膛內(nèi)的密相區(qū)，實現(xiàn)循環(huán)燃燒，該技術(shù)能使床溫保持在最佳脫硫溫度下，同時提高了石灰石的利用率，系統(tǒng)見圖4。

4.3 效果驗證

①鍋爐改造完成后，未能在爐膛內(nèi)充分燃燒的小顆粒飛灰被重新送回爐膛燃燒，有效延長脫硫反應(yīng)時間。對回燃系統(tǒng)投用前后飛灰成分進行分析。分析得飛灰中CaSO4/CaO有明顯增大，這說明石灰石的利用率明顯提高。飛灰中CaSO4/CaO變化見圖5。

②鍋爐優(yōu)化完成后，尾部煙道設(shè)置SO2濃度測點，連續(xù)監(jiān)測煙氣SO2濃度排放濃度。在相同機組負荷下，對回燃系統(tǒng)投運前后，煙氣SO2排放濃度進行對比。實測參數(shù)表明，相同Ca/S摩爾，煙氣SO2排放濃度平均下降

87 mg/Nm，環(huán)保與經(jīng)濟效益明顯。SO2濃度對比見圖6。

5 結(jié) 語

爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)工藝優(yōu)化，延長了石灰石粉在爐膛內(nèi)的停留時間，改善脫硫反應(yīng)效果，有效降低鍋爐煙氣SO2濃度，節(jié)約石灰石用量。達到節(jié)能環(huán)保效果。

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