循環流化床燃燒在回收硫資源中的應用

孫美枝，王 凱

（太原鍋爐集團有限公司技術中心，山西 太原 030021）

1 流化床燃燒技術

循環流化床鍋爐以其較強的煤種適應性，在燃燒過程中控制二氧化硫及氮氧化物的排放，較廣的負荷調節范圍成為電站鍋爐的投運方向。循環流化床燃燒是在鼓泡流化床燃燒的基礎上發展起來的，二者可統稱為流化床燃燒。在流化床燃燒中，流化床內進行著一種劇烈的類似于流體沸騰運動的燃燒。在燃燒的鍋爐中有著大量的高溫顆粒流在爐內循環。正是循環流化床的這一特點，使其能夠在回收硫資源時發揮強有力的優勢。

2 常見電廠脫硫方式及其產物

為達到國家大氣污染物排放標準，電站鍋爐都在系統中布置了脫硫設備。而常規的電廠脫硫方式多為煙氣濕法脫硫和半干法脫硫。

2.1 濕法脫硫

石灰石/石灰——石膏濕法，鍋爐煙氣經增壓風機增壓，通過氣－氣熱交換器交換熱降溫后進入脫硫塔，自下而上流經脫硫塔，與自上而下的石灰石/石灰漿液形成逆向流動，同時發生熱量交換和化學反應，除去煙氣中的SO2。凈化后的煙氣經除霧器除去煙氣中攜帶的液滴，通過氣－氣熱交換器升溫后從煙囪排出。反應生成物亞硫酸鈣（化學式為CaSO4）進入脫硫塔底部的漿液池，被通過增氧風機鼓入的空氣強制氧化，生成CaSO4，繼而生成石膏。通過增氧風機鼓入空氣進行讓亞硫酸鈣強制氧化這一過程中存在如下狀態：1）要使亞硫酸鈣充分氧化，增氧風機電耗大；2）增氧風機鼓入的空氣若不能使亞硫酸鈣充分氧化，生成的石膏中必定亞硫酸鈣含量高。

2.2 半干法脫硫

噴霧干燥煙氣脫硫。經破碎后石灰在消化池中經消化后，與脫硫副產物和部分煤灰混合，制成混合漿液，經漿液泵升壓送入旋轉噴霧器，經霧化后在塔內均勻分散。熱煙氣從塔頂切向進入煙氣分配器，同時與霧滴順流而下。霧滴在蒸發干燥的同時發生化學反應吸收煙氣中的SO2。半干法脫硫的脫硫產物主要成分為亞硫酸鈣。亞硫酸鈣在堆放的過程中會緩慢的氧化，會吸收水體中的氧，成為新的威脅環境的污染源。因為目前的大部分電廠都為煙氣半干法或濕法脫硫，所以會有很大量的亞硫酸鈣生成，并對環境造成污染[1，2]。

3 分解亞硫酸鈣回收二氧化硫的原理

亞硫酸鈣在環境溫度達到699 ℃以上會被分解為氧化鈣和二氧化硫。在高溫條件下生成的二氧化硫經冷卻后可直接回收，而且生成的氧化鈣也可以回收并可作為很好的脫硫劑用于電站鍋爐爐內，用化學反應方程式簡單的表達為：CaSO4→CaO+SO2。該反應對發生反應的環境有要求：一定要避免氧化，再者要求環境中其他氣體量要少。這樣該反應才能有效分解，產生高濃度的二氧化硫。二氧化硫氣體可以直接冷卻后液化。利用循環流化床鍋爐中的高溫固體流作為固體熱載體可以為該反應創造良好的溫度及反應環境[3]。

圖1 循環流化床燃燒系統結構組成

4 流化床技術用于回收硫資源的優勢

典型的循環流化床燃燒系統由三部分組成：爐膛、分離器、返料裝置，如圖1 所示。循環流化床的主要特點是氣固兩相流。爐膛是實現燃燒的主要部位，爐膛由下部密相區和上部稀相區組成。密相區是顆粒密集區，它起著穩定燃燒和床溫的作用。分離器是循環流化床鍋爐的核心部件，是循環流化床鍋爐區別于煤粉鍋爐的重要部分[4]。分離器的主要作用就是實現氣固分離，將煙氣和熱循環物料分離開。返料裝置，阻斷爐膛下部床層與分離器的氣路連通并有效地回送物料。流化床技術用于回收硫資源的優勢突出表現為亞硫酸鈣的分解反應創造無比良好的環境。

4.1 適合反應的溫度

循環流化床鍋爐系統是一個閉式循環系統，能保證有足夠的循環物料有效地進行上部傳熱和穩定下部床溫。循環流化床的爐膛溫度高達850~900 ℃,產生的固體熱載體完全能夠滿足分解反應的溫度要求。

4.2 大量的高溫循環灰顆粒

設計用于分解亞硫酸鈣的循環流化床鍋爐時，我們完全可以采用高的固氣比，這有些接近早期的鼓泡流化床燃燒技術。采用這種方式可以創造出更多的固體熱載體（高溫循環灰顆粒），并且可減少氣體含量。

4.3 少量的雜質氣體

從爐膛出來的高溫煙氣在分離器高速旋轉運動,密度大的顆粒被甩到筒壁面,實現了與密度小的氣體的分離；將大部分氣體分離帶出分離器帶去尾部與受熱面進行換熱，因此分離器中尤其下部的返料裝置中煙氣帶來的氣體量極少。

4.4 避免氧化的環境

我們利用密封的回料裝置，阻斷了爐膛下部床層與分離器的氣路連通，有效防止煙氣反竄，加之分離器的氣固分離，而且在返料裝置的返料風配風上用以惰性氣體或者還原性氣體，就確保了亞硫酸鈣的反應環境，絕對地避免了氧化氛圍[5]。

流化床燃燒中，鍋爐內大量的循環灰顆粒經過流化床鍋爐的重要部件分離器氣固分離后高溫顆粒流中含的氣體量很小，且含氧量很低。這就為亞硫酸鈣的分解反應創造了雜質氣體少避免氧化環境的條件，也彰顯了循環流化床鍋爐的優勢。

5 結束語

我國現有硫資源不足，每年需要大量進口硫磺，從2009 年01~10 月就進口約1 200 萬t 硫磺，而硫磺價格高達550 美元/t。分解亞硫酸鈣回收二氧化硫不僅解決了污染環境的問題，還能夠實現可觀的經濟效益，而且濕法脫硫工藝可以省去用鼓風機強制氧化工序，直接產出亞硫酸鈣，將節省大量的電耗。

雖然循環流化床鍋爐以其較強的煤種適應性，清潔燃燒以成為很多電站鍋爐的投運方向，但是我們仍需不斷地開拓市場。循環流化床技術在回收硫資源中的應用，就為循環流化床鍋爐找到了新的市場方向，其意義不同于在電站鍋爐中的運用，主要利用的是循環流化床鍋爐所獨特具有的高溫循環灰。

[1] 李守信，紀立國，于軍玲，等.石灰石石膏濕法煙氣脫硫工藝原理[J].華北電力大學學報，2002(4)：91-94.

[2] 楊柳春.半干法煙氣脫硫技術在我國的應用[J].江西能源，2005(3)：24-26.

[3] 朱強，芮新紅.循環流化床鍋爐設備及系統[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4] LIFAC Nearing Marketability.CleanCoalToday[R].US Depart?ment of Energy Report DOE/FE-0215P-21,1996：1-21.

[5] FEHsu,BBBhagat,SKMarchant,VMNorwood,etal.The Clean Coal Technoloty Program.10-MWe Demenonstration of Gas suspension Absorprion for Flue Gas Desulfurization [R]. US Department of Energy Report.1997：1-68.