循環流化床鍋爐脫硫機理與影響因素探究

楊原魁

[摘要]脫疏技術在我們的實際生產當中扮演著十分重要的角色。循環流化床鍋爐爐內脫疏則是當前一種有效的脫疏方法。但是，從目前實際生產運行的循環流化床鍋爐脫硫狀況來看，脫硫效率還比較低，排放的鍋爐煙氣中 SO2濃度高、排放量大，遠沒有達到國家標準規定的要求。為此，本文對循環流化床鍋爐脫硫機理與影響因素進行了探究，以期為提高此項技術脫疏效果提供理論依據。

[關鍵詞]循環流化床;脫疏機理;脫疏技術;影響因素

循環流化床脫硫是國外20世紀80年代后期開發的一種新的脫硫技術，兼有高效除塵和煙氣凈化功能，運行費用低等特點。循環流化床鍋爐因其燃料適應面廣、負荷調節性能好、燃燒效率高、可通過向爐內添加石灰石減少 SO2排放等優點，得到了廣泛的應用。但是存在脫硫效率比較低、鍋爐煙氣排放出來的 SO2濃度過高等問題。為此，有必要探討此項脫硫技術的脫硫影響因素。

一、循環流化床內脫硫機理

循環流化床鍋爐脫硫是一種爐內燃燒脫硫工藝，以石灰石為脫硫吸收劑，石油焦和石灰石自鍋爐燃燒室下部送入，一次風從布風板下部送入，二次風從燃燒室中部送入。石灰石在850℃～900℃床溫下，受熱分解為氧化鈣和二氧化碳。氣流使石油焦、石灰石顆粒在燃燒室內強烈擾動形成流化床，燃料煙氣中的SO2與氧化鈣接觸發生化學反應被脫除。為了提高吸收劑的利用率，將未反應的氧化鈣、脫硫產物及飛灰等送回燃燒室參與循環利用。按設計，II電站CFB鍋爐鈣硫比達到1.97時，脫硫率可達90%以上。

高硫石油焦在加熱到400℃就開始有硫份析出，經歷下列途徑逐步形成SO2， 即硫的燃燒過程：

S--→H2S--→HS--→SO--→SO2

硫的燃燒需要一定的時間，石油焦床內停留時間將影響硫的燃燒完全程度，其隨時間同步增長。同時床溫對硫的燃燒影響很大，硫的燃燒速率隨床溫升高呈階梯增高。

以石灰石為脫硫劑在爐膛內受高溫煅燒發生分解反應：

△CaCO3--→CaO + CO2 - 179 MJ/mol

上式是吸熱反應。由于在反應過程中分子尺寸變小，石灰石顆粒變成具有多孔結構的CaO顆粒，在有富余氧氣時與床內石油焦的析出硫分燃燒生成的SO2氣體發生硫酸鹽化反應：CaO + SO2 + 1/2 O2--→CaSO4 + 500 MJ/mol

使Ca0變成CaSO4即達到脫硫目的。但是生成的CaSO4密度較低，容易堵塞石灰石的細孔，使SO2分子不能深人到多孔性石灰石顆粒內部，所以，Ca0在脫硫反應中只能大部分被利用。

二、影響脫硫效率的因素分析

1鈣硫比

Ca/S摩爾比是影響脫硫效率和SO2排放的首要因素，隨著Ca/S摩爾比的增大，脫硫效率提高。但研究表明，當Ca/S摩爾比高于2.5后，繼續增大Ca/S摩爾比或脫硫劑量時，脫硫效率提高得很少。繼續增大脫硫劑量則會帶來副作用，如增加灰渣物理熱損失，影響燃燒工況，使NOx排放提高等。因此，循環流化床運行時Ca/S摩爾比一般在1.5～2.5之間。鈣硫比與脫硫率的關系基本如圖1所示。

圖1 ?鈣硫比對脫硫效率的影響

2.運行床溫的影響

鍋爐運行床溫對脫硫效率影響較大， 這是由于床溫的變化直接影響脫硫反應速度、固體產物的分布和孔隙堵塞特性， 所以床溫會影響脫硫反應的進行和脫硫劑的利用率。脫硫的最佳溫度并不是一個常數， 它與脫硫劑的品種、粒徑、煅燒條件等有關， 一般控制在 800 ℃～900 ℃之間。溫度太低時， 脫硫反應變慢， 脫硫效率下降; 溫度太高時， CaSO4將會分解為 SO2， 也會降低脫硫效率

3.床料粒度的影響

脫硫劑和燃料的粒度以及兩者的粒徑分布對脫硫效率也有較大影響。采用較小粒徑的石灰石易使 SO2擴散到脫硫劑核心， 其參與反應面積增加， 有利于脫硫。但石灰石粒度太小或使用太易磨損的石灰石會增大其以飛灰形式的逃逸量， 使脫硫效率下降。

4.循環倍率

循環倍率越大，脫硫效率越高。但并不是循環倍率越高越好，實際上當循環倍率達到一定值時再循環是沒有意義的。因為飛灰的再循環延長了石灰石在床內的停留時間，提高了脫硫劑的利用率。但當懸浮空間顆粒濃度>30kg/m3后，脫硫效率增加緩慢。因此循環流化床鍋爐存在一個最佳的循環倍率。循環倍率根據實際情況的不同而有所不同，通常在100～150倍之間。

5.負荷變化

循環流化床鍋爐負荷在較大范圍內變化時，脫硫效率基本不變或變化不大。只有在極端情況下，如工況變動較快、處于極端負荷時，由于床溫、氣速、流體動力及密相區煙氣中SO2析出濃度變化較大，對脫硫效率有較大影響。

三、解決循環流化床鍋爐脫硫問題的對策

1.加強爐內脫硫技術的研究

由于循環流化床鍋爐爐內加鈣脫硫的影響因素較多， 對脫硫效率的影響較大， 因此， 國家應加大這方面研究的投資力度， 并與實際生產相結合， 在運行中摸索、總結各因素與脫硫率間的關系， 簡化控制因素， 不斷提高參數控制的可操作性， 從而提高脫硫效率。另外， 要獲得穩定的脫硫效率， 必須采用適用、先進的控制手段， 如采用 DCS 控制系統、安裝煙氣SO2連續監測儀等， 以實現石灰石添加的自動、準確給料。除進一步改進鍋爐設計、提高操作的自動化水平外， 還應加快開發研制新型的脫硫劑， 通過提高脫硫劑的使用效率， 降低鈣硫比， 減少添加量， 從而減輕因加入脫硫劑而對鍋爐運行產生的影響。

2.制定配套相關政策并加強管理和監督

國家有關部門應盡快制定針對鍋爐脫硫廠家運行的有效激勵政策，使已投運的循環流化床鍋爐都能發揮爐內脫硫優勢，降低燃煤排放SO2對環境的影響。對于循環流化床鍋爐脫硫的管理和監督，應和我國目前實施的SO2總量控制結合起來。對于新建的循環流化床鍋爐，其排放量必須符合當地 SO2總量控制指標的要求。

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