300 MW CFB鍋爐尾部煙道噴氨水脫硫試驗研究

侯致福， 高彬彬， 高建強， 程少偉

(1. 華北電力大學, 河北保定 071003；　2. 山西平朔煤矸石發電有限責任公司, 山西朔州 036000)

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300 MW CFB鍋爐尾部煙道噴氨水脫硫試驗研究

侯致福1,2， 高彬彬1， 高建強1， 程少偉1

(1. 華北電力大學, 河北保定 071003；2. 山西平朔煤矸石發電有限責任公司, 山西朔州 036000)

為了降低某300 MW CFB鍋爐二氧化硫排放量，設計了尾部煙道直接噴氨水脫硫系統，在機組負荷260 MW范圍內進行了鍋爐尾部煙道噴氨水脫硫試驗。結果表明：脫硫效率在26.4%～45.7%，脫硫效率隨氨水流量的增大而增大，整個系統對煙溫影響很小，引風機出口煙氣溫度最高降幅只有1.7 K，后煙道阻力也沒有明顯變化。試驗過程中未出現飛灰結塊或煙道積水的問題。

CFB鍋爐； 氨法； 脫硫

CFB鍋爐能很好地適應我國燃煤特點，在污染物排放等領域中具有較大的優勢，近年來CFB鍋爐技術在我國得到迅速發展，是我國煤電技術的重要補充[1]。大量實踐表明CFB鍋爐爐內加鈣燃燒脫硫效率可達90%以上，然而爐內脫硫效率的提高是建立在鈣硫比增大的基礎上[2]，當脫硫效率達到90%以上時鈣硫比往往達到2～3.5[3-4]，而且爐膛溫度需要維持在850～900 ℃，這不僅增加了鍋爐的運行費用以及CO2與NOx的排放量，而且還降低了鍋爐的熱效率，加劇了鍋爐受熱面的磨損。

GB 13233—2011 《火電廠大氣污染物排放標準》要求：自2014年7月起，現有鍋爐煙氣中SO2排放標準在200 mg/m3以下。這對CFB鍋爐的脫硫效率提出了更高的要求。適當提高鈣硫比、增強石灰石反應活性等方法，都存在很多局限性[5]。于是越來越多的CFB鍋爐，開始仿照煤粉爐的脫硫方法，在尾部煙道加裝二級脫硫設備以提高整體脫硫效率。

CFB鍋爐爐內石灰石脫硫成本較低，經過爐內脫硫后的煙氣SO2含量已較低，如在尾部加裝二級脫硫設備，其脫硫效率無需很高就可滿足排放要求。因此，綜合考慮CFB鍋爐的特點，研究開發系統簡單，占用空間小，以爐內石灰石為主、尾部補充脫硫手段為輔的高效CFB鍋爐脫硫技術具有重要的現實意義。

氨水是一種被廣泛應用的脫硫劑，氨水在液態條件下，與SO2發生的氣-液反應是目前世界范圍內應用最廣泛的脫硫方法之一。SO2吸收率高，反應速率快，且煙氣溫度對脫硫效率影響小[6]。氨氣對SO2也有很高的吸收效率，Shale[7]使用單一氨氣完成了小規模試驗和工業化脫硫試驗，結果顯示當氨氣與SO2的摩爾比略小于2的時候，基本可以實現對SO2的完全脫除。Pakrasi等[8]在小規模工業化試驗中，將Ca(OH)2漿液通過噴霧器噴灑，同時通入NH3，在NH3與SO2的摩爾比為2的情況下，使得單一利用Ca(OH)2漿液的脫硫效率從60%提高到95%以上，并且無明顯的氨逃逸現象。當單一噴射NH3時，其利用率接近100%。

筆者提出了一種向CFB鍋爐尾部煙道直接噴射氨水的方法，作為CFB鍋爐煙氣脫硫的補充方法，并以山西某電廠300 MW CFB鍋爐機組為研究對象，設計了尾部煙道直接噴氨水脫硫系統，并進行了試驗研究，期望提高機組的整體脫硫效率，減小SO2排放量。

1　工作原理

氨水被噴入到煙氣后，其脫硫過程可能包含氣液固三相反應，氨水中的NH4OH受熱逸出NH3，NH4OH與NH3分別與SO2發生氣-液反應與氣-氣反應；此外，其中的水分或者水蒸氣也可能與飛灰內的CaO反應生成Ca(OH)2，Ca(OH)2再與SO2發生脫除反應。主要反應如下[9]：

(1) 飛灰中CaO脫除SO2。

CaO+H2O→Ca(OH)2

(1)

Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2O

(2)

2CaSO3+O2→2CaSO4

(3)

(2) 氨脫除SO2。

2NH4OH+SO2→(NH4)2SO3+H2O

(4)

(NH4)2SO3+SO2+H2O→2NH4HSO3

(5)

2NH3+SO2+H2O→(NH4)2SO3

(6)

NH3+SO2+H2O→NH4HSO3

(7)

NH4HSO3+NH3→(NH4)2SO3

(8)

2(NH4)2SO3+O2→2(NH4)2SO4

(9)

2NH4HSO3+O2→2NH4HSO4

(10)

2NH4HSO3+O2+2NH3→2(NH4)2SO4

(11)

2　尾部煙道直接噴氨水脫硫系統

氨水噴嘴布置在除塵器之前靠近空氣預熱器出口處。采用20%質量分數氨水與工業水配制成不同濃度的稀氨水，配制好的氨水通過離心泵送至空氣預熱器出口煙道上沿，經霧化噴嘴霧化后投入煙道，反應產物隨煙氣流動，被布袋除塵器捕集(見圖1)。霧化噴嘴沿煙道高度方向呈上下兩排布置，共32只。

1—CFB鍋爐本體；2—混合罐；3—濃氨水罐；4—工業廢水罐；

3　試驗結果與分析

3.1 試驗過程及數據處理

在機組負荷穩定后，調整入爐石灰石量，將煙氣中的w(SO2)穩定在1 200 mg/m3左右，分別對煙道中的飛灰及混合罐中的氨水進行采樣，采樣完畢后開始噴氨試驗。試驗進行中每隔5 min對煙道內的飛灰進行一次采樣，待負荷開始變化后結束試驗，試驗結束5 min后對煙道中的飛灰進行采樣。

飛灰樣本通過尾部水平煙道上表面的采樣孔采集，每次采集時間為5～8 min，之后從采集的飛灰中取出2份，分別測定其CaO含量，取其平均值。氨水樣本從脫硫泵出口母管采樣口采集，采集之后分兩次測量其濃度，取其平均值。其他參數數據均從DCS數據庫中拷取，數據采樣周期為5 min。

脫硫效率為：

(12)

式中：w(SO2)為噴氨前尾部煙道處監測的SO2質量濃度的平均值，mg/m3；w′(SO2)為噴氨時或流量改變時尾部煙道處監測的SO2質量濃度，mg/m3。

3.2 噴氨脫硫試驗

噴氨脫硫試驗工況見表1。

表1　噴氨脫硫試驗工況

圖2為工況1中煙氣w(SO2)的變化曲線。在工況1中，9%的氨水以7.8 t/h的流量持續噴入25 min后，煙氣中的w(SO2)由平均1 032 mg/m3下降至560 mg/m3左右，脫硫效率為45.7%，停止噴氨后w(SO2)短暫穩定后階躍至980 mg/m3左右。

圖2　工況1中w(SO2)變化曲線

工況2、3、4為連續的噴氨過程，每一工況對氨水流量做了調整，其余參數不變。工況2中煙氣w(SO2)變化見圖3。9%的氨水以4.4 t/h的流量噴入煙道，持續噴氨31 min后，煙氣中w(SO2)由平均1 543 mg/m3降至1 084 mg/m3，脫硫效率為29.7%。

圖3　工況2中w(SO2)變化曲線

工況3中氨水流量由4.4 t/h提高至5.7 t/h，煙氣中w(SO2)由1 084 mg/m3繼續下降，25 min后下降至689 mg/m3，脫硫效率為36.4%，其質量濃度變化曲線見圖4。

圖4　工況3中w(SO2)變化曲線

當氨水流量從5.7 t/h下降至3.7 t/h后，煙氣中w(SO2)停止下降，保持將近10 min的平穩后出現階躍上升，最終停留在920 mg/m3左右，當停止噴氨后，煙氣中w(SO2)又保持了10 min左右的平穩后再次出現階躍上升趨勢，停留在1 250 mg/m3左右，從噴氨結束10 min后的數據來算其脫硫效率為26.4%，工況4中的煙氣w(SO2)變化見圖5。

圖5　工況4中w(SO2)變化曲線

氨水吸收煙氣中SO2是氣-液或氣-氣反應，包含了氣液兩相傳質、傳熱及液相內化學反應等復雜過程[10]，各工況脫硫效率見表2。

表2　各工況下脫硫效率　%

由于受煤質和給煤量的影響，w(SO2)是不斷波動的，對比各工況可知，當氨水流量增大后，脫硫效率也隨之增大。

3.3 飛灰中w(CaO)的變化

工況1中氨水的投入對飛灰中w(CaO)的影響見圖6。由圖6可見：工況1中飛灰w(CaO)由7.94%下降至噴氨水時的7.55%，停止氨水投入后，飛灰中w(CaO)上升至8.22%， 試驗期間飛灰中w(CaO)減少了0.48%。這可能是由于氨水中的水或水蒸氣與CaO發生反應生成了Ca(OH)2，Ca(OH)2可能與SO2再次發生反應[11]。

圖6　噴氨試驗前后飛灰中w(CaO)變化

3.4 試驗系統對機組運行的影響

工況1～4中引風機出口溫度和引風機出口煙氣壓力變化幅度見表3。

表3　引風機出口煙溫及煙氣壓力變化

噴氨過程中引風機出口煙氣溫度最大下降1.7 K，對排煙溫度的影響很小，無需增加煙氣再熱設備。 在引風機出力不變的情況下，引風機出口煙氣壓力幾乎沒有變化，證明該系統不增加煙道阻力，不增加引風機負荷。試驗過程中氨逃逸量小于10×10-6，未出現飛灰結塊、煙道積水等情況，系統安全性較好。

4　結語

通過以上試驗與分析，可以得出以下結論：

(1) 在機組負荷260 MW范圍內，進行了鍋爐尾部煙道噴氨水脫硫試驗，得到的最大脫硫效率為45.7%，脫硫效率隨氨水流量的增大而增大。

(2) 噴入氨水后飛灰中的w(CaO)有所降低，但變化不是很大。

(3) 該系統運行對煙氣溫度、煙氣流動阻力的影響極小，氨逃逸量較小。

[1] 蔣敏華, 黃斌. 燃煤發電技術發展展望[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(29): 1-8.

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Experimental Study on SO2Removal by Ammonia Injection into Tail Flue Duct of a 300 MW CFB Boiler

Hou Zhifu1,2, Gao Binbin1, Gao Jianqiang1, Cheng Shaowei1

(1. North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China;2. Shanxi Pingshuo Gangue-fired Power Generation Co., Ltd., Shuozhou 036000,Shanxi Province, China)

To reduce the SO2emission of a 300 MW CFB boiler, a SO2removal system is designed by directly spraying ammonia into the tail flue duct, and subsequently experimental tests are conducted at the load of 260 MW on the system. Test results show that the desulfurization efficiency lies in the range of 26.4%～45.7%, which increases with the rise of ammonia flow rate. The system has a little impact on the flue gas temperature, and the maximum drop of flue gas temperature at outlet of induced draft fan is only 1.7 K. Meanwhile, the flue resistance does not change significantly at boiler tail. During the test, no obvious accumulation of fly ash or water is observed.

CFB boiler; ammonia method; desulfurization

2015-12-23

侯致福(1986—)，男，工程師，主要從事電廠污染物控制工作。

E-mail: 306540223@qq.com

X701.3

A

1671-086X(2016)04-0250-04