循環流化床鍋爐脫硫系統運行現狀分析及優化途徑

孫維忠

（內蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017320）

循環流化床鍋爐是由傳統的綜合沸騰床鍋爐進一步改進而來，結合了化工行業的流化床工藝特點，使得現行流化床兼具多種優點，諸如更高的燃料利用效率、更低的污染廢氣排放量以及更加良好的泛用性。以上種種優勢令循環流化床鍋爐在我國的工業發電體系中享有較高的使用率。而在它的諸多優點中，可以在爐內進行脫硫這一項讓它成為現行治污標準下的寵兒。但僅依靠爐內脫硫不僅難以實現超低排放，而且殘余的氧化鈣會催化氮氧化物的生成，與此同時灰渣中未反應的氧化鈣會在加水過程發生放熱反應，灰渣噴濺，造成環境污染和運輸困難。因此，目前較為常見的脫硫方式是爐內噴鈣加爐外脫硫進行兩級脫硫。本文以內蒙古中煤蒙大新能源化工有限3×300t/h 高溫高壓循環流化床鍋爐超低排放改造為例，對脫硫系統存在的問題進行優化改造。

1 二氧化硫的危害

二氧化硫是燃料中可燃硫元素燃燒生成的污染性氣體。二氧化硫可以通過人體的呼吸系統進入人體內，增加呼吸器官的負擔，導致或加重人體呼吸系統的疾病。當二氧化硫氣體進入大氣中與其他的污染性氣體混合時，會對人體乃至動植物造成極大的損害。不僅如此，大量的二氧化硫排放到空氣中時還易產生酸雨等惡劣的天氣現象，造成不可估量的損失。

2 循環流化床鍋爐

循環流化床鍋爐主要包括爐膛、氣固分離器、固體燃料再循環裝置、尾部的對流煙道、過熱器、再熱器、省煤器和空氣預熱器等主要設備。除鍋爐本體外，循環流化床鍋爐還包括一些輔助運行的設備，如風機、水泵、爐灰爐渣收集處理裝置、石灰石裝置和燃料輸送裝置等。

循環流化床是指將煤炭粉碎成為8～10mm 的顆粒送入爐膛，爐膛內的大量床料在一次風的作用下呈“流化態”燃燒，通過安裝在爐膛出口處的氣固分離器對燃料煤炭進行分離處理，使未燃盡的煤炭顆粒重新返回爐膛中進行燃燒。如此反復進行循環，可以最大程度上保證煤炭的充分燃燒，降低固體燃燒熱損失。

循環流化床鍋爐設備的優點眾多，燃料適應性廣，燃燒效率高，燃燒排放污染量低，脫硫效率高，易于灰渣綜合利用等。

3 循環流化床鍋爐爐內脫硫改造

循環流化床鍋爐的爐內脫硫方式多數都采用爐內噴鈣的方式進行脫硫，利用氣力輸送的方式將粒徑小于1mm 的石灰石粉送進爐內進行煅燒，石灰石煅燒后，生成氧化鈣，氧化鈣和煙氣中的二氧化硫反應生成硫酸鈣和亞硫酸鈣，在鈣硫摩爾比達到2.5時，爐內脫硫效率大于85 %。

3.1 爐內脫硫存在問題

1）爐內石灰石至爐膛四路分配管線，彎頭處以及爐膛入口的四個支路管線經常性堵灰，由于脫硫區石灰石投料不均導致硫指標超標，而且嚴重影響清堵工作時則需要停止石灰石投入進行檢修工作。

2）系統給料量只能根據輸送壓力大致判斷，無法確認具體投入量，石灰石反應滯后。如果投入石灰石量較大，容易造成藥劑浪費，嚴重時堵管；如果投入量少，容易造成二氧化硫排放超標。而且石灰石投入量波動大對氮氧化物生成量影響也較大。

3）石灰石輸送系統沒有備用系統，一旦系統故障停運，就會造成排放超標。

3.2 改造途徑

（1）增加一套石灰石儲運系統：1座320m3石灰石粉倉、2臺給料機及相應管線，實現1臺鍋爐配置1套石灰石儲運系統，給料機一開一備。徹底解決爐內噴鈣系統無備用的問題，可以實現指標連續穩定排放。

（2）在石灰石入爐管線的彎頭前增加吹堵風，有效解決石灰石在爐前堵管的問題。

（3）爐外脫硫正常投用后，二氧化硫自動控制，石灰石定量投入，減少操作幅度和頻次，減少堵管風險和物料浪費。

3.3 改造后效果

改造完成后，爐前堵管風險基本消除，爐后脫硫自動控制投入后，爐內石灰石使用量相對平穩，物料浪費情況得以解決。特別是備用系統的增加，徹底解決此前檢維修過程造成指標超標的問題，給設備維護、檢維修更加充足的時間，消除設備帶病運行的隱患。

4 循環流化床鍋爐爐外脫硫改造

迄今為止，國內外已開發出百余種煙氣脫硫技術，其中大中型火電機組中煙氣脫硫工藝以石灰石-石膏濕法為主，另外還有少量的電廠采用氨法脫硫和循環流化床干法脫硫。

采用濕法脫硫的優點是可以降低脫硫劑的消耗量，但投資較大，運行維護費用較高。濕法脫硫工藝產物為脫硫石膏，是新的污染物，需進行處理。而且我公司在改造過程中需三臺鍋爐停爐連接煙道系統，影響化工系統的運行。

采用半干法脫硫工藝，投資較小，流程簡單、占地少、副產品可以綜合利用，而且能在很低的鈣硫比（Ca/S ＝1.1～1.3）情況下達到較高的脫硫效率，可達到90%以上。與我公司原系統相比，不增加新的副產品，三臺鍋爐采用逐臺實施方案，不影響化工運行。

因此，我公司仍采用半干法爐外脫硫的改造方式。

4.1 半干法脫硫系統組成

循環干法工藝系統主要由煙氣系統、石灰消化貯存輸送系統、脫硫灰循環系統、噴水增濕系統、流化風系統、脫硫渣輸送系統以及儀表控制系統等組成。

4.2 半干法脫硫原理

原煙氣從底部進入吸收塔，煙通過吸收塔底部的文丘里管的加速，進入循環流化床體，物料在循環流化床里，氣固兩相由于氣流的作用，產生激烈的湍動與混合，充分接觸，在上升的過程中，不斷形成團聚物向下返回，而團聚物在激烈湍動中又不斷解體重新被氣流提升，使得氣固間的滑移速度高達單顆粒滑移速度的數十倍。這樣的循環流化床內氣固兩相流機制，極大地強化了氣固間的傳質與傳熱，為實現高脫硫率提供了保證。

在文丘里的出口擴管段設一套噴水裝置，噴入霧化水以降低脫硫反應器內的煙溫，使煙溫降至高于煙氣露點20℃左右，從而使得SO2與Ca（OH）2的反應轉化為可以瞬間完成的離子型反應。吸收劑、循環脫硫灰在文丘里段以上的塔內進行第二步的充分反應，生成副產物CaSO3·1/2H2O，還與SO3、HF 和HCl 反應生成相應的副產物CaSO4·1/2H2O、CaF2、CaCl2·Ca（OH）2·2H2O 等。

煙氣在上升過程中，顆粒一部分隨煙氣被帶出吸收塔，一部分因自重重新回流到循環流化床內，進一步增加了流化床的床層顆粒濃度且延長了吸收劑的反應時間，從而有效地保證了脫硫效率。

4.3 原半干法脫硫系統存在的問題

4.3.1 煙氣流速問題

我公司原脫硫塔塔徑6.5m，即使鍋爐滿負荷運行，140℃工況煙氣計算為520 000m3/h，煙氣流速僅為4.35m/s，以鍋爐實際運行負荷60%左右的情況，煙氣流速遠低于5m/s，氣固接觸反應的激烈程度不能滿足高脫硫效率工藝要求，且脫硫塔床壓遠遠低于800～1 200Pa，塔內物料濃度不足致使噴水后灰吸潮結塊嚴重，運行控制難度大，脫硫效率低。

4.3.2 返料問題

（1）由布袋除塵器兩個灰斗各接一路徑返料斜槽后分別接入文丘里噴嘴內，實際運行發現各文丘里噴嘴流量不均勻且差值較大。

（2）返料斜槽結構不合理，無法順暢返料。

（3）吸收塔下部落灰嚴重，現場漏粉嚴重。

4.4 半干法脫硫系統優化改造途徑

（1）新建3臺脫硫塔，塔徑5.52m，塔高38m，流速5.5m，停留時間6s。鍋爐額定負荷煙氣量時流速達到6m/s。當鍋爐60%負荷運行時，采用煙氣循環確保流速在5m/s 以上。塔內噴槍采用單個高壓霧化噴槍，噴嘴引進國外技術產品，噴頭材料為316L，既耐腐蝕，又耐磨蝕，噴槍噴射壓力控制在3.5MPa左右，保證霧滴粒徑＜200μm，噴槍由原來的四支改為一支。

（2）采用七支文丘里排列結構。

（3）在塔底設置雙軸螺旋清灰裝置。

（4）更換新的空氣斜槽返料系統設備。

（5）脫硫劑制備改造

增加一套生石灰消化系統，含1座300m3的生石灰倉，實現與現有消化系統互為備用。

（6）增加煙氣循環系統，增加煙氣再循環管道，煙氣量按照35%考慮，確保鍋爐負荷在60%時，脫硫塔仍能高效運行。

4.5 改造后運行情況

脫硫塔改造后，鍋爐負荷在160t/h 時，將煙氣再循環擋板開30%左右，濕煙氣流量可維持在350 000～400 000m3/h，脫硫塔床壓達到2 000～2 200Pa。脫硫塔出口溫度控制在75～79℃時，二氧化硫含量可以從1 500mg/m3降低至0.7mg/m3，遠遠低于35mg/m3的標準。此外，脫硫塔底排灰機啟動后也無積灰排出，偶爾會放出少量灰塊，而且運行穩定，原脫硫塔運行過程存在的問題全部得以解決。

爐外脫硫的正式投用，爐內噴改量大幅下降，目前測算石灰石使用量下降50%以上，鈣硫摩爾比不大于1.6，并且解決了石灰石催化氮氧化物和濕灰、濕渣困難的問題。

5 結語

在嚴峻的環保壓力和經濟運行形勢下，各生產企業存在煙氣脫硫任務重、運行成本高等問題。半干法脫硫具有投資較小、流程簡單、占地少、副產品可以綜合利用等優勢，但如果工藝和設備選擇不合理，會在運行中出現諸如脫硫效率低，操作控制難度大以及漏灰嚴重等問題。因此，在新建或改造半干法脫硫系統時，必須要進行詳細的前期計算和設計，選擇適合的脫硫塔和工藝路線，不僅可以達標排放，也可降低運行成本。