循環流化床鍋爐高效爐內脫硫理論和關鍵技術

譚 波，王傳志，司 碩，劉忠攀，藍 天

(1.兗礦集團 潔凈煤技術工程研究中心，山東 濟寧 273516;2.兗礦科技有限公司，山東 濟南 250100)

0 引 言

低成本、無廢水、系統簡單的爐內脫硫技術是循環流化床鍋爐實現潔凈燃燒有效和優選途徑之一[1-3]，由于其廉價易得，石灰石作為脫硫劑廣泛應用于循環流化床燃煤鍋爐爐內脫硫，其中石灰石的加入量對脫硫效率、灰渣的二次利用[2]有直接影響。關于循環流化床爐內石灰石脫硫已有大量文獻報道[4-8]，一般認為影響爐內脫硫效率的因素眾多，包括石灰石質量、尺寸、床層溫度、氣氛、氧氣含量、加料位置、SO2濃度，Ca/S比等。由于影響因素眾多，各研究報道的鍋爐、燃料、試驗條件不同，數據分散，造成循環流化床爐內脫硫本質的不一致。作為衡量石灰石加入量的主要參數——Ca/S比，在爐內脫硫技術研究中受到廣泛關注。鄒崢等[9]在一臺35 t/h CFB鍋爐上進行的爐內脫硫工業試驗中發現，Ca/S=2.17時，石灰石在爐內停留100 min后，轉化率基本不再發生變化，脫硫效率隨Ca/S的增加明顯增大，但總體脫硫效率偏低；Ca/S=3.15時，脫硫效率僅為53.5%，這與許多CFB鍋爐爐內脫硫研究的理論和試驗結果均有較大差距。何宏舟等[10]的工業熱態爐內脫硫試驗結果顯示，脫硫效率隨Ca/S的增加而增高，Ca/S大于4.1后，脫硫效率的提高幅度變緩，并趨于一穩定值。其他一些學者的爐內脫硫試驗也得出類似結果，即脫硫效率隨Ca/S的增加而增大，當大于某一值時，脫硫效率幾乎不變[11-13]。對于不同試驗設備、試驗材料及試驗方法，脫硫效率開始趨緩對應的Ca/S值不同，但試驗結果均表明，爐內脫硫存在有一個最佳Ca/S比，Ca/S比大于該值時，脫硫效率的增加速率減緩且逐漸趨于穩定[14]，甚至下降[15]。脫硫效率與Ca/S比的負指數關系[15]可解釋脫硫效率的增加速率減緩現象，但脫硫效率的下降原因還未有合理解釋。同時，Ca/S比計算公式中不包含循環流化床大量循環物料[16]中存在的未反應石灰石，因此單純的Ca/S比不能完全反映石灰石量與脫硫效率的關系。

通過對循環流化床爐內脫硫的深入分析，本文提出“石灰石有效存有量”概念，即將循環流化床鍋爐內、外循環中大量未反應的石灰石定義為“石灰石有效存有量”，從新角度論述了決定爐內脫硫效率的本質，由此指出在實際操作中能夠提高爐內有效脫硫的關鍵技術和方法。

1 模型建立

(1)

式中，Gin為石灰石有效存有量，t；Ga為石灰石加入量，t/h；Gf為石灰石隨飛灰飛出量，t/h；Gd為石灰石隨排渣排出量，t/h；Gs為爐內硫酸鈣對應的石灰石量，t/h。

圖1 物料循環平衡示意Fig.1 Schematic diagram of the CFB material balance

Gin=G1+KG2。

(2)

鍋爐采用爐膛底部排渣方式，鍋爐排渣量為MD時，則石灰石排出量為

(3)

式(1)可寫為

(4)

圖2為石灰石有效存有量計算模型，其中，η(SO2)為脫硫效率，%；Bj為入爐燃料燃料量，t/h；Sar、Aar分別為燃料收到基的硫含量和灰分；α1、α2、α3為內循環、外循環、飛灰在灰中的占比；β1、β2、β3為內循環、外循環、隨飛灰帶出石灰石在灰總量中的占比，則

α1+α2+α3=1，

(5)

β1+β2+β3=1。

(6)

圖2 石灰石有效存有量計算模型Fig.2 Computational model of the ″effective limestone inventory mass″

為計算方便，假設入爐石灰石中CaO含量為100%，根據鈣硫比m計算公式

(7)

推出石灰石入爐量為

Ga=1.75mBjSar。

(8)

將圖2中參數代入式(1)～(4)，可得出石灰石有效存有量的計算公式為

(9)

(10)

(11)

由此推出

(12)

當n→∞，可得石灰石有效存有量的計算公式為

(13)

根據灰平衡關系建立鈣硫比m與鍋爐排渣量MD間的函數關系MD=g(m)，引入修正系數ξ調整，則有

(14)

內循環量M由爐膛內存料量與爐膛內床壓降的關系[16]計算獲得，利用文獻[16]中分離器、立管及返料器的灰量計算公式可獲得對應的灰量值，3者之和即為外循環量M2，文獻[17]給出了循環灰量Mc的計算公式，單位時間內循環次數K為循環灰量Mc與外循環量M2的比值。灰份額(α1、α2、α3)的計算公式來自于文獻[17]中相應的飛灰份額計算公式，同時飛灰份額計算公式中含碳量由相應的CaO含量代替，可獲得相應石灰石份額(β1、β2、β3)。飛灰、循環灰、底渣的CaO含量與飛灰量Mf、外循環量M2、內循環量M的積為飛灰石灰石量Gf、內循環石灰石量G1、外循環石灰石量G2。由此，可建立石灰石有效存有量計算模型，具體計算公式可參見文獻[16-17]。

2 模型計算與分析

2.1 模型計算

利用式(14)對一臺75 t/h全煤泥循環流化床鍋爐進行脫硫效率計算，并與實際脫硫效率進行比較。石灰石的加入量由Ca/S比表示，其值由式(7)計算，鍋爐相關參數為：燃料量18.5 t/h，硫含量0.58%，灰分25.08%。

由式(14)計算得到石灰石有效存有量的最大值為2.52 t，為簡化計算，令理想脫硫效率與石灰石存有量成正比，對于理論石灰石有效存有量Gin(theo)和石灰石最大有效存有量Gin(max)有

(15)

式(15)假設所有石灰石在爐內均與SO2氣體有效接觸，但實際鍋爐運行中，由于鍋爐入料方式、排渣方式等因素的影響，SO2氣體和爐內石灰石可能存在接觸不理想的情況，因此引入“氣固接觸效率”概念，即SO2氣體和爐內CaO反應時實際有效接觸的石灰石存有量和與理論石灰石存有量的比值，因此，石灰石有效存有量為氣固接觸效率ηg-s與理論石灰石有效存有量的積。因此式(15)修正為

(16)

由式(16)可預測得到脫硫效率與石灰石入爐量的關系。圖3為不同氣固接觸效率下脫硫效率與鈣硫比關系，脫硫效率的計算基礎為燃料硫析出量，脫硫效率的計算公式采用式(16)。從圖3可以看出，脫硫效率理論計算值和實際脫硫效率值隨石灰石加入量的變化趨勢相同，并與文獻[9-14] 相似，即脫硫效率隨石灰石加入量的增加而增大，當大于一定值后，脫硫效率隨石灰石的加入量增加而減小。理論計算Ca/S=1.97(石灰石加入量為0.37 t/h)時脫硫效率最大，為100%；實際Ca/S=1.85(石灰石加入量為0.35 t/h)時脫硫效率最大，為86%。Ca/S比在1.5～2.5時的理論脫硫效率在90%以上。

圖3 鈣硫比與不同氣固接觸效率的脫硫效率關系Fig.3 Variation of the desulfurization efficiency with the calcium-sulfur ratio for different gas-solid contact efficiencies

由圖3可知，由于氣固接觸效率不同，石灰石加入量相同的條件下，實際脫硫效率不同。對于75 t/h全燒煤泥鍋爐，由于其頂部加料方式，煤泥團在從爐膛頂部下落過程中，伴隨復雜的加熱干燥、熱爆破碎、凝聚結團、燃燒等過程，SO2在爐膛上部開始析出，在爐膛出口由于煤粉持續燃燒而不斷析出，一定程度上降低了其與爐內循環石灰石的有效接觸。因此，相比底部加料方式，SO2氣體與石灰石接觸效率降低，此時爐內氣固接觸效率約為85%左右。在低Ca/S(或低石灰石加入量)的情況下，由于爐內石灰石有效存有量小，氣固接觸機率降低，因而氣固接觸效率僅60%左右。在高Ca/S(或高石灰石加入量)的情況下，由于排渣量過大，造成爐內有效石灰石存有量降低，氣固接觸效率為80%～85%。結合預測的氣固接觸效率，脫硫效率的模型計算和實測值比較如圖4所示，可見兩者吻合良好，說明脫硫效率與石灰石有效存有量存在良好的相關關系，與石灰石加入量(鈣硫比)不直接相關。由此推斷，實際決定脫硫效率是“石灰石有效存有量”，而非石灰石加入量(Ca/S比)。

圖4 實際脫硫效率與計算脫硫效率對比Fig.4 Comparison of predicted and experimental measured desulfurization efficiencies

對于實際運行的循環流化床鍋爐，石灰石有效存有量與循環灰量和循環灰中的CaO含量有關。因此為便于模型，對試驗數據進行擬合處理，可得到循環灰中CaO含量X(CaO)與石灰石存有量的關系，并進一步得到試驗鍋爐脫硫效率與循環灰中CaO含量的關系式，即

η(SO2)=34.28ln(1.315X(CaO)-0.14)+
167e[-0.604(1.315X(CaO)-0.14)]。

(17)

根據式(17)得到脫硫效率與循環灰中CaO含量的關系如圖5所示。為進一步驗證其有效性，圖5同時給出40～440 t/h蒸汽容量循環流化床鍋爐實際運行循環灰CaO含量及其對應的脫硫效率(石灰石為同一廠家供應，具有相同品質)。其中，鍋爐1為75 t/h全煤泥循環流化床鍋爐，鍋爐2為440 t/h摻燒煤泥循環流化床鍋爐，鍋爐3～5為以混煤為燃料的循環流化床鍋爐，分別為160、75、40 t/h。由圖5可知，計算數據與鍋爐2現場測試結果吻合度較高，且鍋爐3～5的計算值與現場測試值相近，最大偏差小于3%。對比結果表明，在缺乏確定爐內石灰石有效存有量的情況下，通過分析循環灰樣品中的CaO含量，可預測脫硫效率，為判斷爐內石灰石脫硫有效性、脫硫石灰石活性、尺寸分布以及操作是否合理等提供簡單易行的方法，對現場實際應用具有一定的指導意義。

圖5 CaO含量與脫硫效率的關系Fig.5 Relationship between CaO content and desulfurization efficiency

上述脫硫效率與循環灰中CaO含量的關系受分離器捕捉能力等因素的影響。因此雖然式(17)對現場實際應用具有一定指導意義，但這些影響因素與本文的研究條件變化較大時，可能需要進一步修正。

2.2 脫硫效率關鍵技術

由于決定循環流化床爐內脫硫效率的主要因素是“石灰石有效存有量”，則在鍋爐實際運行中有效提高爐內“石灰石有效存有量”成為提高爐內脫硫效率的關鍵。基于建立的模型，對不同粒徑分布的石灰石脫硫效率進行分析，計算條件見表1、2，計算結果如圖6、7所示。

表1 脫硫效率85%時不同粒徑分布的計算條件

表2 內、外循環石灰石量配比

圖6 脫硫效率為85%時不同粒度石灰石加入量Fig.6 Adding amount of limestone with different particle size at 85% desulfurization efficiency

圖7 不同內、外循環石灰石量條件下的脫硫效率Fig.7 Desulfurization efficiency under different internal and external circulation limestone quantity

從圖6可以看出，脫硫效率一定時，石灰石中細粉(即處于飛灰粒徑范圍內份額)含量越多，需加入的石灰石量越大，主要原因為細粉含量越高，隨飛灰帶出的石灰石量越大，石灰石有效存有量越小，石灰石加入量越大。細粉含量大于60%時，理論計算值已遠偏離工程實際工況，說明此時無法達到85%的脫硫工況。圖7為細粉固定份額為30%，參與外循環石灰石量不同條件下的脫硫效率變化。可以看出，隨參與循環的石灰石量越多，石灰石有效存有量越大，脫硫效率越高，即在循環倍率一定的條件下，參與外循環的石灰石量越多，脫硫效率越高。

為提高爐內脫硫效率，本文建議采取以下方法：

1)合理選擇石灰石粒徑，使其最大程度處于循環灰粒徑范圍內，即在循環時能被分離器捕捉范圍內，有效提高石灰石有效存有量，提高脫硫效率。在實際應用時，建議對鍋爐飛灰、循環灰、底渣采樣并分析其粒度分布，進而調整石灰石粒度分布。在飛灰和循環灰粒度分布交叉很小時(如燃燒顆粒煤時)，石灰石粒徑分布應與循環灰粒徑分布相同或相似；循環灰粒度分布覆蓋飛灰粒度時(如燃燒煤泥時)，石灰石最小粒徑應大于飛灰最大粒徑，石灰石最大粒徑應小于底渣最小粒徑。

2)減少有效石灰石損失。根據dGin/dt=0是石灰石有效存有量達到極值的充要條件，排渣量為石灰石有效存有量的主要影響因素之一，少排、勤排、從爐膛下部排渣是減少有效石灰石量損失的關鍵。

3)改善氣固接觸。由于燃煤進料方式、位置的不同以及其他設計或操作因素的影響，爐內SO2釋放、流動影響其與循環石灰石的接觸， 因此實際鍋爐實際運行中需提高SO2與石灰石的接觸幾率，從而提高石灰石的有效性。

“脫硫效率由石灰石有效存有量決定”的脫硫理論，使根據鍋爐運行特性預測爐內脫硫最佳效果成為可能，并由此確定最佳石灰石加入量。石灰石有效存有量在實際操作過程中難以定量測量，但可通過循環灰中的活性CaO含量表征， 脫硫效率和循環灰中的活性CaO含量的關系有待進一步完善。

3 結 論

1)對循環流化床爐內石灰石脫硫進行深入分析，提出了“石灰石有效存有量”的概念，并基于灰循環平衡原理，建立了定量的數學模型。

2)模型計算及實測數據表明，實際決定循環流化床爐內脫硫效率的因素是“石灰石有效存有量”。

3)實現爐內高效脫硫的關鍵在于：① 優化石灰石粒度分布以有效提高外循環石灰石量和石灰石爐內停留時間；② 合理排渣以減少石灰石有效存有量的損失；③ 提高氣-固接觸效率以充分利用有效石灰石的活性。