循環(huán)流化床(CFB)鍋爐是發(fā)展較快又得到廣泛應(yīng)用的清潔燃燒技術(shù)，通過向爐內(nèi)添加石灰石實(shí)現(xiàn)低SO2排放。通過控制爐膛溫度和分級燃燒，實(shí)現(xiàn)低NOx排放。由于CFB鍋爐能夠?qū)崿F(xiàn)燃料的清潔燃燒，在世界范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。

　　摘 要: CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫效率的高低受到諸多因素的影響，包括石灰石粒度分布、石灰石中CaCO3 含量、入爐煤的發(fā)熱量和含硫量、鍋爐分離器的分離效率、鍋爐的運(yùn)行參數(shù)(如床溫、總風(fēng)量)等。通過石灰石的優(yōu)選、鍋爐運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整和石灰石輸送系統(tǒng)的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)SO2的達(dá)標(biāo)排放。某300MWCFB鍋爐機(jī)組通過CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)的應(yīng)用脫硫效率達(dá)到98.9%，SO2排放值可控制在50mg/Nm3以下。

　　關(guān)鍵詞：建筑工程師職稱論文,CFB鍋爐,SO2,石灰石,脫硫

　　CFB鍋爐技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是可以通過將石灰石粉直接噴入爐膛，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫。因此，與常規(guī)煤粉鍋爐尾部煙氣脫硫(FGD)相比，脫硫系統(tǒng)相對簡單、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并且，運(yùn)行和維護(hù)成本低。國內(nèi)外的大量試驗(yàn)研究及大型CFB鍋爐實(shí)爐運(yùn)行結(jié)果均表明，CFB鍋爐通過向爐內(nèi)添加石灰石脫硫，SO2排放濃度能夠滿足美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家地區(qū)和我國國家和地方的環(huán)保要求。

　　一、CFB鍋爐脫硫原理及影響脫硫效率的因素

　　(一)CFB鍋爐脫硫原理

　　CFB鍋爐通過向爐內(nèi)直接添加脫硫劑來控制SO2排放，在流化床燃燒溫度下(通常為800～900℃)，投入爐內(nèi)的石灰石首先在高溫條件下煅燒發(fā)生分解反應(yīng)生成氧化鈣，然后氧化鈣、SO2和氧氣經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鈣，化學(xué)反應(yīng)方程式為：

　　CaCO3→CaO+CO2 (+178 kJ/mol)

　　CaO+SO2+1/2O2→CaSO4 (-500 kJ/mol)

　　CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫效率受到諸多因素的影響。包括石灰石的脫硫反應(yīng)活性、石灰石粒度分布、石灰石中CaCO3 含量、入爐煤的發(fā)熱量和含硫量、鍋爐分離器的分離效率和鍋爐的運(yùn)行參數(shù)(如床溫、總風(fēng)量)等。爐內(nèi)脫硫效率直接影響石灰石消耗量，而石灰石輸送系統(tǒng)的可靠性和出力將直接影響鍋爐的脫硫效果。因此，為了達(dá)到較高脫硫效率，需要對相關(guān)因素進(jìn)行控制、優(yōu)化。而目前很多CFB鍋爐機(jī)組相關(guān)因素控制不合理，是其難以達(dá)到較高脫硫效率的根本原因。

　　(二)CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫效果的影響因素

　　國內(nèi)外大量試驗(yàn)研究及實(shí)爐運(yùn)行結(jié)果均表明，通過爐內(nèi)脫硫，CFB鍋爐可以達(dá)到較高脫硫效率(≥90%)，SO2排放也完全可以達(dá)到環(huán)保排放要求。但是，我國目前投運(yùn)的相當(dāng)部分大型CFB鍋爐，爐內(nèi)脫硫效率較低，SO2排放不能滿足國家環(huán)保排放要求。

　　分析研究認(rèn)為，造成這一狀況的原因并不是CFB鍋爐固有的技術(shù)缺陷，而主要是由于對影響CFB鍋爐脫硫效率的相關(guān)因素控制不當(dāng)所致。概況起來，主要有四方面原因：脫硫用石灰石品質(zhì)(包括反應(yīng)活性和粒度分布等)差、鍋爐實(shí)際用煤的折算含硫量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值、鍋爐運(yùn)行參數(shù)不合理、石灰石輸送系統(tǒng)設(shè)備選型不匹配。

　　1.石灰石品質(zhì)

　　(1)石灰石活性

　　脫硫石灰石吸收劑的脫硫性能與石灰石反應(yīng)活性關(guān)系很大，而石灰石反應(yīng)活性受石灰石的成分和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)等影響。不同產(chǎn)地的石灰石在反應(yīng)活性上有很大的差別。因此，需要用科學(xué)的方法對CFB鍋爐脫硫所采用的石灰石進(jìn)行選型。

　　(2)石灰石粒度

　　石灰石的粒徑分布對爐內(nèi)脫硫效率也有重要影響。如果粒徑過小，投入鍋爐的石灰石粉未經(jīng)分離器捕集、一次通過鍋爐直接進(jìn)入尾部煙道形成飛灰的份額較多，而這部分細(xì)石灰石粉由于與煙氣接觸的時(shí)間過短，利用率偏低;如果投入鍋爐的粒度過大，大部分石灰石不能參與循環(huán)，與高SO2濃度煙氣接觸時(shí)間與接觸比表面積均較小，而且由于CaO與SO2和O2反應(yīng)生成的CaSO4體積大于CaCO3，會堵塞煙氣中SO2進(jìn)入石灰石內(nèi)部的通道，導(dǎo)致大部分石灰石未充分參與脫硫便從排渣口排出，使石灰石的利用率降低。因此，石灰石的最佳粒度分布應(yīng)確保大部分石灰石顆粒能夠參與爐內(nèi)循環(huán)，并經(jīng)多次循環(huán)利用后隨煙氣或底渣排出爐膛。

　　2.入爐煤煤質(zhì)

　　我國電廠在上項(xiàng)目時(shí)，不能對未來燃料市場做準(zhǔn)確預(yù)測。鍋爐廠和設(shè)計(jì)院根據(jù)電廠提供的設(shè)計(jì)燃料和校核燃料完成鍋爐及其輔機(jī)的設(shè)計(jì)選型。但是，電廠建成投運(yùn)后，燃用煤偏離設(shè)計(jì)值太多，導(dǎo)致鍋爐及其輔機(jī)選型不合適，不能滿足機(jī)組正常運(yùn)行和環(huán)保排放要求。

　　此外，對于某一臺實(shí)際鍋爐來說總的熱負(fù)荷是基本確定的，因此決定SO2排放濃度的是單位發(fā)熱量下的含硫量。在煤含硫量不變的情況下，入爐煤發(fā)熱量降低折算硫份增加，也會使原設(shè)計(jì)的石灰石脫硫系統(tǒng)不能滿足脫硫要求。

　　3.CFB鍋爐運(yùn)行參數(shù)

　　CFB鍋爐運(yùn)行參數(shù)對脫硫效率也有很大影響，其中，床溫的影響最為顯著。綜合考慮灰渣的燃盡、SO2脫除以及NOx排放控制等因素，循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)床溫一般選擇為850～900℃。但實(shí)際運(yùn)行中，很多CFB鍋爐運(yùn)行床溫偏離了設(shè)計(jì)值較多。如有的CFB鍋爐運(yùn)行床溫已經(jīng)接近1000℃。顯然，在此床溫情況下，實(shí)現(xiàn)高的脫硫效率較為困難。

　　4.石灰石輸送系統(tǒng)問題

　　目前，國內(nèi)相當(dāng)多的石灰石輸送系統(tǒng)在投運(yùn)后逐漸暴露出系統(tǒng)出力不足、下料不暢、堵管、磨損及設(shè)備不可靠等問題。這些問題歸根到底是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵參數(shù)選擇不合理、局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷、設(shè)備選型不合理等問題所致。

　　二、CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)工程應(yīng)用

　　某300MW機(jī)組，鍋爐采用1025t/h CFB鍋爐，鍋爐配有兩套出力為15t/h的石灰石輸送系統(tǒng)。

　　(一)鍋爐參數(shù)

　　鍋爐為中間再熱自然循環(huán)汽包爐、露天布置。鍋爐主要參數(shù)如表1所示。

　　表1 CFB鍋爐主要參數(shù)

名稱	單位	參數(shù)
額定負(fù)荷	t/h	1025
過熱蒸汽壓力	MPa	17.4
過熱蒸汽溫度 飽和蒸汽溫度	℃ ℃	540 319
再熱器進(jìn)口蒸汽壓力	MPa	3.817
再熱器出口蒸汽壓力	MPa	3.622
再熱器進(jìn)口蒸汽溫度	℃	327.7
再熱器出口蒸汽溫度	℃	540
再熱蒸汽流量	t/h	839.222
給水溫度	℃	280.6
汽包壓力	MPa	18.773
空預(yù)器型式		管式空預(yù)器
排煙溫度(修正后)	℃	131

　　(二)該廠CFB鍋爐爐內(nèi)高效脫硫技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1.入爐煤煤質(zhì)

　　電廠燃用煤質(zhì)與設(shè)計(jì)煤種的含硫量差距很大，設(shè)計(jì)煤種收到基含硫量為0.5%，現(xiàn)燃用煤種的收到基低位熱值約17 kJ/kg，平均收到基含硫量在1.26%左右，計(jì)算SO2原始排放濃度為3900mg/Nm3。

　　2.石灰石參數(shù)

　　表2 入廠石灰石現(xiàn)場取樣成分分析結(jié)果

名稱	符號	單位	數(shù)據(jù)
三氧化二鐵	Fe2O3	%	0.41
三氧化二鋁	Al2O3	%	1.44
氧化鈣	CaO	%	52.14
氧化鎂	MgO	%	2.01
二氧化鈦	TiO2	%	0.09
二氧化硅	SiO2	%	2.92
三氧化硫	SO3	%	0.07
氧化鉀	K2O	%	0.04
氧化鈉	Na2O	%	0.02
二氧化錳	MnO2	%	0.01
燒失量	/	%	37.92

　　石灰石粉粒徑d<1.143mm的占總量的90.4%;d<1.822mm的占總量的99.8%;中位徑384.0μm;綜合上述分析結(jié)果，入爐石灰石粒徑在合理的范圍內(nèi)。

　　表3石灰石脫硫特性參數(shù)

反應(yīng)時(shí)間 （min）	實(shí)測增重 （mg）	反應(yīng)能力系數(shù) k	CaO利用率 ηCaO（%）
60	13.06	59.82	17.11

　　綜合以上指標(biāo)可以得出：石灰石的脫硫性好，脫硫反應(yīng)最終可達(dá)程度高，且反應(yīng)時(shí)間為60分鐘時(shí)，CaO利用率為中等。

　　(三)爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)

　　石灰石輸送系統(tǒng)采用一級輸送，石灰石粉庫下部布置兩套石灰石給料系統(tǒng)、兩套石灰石輸送系統(tǒng)、兩套石灰石吹堵系統(tǒng)。石灰石經(jīng)給料系統(tǒng)給入輸送系統(tǒng)后，由高壓輸送風(fēng)輸送至爐，經(jīng)鍋爐的兩個(gè)回料閥進(jìn)入爐膛。石灰石的輸送量根據(jù)煙氣中SO2的濃度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)給料機(jī)的變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。

　　石灰石輸送系統(tǒng)中，沿石灰石流動方向依次布置：高壓輸送風(fēng)機(jī)、混合器、吹堵閥、主輸送管道、分配器、入爐氣動快關(guān)閥、回料閥進(jìn)料口。從石灰石粉庫到旋轉(zhuǎn)給料機(jī)依次布置：石灰石粉庫、手動薄型閘閥、伸縮節(jié)、收料倉、收料倉進(jìn)料圓頂閥、收料倉平衡閥、伸縮節(jié)、給料倉、倉給料倉進(jìn)料圓頂閥、給料倉平衡閥和旋轉(zhuǎn)給料機(jī)。石灰石輸送系統(tǒng)如圖1所示。

　　圖 1石灰石輸送系統(tǒng)運(yùn)行畫面

　　旋轉(zhuǎn)給料機(jī)出口的石灰石粉與來自于壓縮空氣系統(tǒng)的高壓風(fēng)在混合器內(nèi)混合后，進(jìn)入石灰石輸送管路，經(jīng)分配器二分為四后進(jìn)入爐后回料閥并與循環(huán)灰共同進(jìn)入鍋爐，經(jīng)煅燒分解、與爐膛中的二氧化硫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)固硫作用。

　　(四)爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)脫硫特性試驗(yàn)

　　1.工況描述

　　2013年2月該鍋爐脫硫特性試驗(yàn)，通過調(diào)整Ca/S脫硫試驗(yàn)，研究鈣硫比變化對于脫硫效率的影響。

　　試驗(yàn)期間鍋爐平均負(fù)荷890t/h，給煤量為175t/h，通過改變石灰石給料量調(diào)整Ca/S，床溫890℃。試驗(yàn)儀器如表4所示。

　　表4 試驗(yàn)儀器儀表

名稱	產(chǎn)地	規(guī)格型號
采樣探頭	德國	M+C PSP4000-H-C-T
伴熱管線	德國	M+C Type 4
前處理箱	德國	M+C PSS-10
氧分析儀	德國	M+C PMA 10
SO2分析儀	德國	NGA2000-MLT4

　　試驗(yàn)進(jìn)行前對煙氣分析儀進(jìn)行標(biāo)定。

　　2.試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖2所示。

　　表5 脫硫試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

時(shí)間	SO2排放值 （mg/Nm3）	O2（%）	床溫 （℃）
17:00	68.36	4.5	894.4
17:10	72.09	4.5	895.6
17:20	72.24	4.7	893.2
17:30	72.35	4.6	893.9
17:40	65.06	4.7	892.4
17:50	52.22	4.8	892.1
18:00	42.61	4.7	892.3
18:30	48.20	4.63	890.7
18:40	58.35	4.6	891.8
18:50	37.02	4.59	891.9
19:00	20.39	4.79	891.6
19:10	23.51	4.92	889.8
19:20	14.28	4.85	889.9
19:30	32.33	4.82	888.8
20:00	25.94	4.9	889.4
20:10	20.54	4.85	886.6
20:20	15.74	4.89	888.4
20:30	6.66	5	887
20:40	2.01	4.25	889.4
20:50	2.01	4.25	889.5
21:00	1.82	4.08	890.5

　　圖2 SO2排放值Ca/S變化趨勢圖

　　由入爐煤煤質(zhì)分析和石灰石成分分析結(jié)果計(jì)算得出：鈣硫摩爾比分別為2.37、3.09和3.66。

　　脫硫效率計(jì)算：η=Crawgas-CcleangasCrawgas×100=3900-42.33900×100=98.9

　　式中，η—脫硫效率，%;

　　Crawgas—原煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣過量空氣系數(shù)為1.4時(shí)的SO2濃度;

　　Ccleangas—凈煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣過量空氣系數(shù)為1.4時(shí)的SO2濃度。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，該CFB鍋爐爐內(nèi)高效脫硫技術(shù)應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

　　三、結(jié)論

　　CFB鍋爐采用爐內(nèi)噴鈣的脫硫方式，通過石灰石的優(yōu)選、鍋爐運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整和石灰石輸送系統(tǒng)的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)SO2的達(dá)標(biāo)排放;該電廠CFB鍋爐爐內(nèi)高效脫硫技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了SO2的達(dá)標(biāo)排放，SO2排放值低于50mg/Nm3，脫硫效率達(dá)到98.9%。

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