CFB-FGD在大型燃煤電站鍋爐煙氣凈化中的應(yīng)用

王建春

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

CFB-FGD在大型燃煤電站鍋爐煙氣凈化中的應(yīng)用

王建春

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

通過循環(huán)流化床干法煙氣脫硫除塵一體化裝置在華能邯峰電廠2×660MW機組脫硫技改工程中的成功投運，詳細介紹了CFB-FGD技術(shù)的工藝特點和運行情況，為大型燃煤電站鍋爐煙氣凈化和節(jié)能環(huán)保開拓了一條全新的路線。

循環(huán)流化床;干法煙氣脫硫;脫硫除塵一體化;燃煤電站

前言

循環(huán)流化床干法煙氣脫硫工藝（CFB-FGD）是國內(nèi)外研究最多、應(yīng)用最廣、有望與濕法脫硫工藝在大型機組應(yīng)用上進行比選的一種脫硫工藝[1、2]。CFB-FGD工藝集脫硫、除塵于一體，具有占地少、電耗及水耗低、一次投資少、操作維護簡便等優(yōu)點，在中低硫煤和缺水地區(qū)，以及兼具除塵和多種污染物（多種酸性污染物如SO3、HF、HCl，重金屬如汞，二英等）治理要求的領(lǐng)域，都具有非常好的技術(shù)經(jīng)濟性[3、4]。

華能邯峰電廠2×660MW機組煙氣循環(huán)流化床干法脫硫項目是目前世界上裝機容量最大的煙氣循環(huán)流化床干法脫硫除塵一體化系統(tǒng)，同時，也是我國“十一五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目課題—600MW燃煤電站半干法脫硫除塵一體化技術(shù)與裝備（課題號：2007AA061806）的依托工程。該裝置于2008年12月順利通過“168”小時試運行，各項性能指標均優(yōu)于設(shè)計值。

華能邯峰發(fā)電廠一期工程的兩臺660MW等級燃煤發(fā)電機組是國家“九五”期間河北省最大的中外合資項目，所采用的鍋爐為2026.8t/h亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、“W”型火焰燃燒、固態(tài)排渣汽包爐，是目前世界上最大的燃燒無煙煤的電站鍋爐。華能邯峰電廠在對這兩臺機組進行脫硫改造時，考慮到采用傳統(tǒng)的石灰石/石膏濕法脫硫工藝，必須對原有的電除塵器進行大規(guī)模的改造。但由于場地緊張加上需要長時間停爐，而且原電除塵器改造需近億元的巨額費用，且存在改造后仍無法滿足排放要求的風險，改造的難度、風險非常大。因此必須因地制宜、科學合理選擇脫硫工藝方案。經(jīng)過多方論證，華能邯峰電廠決定采用“600MW燃煤電站半干法脫硫除塵一體化技術(shù)與裝備”課題所推薦的新型節(jié)能、節(jié)水型煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵一體化的工藝方案。該方案改造工期和停爐時間較短，投資費用可節(jié)省近5000萬元，每年還可降低運行成本1000多萬元，并可避免采用傳統(tǒng)的石灰石/石膏濕法脫硫工藝因煙囪防腐而造成兩臺爐同時長時間停機引起的巨大發(fā)電損失。

1 設(shè)計方案

1.1 總體方案

華能邯峰電廠2×660MW發(fā)電機組，采用循環(huán)流化床干法脫硫工藝旁路布置方式進行煙氣脫硫。該脫硫系統(tǒng)在前期氣流均布模擬（物模及CFD）實驗成功完成優(yōu)化的基礎(chǔ)上，首創(chuàng)性地采用每臺爐兩套脫硫除塵裝置，即一爐二塔工藝。旁路布置使得鍋爐和脫硫兩個系統(tǒng)互不影響，脫硫除塵系統(tǒng)可以單獨調(diào)試運行，鍋爐無需停爐。因此脫硫改造停爐時間非常短，可以利用鍋爐的小修時間進行煙氣接駁，大大減少因鍋爐停爐造成的發(fā)電損失。

另外，由于采用一爐二塔工藝，脫硫除塵島的負荷范圍能滿足鍋爐負荷在35萬～66萬kW范圍內(nèi)的變化，在鍋爐負荷調(diào)整時脫硫裝置有良好、適宜的調(diào)節(jié)特性。脫硫系統(tǒng)既可以兩套脫硫除塵裝置同時運行，滿足全負荷下全煙氣脫硫的要求，同時也允許鍋爐低負荷時單塔（即只投入一臺脫硫除塵裝置及啟運一臺脫硫引風機）脫硫運行，可節(jié)約電耗至少38.2%，實現(xiàn)大型設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求。

1.2 系統(tǒng)布置

整個脫硫除塵島布置效果見圖1，每套脫硫系統(tǒng)的吸收塔、脫硫除塵器與吸風機呈一字排列，吸收劑倉布置在每臺爐兩套脫硫系統(tǒng)之間。主要工藝設(shè)備和輔助設(shè)施圍繞脫硫塔，按工藝要求集中布置，各設(shè)備的平面和空間組合，既工作分區(qū)明確，又合理、緊湊、方便，外觀造型協(xié)調(diào)，整體性好，并與電廠其他建筑群體相協(xié)調(diào)，同時最大限度地節(jié)省了用地。

圖1 邯峰CFB-FGD系統(tǒng)布置三維效果

每臺爐兩套脫硫系統(tǒng)的生石灰倉和消石灰倉并排布置于脫硫塔旁邊，便于生石灰粉的卸車；同時生石灰倉與消石灰倉的距離較近，便于將消化出來的消石灰輸送至消石灰倉內(nèi)儲存。消石灰倉靠近吸收塔布置便于消石灰輸送進入吸收塔內(nèi)。

工藝水箱、水泵、流化風機等布置在脫硫布袋除塵器下的零米層地面上，所有的設(shè)備布置整齊、有序。兩個脫硫灰?guī)觳贾迷?＃爐脫硫除塵裝置邊上，便于脫硫灰裝車、外運。

1.3 工藝流程及原理

CFB-FGD工藝以循環(huán)流化床原理為基礎(chǔ)，采用生石灰或消石灰為脫硫劑。圖2所示為典型的循環(huán)流化床脫硫系統(tǒng)工藝流程示意圖，整套系統(tǒng)由預(yù)電除塵器（利用現(xiàn)有電除塵器作為預(yù)除塵器）、吸收劑制備及供應(yīng)系統(tǒng)、脫硫塔、脫硫灰再循環(huán)系統(tǒng)、脫硫引風機系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、脫硫后除塵器、儀表控制系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等組成。

圖2 工藝流程示意圖

鍋爐空氣預(yù)熱器出來的煙氣溫度一般為120℃～180℃，通過預(yù)除塵器后從底部進入脫硫塔，在此處高溫煙氣與加入的吸收劑、循環(huán)脫硫灰充分預(yù)混合，進行初步的脫硫反應(yīng)。

然后煙氣通過脫硫塔底部文丘里管的加速，進入循環(huán)流化床體，物料在循環(huán)流化床里，氣固兩相由于氣流的作用，產(chǎn)生激烈的湍動與混合，充分接觸，使得氣固間的滑落速度高達單顆粒滑落速度的數(shù)十倍；脫硫塔頂部結(jié)構(gòu)進一步強化了絮狀物的返回，提高了塔內(nèi)顆粒的床層密度，使得床內(nèi)的Ca/S比高達50以上。這樣的循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流機制，極大地強化了氣固間的傳質(zhì)與傳熱，為實現(xiàn)高脫硫率提供了根本的保證。

在文丘里的出口擴管段設(shè)一套噴水裝置，噴入霧化水以降低脫硫反應(yīng)器內(nèi)的煙溫至高于露點15℃左右，從而使得SO2與Ca(OH)2的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可以瞬間完成的離子型反應(yīng)。吸收劑、循環(huán)脫硫灰在文丘里段以上的塔內(nèi)進行第二步的充分反應(yīng)，生成副產(chǎn)物CaSO3·1/2H2O等。噴入的用于降低煙氣溫度的水，以激烈湍動的、擁有巨大表面積的顆粒作為載體，在塔內(nèi)得到充分的蒸發(fā)，保證了進入后續(xù)除塵器中的灰具有良好的流動狀態(tài)。

在循環(huán)流化床脫硫塔中，Ca(OH)2與煙氣中的SO2和幾乎全部的SO3、HCl、HF等，完成化學反應(yīng)，主要化學反應(yīng)方程式如下：

由于流化床中氣固間良好的傳熱、傳質(zhì)效果，SO3全部得以去除，加上排煙溫度始終控制在高于露點溫度15℃以上，因此煙氣不需要再加熱，同時整個系統(tǒng)也無須任何的防腐處理。經(jīng)除塵器捕集下來的固體顆粒，通過除塵器下的再循環(huán)系統(tǒng)，返回脫硫塔繼續(xù)參加反應(yīng)。多余的少量脫硫灰渣通過物料輸送至脫硫灰倉內(nèi)，再由罐車或二級輸送設(shè)備外排。

2 運行情況

邯峰2×660MW機組脫硫除塵裝置竣工后外觀照片如圖3所示。圖4為邯峰項目DCS畫面。

圖3 邯峰2×660MW機組脫硫除塵裝置照片

圖4 邯峰項目DCS畫面

從圖4中可以看出，在原煙氣入口SO2濃度為2175mg/m3的情況下，經(jīng)過CFB-FGD脫硫后出口凈煙氣SO2濃度降為146mg/m3，系統(tǒng)整體脫硫效率達到93.3%，同時經(jīng)布袋除塵后粉塵排放控制到了30.6mg/m3。脫硫除塵效果完全滿足設(shè)計要求，同時也滿足了國家標準規(guī)定的排放要求。

在168小時的試運過程中，設(shè)備運行穩(wěn)定，始終維持較高的脫硫除塵效率，滿足了環(huán)保要求。在穩(wěn)定持續(xù)運行接近一年之后，華能邯峰電廠請權(quán)威機構(gòu)進行了性能測試，結(jié)果顯示各指標均滿足或高于保證/設(shè)計值，顯示出優(yōu)越的性能。

3 技術(shù)特點

（1）采用優(yōu)化的煙氣循環(huán)流化床脫硫反應(yīng)塔，脫硫效率高、系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定

塔內(nèi)沒有任何運動部件和支撐桿件，操作氣速穩(wěn)定、磨損小，沒有堆積死角，設(shè)備使用壽命長、檢修方便。特別是通過進氣結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計和增加了清潔煙氣再循環(huán)裝置，無須在塔內(nèi)增加絮流圈，就可使煙氣負荷在10%～110%的變化范圍內(nèi)保證塔內(nèi)良好的氣固混合和充分接觸，而且不出現(xiàn)堆積死角。

由于設(shè)計選擇了最佳的操作氣速，使得氣固兩相流在循環(huán)流化床內(nèi)的滑落速度最大，脫硫反應(yīng)區(qū)床層密度高，顆粒在脫硫塔內(nèi)單程的平均停留時間長達40秒左右（考慮循環(huán)倍率，顆粒總的停留時間為60分鐘左右），煙氣在塔內(nèi)的氣固接觸時間長達8秒以上，使得脫硫塔內(nèi)的氣固混合、傳質(zhì)、傳熱更加充分，優(yōu)化了脫硫反應(yīng)效果，達到了較高的脫硫效率。

（2）采用大流量高壓回流式霧化水噴嘴，直接向脫硫塔內(nèi)噴水降溫，對負荷變化響應(yīng)快，保證后續(xù)布袋除塵器可靠運行

采用進口的大流量回流式霧化水噴嘴具有流量大、噴水壓力高、霧化效果好、耐磨損耐腐蝕等優(yōu)點，從高壓水泵出來的工藝水通過高壓回流式水噴嘴噴入脫硫塔內(nèi)，煙氣溫度下降到脫硫反應(yīng)器所需要的最佳溫度（高于煙氣露點溫度15℃以上）。當鍋爐負荷變化時，所需的噴水量也隨之變化，此時通過水系統(tǒng)中的回流水調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)噴入脫硫塔內(nèi)的水量，對負荷變化響應(yīng)快。噴入塔內(nèi)的水由于壓力高、霧化效果好，水分得以瞬間氣化，使得塔內(nèi)激烈湍動的固體顆粒不易黏結(jié)抱團，因此能保證后級布袋除塵器的穩(wěn)定可靠運行。

（3）操作控制簡單

整套裝置操作非常簡單，啟停快速。在鍋爐緊急投運時，脫硫系統(tǒng)可以選擇熱備或停止運行，實現(xiàn)鍋爐啟停情況下脫硫系統(tǒng)無擾運行。整套裝置的調(diào)節(jié)控制回路少，主要通過3個回路實現(xiàn)，這3個回路相互獨立，互不影響。

1） SO2排放控制：根據(jù)吸收塔入口SO2的總量，確定消石灰旋轉(zhuǎn)給料器變頻控制的頻率，然后根據(jù)脫硫塔出口的SO2濃度，校核和精確地調(diào)節(jié)消石灰粉給料量的輔助調(diào)控參數(shù)，以保證達到按要求的SO2排放濃度。

2） 溫度控制：通過對脫硫塔出口溫度的測定，控制回流噴嘴向脫硫塔內(nèi)的噴水量，以使溫度降低到設(shè)定值。脫硫系統(tǒng)停止運行時，工藝水會自動停止注入。

3） 脫硫塔的壓降控制：脫硫塔的壓降由煙氣壓降和固體顆粒壓降兩部分組成。通過調(diào)節(jié)除塵器灰斗下料進入空氣斜槽的物料量，以控制送回脫硫塔的再循環(huán)量，從而維持脫硫塔內(nèi)的固體顆粒壓降相對穩(wěn)定，保證塔內(nèi)流化床脫硫反應(yīng)所需的固體顆粒濃度。

（4）單塔處理能力大，已有大型化的應(yīng)用業(yè)績

采用一個塔內(nèi)配置7個文丘里管的結(jié)構(gòu)，單塔理論上最高可處理的煙氣量為28×105Nm3/h。配置7個文丘里單塔循環(huán)流化床脫硫系統(tǒng)已在300MW燃煤機組脫硫上得到成功應(yīng)用，并運行近4年。目前國內(nèi)企業(yè)已有單塔處理煙氣量超過25×105Nm3/h的運行業(yè)績，已接近理論的最大處理煙氣量。

（5）采用流線型的底部進氣結(jié)構(gòu)，保證了脫硫塔入口氣流分布均勻

通過對脫硫塔的入口結(jié)構(gòu)大量的氣流分布模型試驗表明：采用流線型結(jié)構(gòu)，有利于氣流塔內(nèi)徑向分布均勻，保持塔內(nèi)流化床的穩(wěn)定，在實現(xiàn)高效脫硫的同時有效減少塔底落灰，有利于脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（6）設(shè)計有清潔煙氣再循環(huán)煙道，負荷適應(yīng)性好，維持脫硫塔內(nèi)操作氣速穩(wěn)定，進一步保證了氣固兩相流場的穩(wěn)定

由于采用了清潔煙氣再循環(huán)技術(shù)，以及脫硫灰再循環(huán)等措施，可以滿足不同的鍋爐負荷要求。鍋爐負荷在35%～110%范圍內(nèi)變化時，脫硫系統(tǒng)可正常運行。在不依賴鍋爐即不引入熱煙氣的情況下，脫硫系統(tǒng)可實現(xiàn)煙氣自循環(huán)，完成系統(tǒng)靜態(tài)分布試運，從而縮短裝置調(diào)試時間。

（7）無須防腐

循環(huán)流化床脫硫塔內(nèi)具有優(yōu)良的傳質(zhì)傳熱條件，使塔內(nèi)的水分迅速蒸發(fā)，并且可脫除幾乎全部的SO3，煙氣溫度高于露點15℃左右，脫硫塔及其下游設(shè)備不會產(chǎn)生腐蝕，因此整個系統(tǒng)無需采取任何防腐措施，顯著節(jié)省投資，縮短裝置施工時間。

（8）良好的入口煙氣SO2濃度變化適應(yīng)性

當煤的含硫量或要求的脫硫效率發(fā)生變化時，無需增加任何工藝設(shè)備，僅需調(diào)節(jié)脫硫劑的耗量便可滿足更高脫硫效率的要求。

（9）脫硫副產(chǎn)物流動性好，易于處理；脫硫劑利用率高、脫硫副產(chǎn)物排放少

脫硫系統(tǒng)使用正確的注水位置，保證噴入脫硫塔內(nèi)冷卻水的充分蒸發(fā)，加上煙氣和顆粒在塔內(nèi)具有較長的接觸行程，進一步加強了冷卻水的蒸發(fā)，因此脫硫副產(chǎn)物含水率小，副產(chǎn)物流動性好，易于輸送和處理。

從吸收劑及循環(huán)物料加入口到脫硫塔煙氣出口長近40米的氣固接觸行程和塔內(nèi)長達8秒以上的氣固接觸時間，保證了塔內(nèi)充分的脫硫反應(yīng)，加上二級除塵器收集脫硫灰全部返回塔內(nèi)再循環(huán)，外排的脫硫灰數(shù)量很少，因此灰的綜合處理成本較低。

4 結(jié)語

電力能源是國民經(jīng)濟的命脈。大量燃煤引發(fā)的大氣污染是中國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)建和諧社會的主要障礙之一。華能邯峰電廠CFB-FGD系統(tǒng)的順利投運，標志著我國600MW及以上大型燃煤電站新型節(jié)能、節(jié)水型干法煙氣脫硫工藝的研制取得了成功，表明我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新能力方面已經(jīng)逐漸走到了世界前列。循環(huán)流化床干法煙氣脫硫技術(shù)完全適用于大型燃煤電站的鍋爐煙氣凈化，而且相比濕法脫硫工藝，其表現(xiàn)出的對鍋爐負荷良好的適應(yīng)性，多污染物一體化解決方案，環(huán)保節(jié)能，降低煙氣脫硫建設(shè)和運行成本，更易于處理的脫硫副產(chǎn)物等特點，為解決大型燃煤電站鍋爐煙氣凈化開拓了一條全新的路線。

[1]陶雷行，呂敬友，陳洪濤.煙氣脫硫的工藝選擇及因素分析[J].上海電力，2006，5：12-15.

[2]王鳳印，王翠蘋.循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].電力環(huán)境保護，2005，21（4）： 452-458.

[3]Sauer H., Baege R, Herden H. New Aspects of the CFB Technology for Flue Gas Cleaning[A]. [In]Power Gen Europe 2002, Milano, Italy, June 11-13,2002.

[4]Yi Jianglin, Sauer H., Leuschke F., Baege R. What is possible to achieve on flue gas cleaning using the CFB technology?[A]. [In]8th International Conference on CFB, Hangzhou, China, May 10-13, 2005. 836-843.

Application of CFB-FGD on Flue Gas Purification of 660MW Coal-fired Power Plants

WANG Jian-chun

X701

A

1006-5377（2011）06-0027-04

國家863課題“600MW燃煤電站半干法脫硫除塵一體化技術(shù)與裝備”，編號：2007AA061806。