中小型循環(huán)流化床鍋爐深度脫硫方式的選型與應(yīng)用

吳劍恒,俞金樹(shù),何宏舟

(1.集美大學(xué) 福建省能源清潔利用與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén) 361021; 2.福建省石獅熱電有限責(zé)任公司,福建 石獅 362700)

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中小型循環(huán)流化床鍋爐深度脫硫方式的選型與應(yīng)用

吳劍恒1,2,俞金樹(shù)2,何宏舟1

(1.集美大學(xué) 福建省能源清潔利用與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén) 361021; 2.福建省石獅熱電有限責(zé)任公司,福建 石獅 362700)

某地區(qū)為使循環(huán)流化床鍋爐的SO2排放濃度達(dá)到GB13223-2011和當(dāng)?shù)卣?00 mg/Nm3限值要求，結(jié)合福建無(wú)煙煤含硫量低的特點(diǎn)，比較分析中小型循環(huán)流化床鍋爐常用的石灰石/石膏濕法(FGD)、煙氣循環(huán)流化床干法(CFB-FGD)、爐內(nèi)噴鈣-尾部加濕活化法(LIFAC)等脫硫方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了多爐一塔濕法脫硫裝置在中小型循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用情況。

循環(huán)流化床鍋爐;深度脫硫;福建無(wú)煙煤;石灰石/石膏濕法脫硫(FGD)；SO2排放濃度

由于煤炭在燃燒過(guò)程中釋放出二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)及粉塵等污染物，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求》(GB13223-2011)根據(jù)鍋爐燃燒方式和投運(yùn)時(shí)間，要求燃煤發(fā)電鍋爐執(zhí)行SO2排放濃度為100 mg/Nm3(新建)和200 mg/Nm3(存量)的限值，而《福建省人民政府辦公廳關(guān)于2012年度主要污染物減排工作的意見(jiàn)》(閩政辦[2012]87號(hào))則要求福建省內(nèi)的所有燃煤發(fā)電鍋爐執(zhí)行SO2排放濃度為100 mg/Nm3的限值。

循環(huán)流化床是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的高效低污染的潔凈煤燃燒技術(shù)，以其低溫流化燃燒、物料反復(fù)循環(huán)、分級(jí)分段送風(fēng)等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了低成本石灰石爐內(nèi)脫硫、氮氧化物排放量降低，具有良好的煤種適應(yīng)性、優(yōu)良的環(huán)保性能、高效的劣質(zhì)燃料燃燒、優(yōu)越的調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性、較高的灰渣綜合利用價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得以迅速發(fā)展和普及，也成為了中小型熱電廠的首選爐型。

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫是一種運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)、成本最低廉的脫硫方式。由于福建無(wú)煙煤具有獨(dú)特的燃燒性質(zhì)和顆粒特性，例如碳化程度高、揮發(fā)份極低(Vdaf≤5.0%)、著火點(diǎn)高(900 ℃)、燃盡困難、熱穩(wěn)定性差、煤質(zhì)脆易爆裂、灰熔點(diǎn)低、細(xì)粉含量大、含硫量低(St,ar=0.2%～0.8%)等，使得循環(huán)流化床鍋爐床料溫度較高，爐內(nèi)添加石灰石脫硫效率在82%左右，可滿足存量電廠SO2排放濃度為200 mg/Nm3的限值要求，但難以達(dá)到當(dāng)?shù)卣囊?，尤其在原煤含硫量波?dòng)較大的情況下更不可能達(dá)到要求，所以脫硫改造勢(shì)在必行。

現(xiàn)通過(guò)對(duì)2臺(tái)2000年投運(yùn)的燃燒福建無(wú)煙煤的75 t/h循環(huán)流化床鍋爐脫硫系統(tǒng)進(jìn)行改造、1臺(tái)145 t/h循環(huán)流化床鍋爐脫硫系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，比較分析中小型循環(huán)流化床鍋爐常用的石灰石/石膏濕法(FGD)、煙氣循環(huán)流化床干法(CFB-FGD)、爐內(nèi)噴鈣-尾部加濕活化法(LIFAC)等脫硫方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹多爐一塔濕法脫硫裝置的應(yīng)用情況。

1 脫硫方式比較分析

1.1 脫硫方式的選型原則

脫硫方式及其設(shè)備的選型原則是：脫硫率高、初投資省、運(yùn)行可靠、運(yùn)行成本低。選型時(shí)應(yīng)考慮脫硫耗材的價(jià)格、煤種及其含硫量變化、脫硫副產(chǎn)品利用等因素，確保滿足最佳經(jīng)濟(jì)性和排放達(dá)標(biāo)的要求；對(duì)于現(xiàn)有鍋爐脫硫系統(tǒng)的改造，還應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)布置、占地空間的因素。

1.2 脫硫方式選型比較分析

根據(jù)以上選型原則，經(jīng)過(guò)調(diào)研江蘇、浙江等地的部分中小型熱電廠脫硫方式實(shí)際使用情況，結(jié)合福建無(wú)煙煤含硫量低的特點(diǎn)，可認(rèn)為中小型循環(huán)流化床鍋爐選用的脫硫方式主要有石灰石/石膏濕法(FGD)、煙氣循環(huán)流化床干法(CFB-FGD)、爐內(nèi)噴鈣-尾部加濕活化法(LIFAC)等，其比較分析結(jié)果如表1所示。

表1 3種主要脫硫方式的比較分析

1.3 脫硫方式選型

由表1可知，若煤種含硫量小于0.5%且穩(wěn)定，爐內(nèi)噴鈣-尾部加濕活化法(LIFAC)在投資、運(yùn)行成本方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但不能適應(yīng)煤種含硫量較大且波動(dòng)的情況，可能無(wú)法保證達(dá)到SO2排放濃度為100 mg/Nm3的限值要求，并且脫硫廢渣難以綜合利用。

從燃用福建無(wú)煙煤來(lái)看，煙氣循環(huán)流化床干法(CFB-FGD)在投資方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，但是運(yùn)行成本略高，尤其在鍋爐燃用含硫量高的煤種時(shí)是很明顯的。如果燃煤含硫量達(dá)到1%時(shí)，采用煙氣循環(huán)流化床干法(CFB-FGD)工藝則需要輔以爐內(nèi)噴鈣脫硫，即同時(shí)采用爐內(nèi)噴鈣(一級(jí))與煙氣循環(huán)流化床干法(二級(jí))，方可使煙氣中SO2濃度達(dá)到100 mg/Nm3的限值要求，并且脫硫副產(chǎn)品較難綜合利用。根據(jù)國(guó)內(nèi)同類(lèi)機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，煙氣循環(huán)流化床干法(CFB-FGD)不如石灰石濕法穩(wěn)定，并存在脫硫塔“塌床”的安全隱患。

考慮燃煤含硫量可能發(fā)生較大變化，在不采用石灰石脫硫的情況下，僅采用濕法脫硫工藝即可保證煙氣中SO2排放濃度達(dá)到100 mg/Nm3的限值要求，脫硫劑可選用石灰石(CaCO3)、氨(NH3)、氧化鎂(MgO)等。

綜合考慮脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性及副產(chǎn)品出路等因素，對(duì)1臺(tái)145 t/h循環(huán)流化床鍋爐脫硫系統(tǒng)和2臺(tái)75 t/h循環(huán)流化床鍋爐一并進(jìn)行脫硫改造，特選用石灰石/石膏濕法脫硫(FGD)，且按三爐一塔、煙塔合一的方式設(shè)計(jì)。

2 石灰石/石膏濕法脫硫(FGD)

2.1 石灰石/石膏濕法脫硫(FGD)設(shè)計(jì)參數(shù)

3臺(tái)爐設(shè)計(jì)煤種和校核煤種均采用福建無(wú)煙煤，煤質(zhì)分析結(jié)果如表2所示。石灰石粉粒徑≤0.044 mm，90%通過(guò)325目，成份分析結(jié)果如表3所示。石灰石樣的反應(yīng)活性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表2 煤質(zhì)分析結(jié)果

考慮到煤種變化和煤含硫量的波動(dòng)，為保證SO2排放濃度達(dá)到100 mg/Nm3的限值要求，按照正常情況下煤種含硫量St,ar=1.0%、極端情況下煤種含硫量St,ar=1.5%進(jìn)行設(shè)計(jì)，即FGD入口SO2排放濃度正常時(shí)為2 000 mg/Nm3、最大時(shí)為3 000 mg/Nm3。

根據(jù)火力發(fā)電廠煙氣脫硫設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程，燃煤鍋爐SO2排放計(jì)算公式可知，脫硫前的SO2排放量為

(1)

上式中，MSO2為脫硫前煙氣中的SO2含量；K為燃煤中的硫燃燒后生成SO2的份額，對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐K=0.8～0.9；Bg為鍋爐BMCR負(fù)荷時(shí)的燃煤量；ηSO2為除塵器的脫硫效率，對(duì)于靜電除塵器和布袋除塵器ηSO2=0；q4為鍋爐機(jī)械未完全燃燒的熱損失；Sar為燃煤的收到基硫份。

結(jié)合燃用福建無(wú)煙煤循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行情況，式(1)可以簡(jiǎn)化為

(2)

3臺(tái)爐合并設(shè)置1座吸收塔，吸收塔采用噴淋塔，不采用填料塔或鼓泡塔，在吸收塔前不另設(shè)置預(yù)洗滌塔，逆流布置。吸收塔漿池與塔體為一體結(jié)構(gòu)，吸收塔的吸收區(qū)直徑為8 m、高度為11 m，出口即為煙囪，即煙塔合一，總高度為80 m，設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

表3 石灰石成份分析結(jié)果

表4 石灰石樣的反應(yīng)活性試驗(yàn)結(jié)果

吸收塔入口煙道下部設(shè)置吹掃風(fēng)裝置，在入口連接煙道底表面形成一股高速氣流，防止塔內(nèi)漿液滴侵入煙道并被蒸干沉積，造成吸收塔入口干濕界面結(jié)垢堆積。其原理是通過(guò)調(diào)整導(dǎo)流葉片進(jìn)出口空間的大小而改變煙氣的流速，在吸收塔入口煙道底表面形成一股高速氣流，從而使得漿液被蒸干所形成的鈣垢和灰垢處于懸浮狀態(tài)，并將沉積下來(lái)的部分鈣垢和灰垢及時(shí)卷入吸收塔內(nèi)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，加設(shè)下部吹掃風(fēng)裝置后，吸收塔入口煙道底部形成一股高達(dá)20 m/s的高速氣流(如圖1所示)，為截面平均流速的2倍左右，將落向煙道壁的漿液滴吹回吸收塔，有效地防止了漿液滴落至煙道壁后被蒸干成垢。

2.2 石灰石/石膏濕法脫硫(FGD)運(yùn)行效果

在技術(shù)人員和脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的全力配合下，克服了無(wú)施工場(chǎng)地、建設(shè)空間小的困難，三爐一塔石灰石/石膏濕法(FGD)順利投產(chǎn)，達(dá)到了預(yù)期的效果，如圖2和圖3所示。在停運(yùn)爐內(nèi)添加石灰石進(jìn)行脫硫時(shí)，入爐煤含硫量在0.8%～1.2%，投運(yùn)3臺(tái)(設(shè)計(jì)為4臺(tái)，全部運(yùn)行)漿液循環(huán)泵，F(xiàn)GD的脫硫率大于98%，F(xiàn)GD出口SO2排放濃度小于30 mg/Nm3；當(dāng)入爐煤含硫量在0.5%～0.8%時(shí)，投運(yùn)2臺(tái)漿液循環(huán)泵，F(xiàn)GD的脫硫率大于97%，F(xiàn)GD出口SO2排放濃度小于35 mg/Nm3。

表5 石灰石/石膏濕法脫硫(FGD)設(shè)計(jì)參數(shù)

1-煙氣入口；2-下部吹掃風(fēng)裝置；3-入口連接煙道；4-吸收塔圖1 吸收塔入口煙道下部吹掃風(fēng)裝置速度分布

圖2 DCS上顯示的FGD-CEMS數(shù)據(jù)

圖3 DCS上顯示的FGD進(jìn)、出口SO2排放濃度和出口NOX排放濃度

3 結(jié) 論

1)燃用福建無(wú)煙煤的循環(huán)流化床鍋爐采用低成本石灰石爐內(nèi)脫硫方式可滿足GB13223-2011存量電廠SO2排放濃度200 mg/Nm3的限值要求，但難以達(dá)到100 mg/Nm3的限值要求。

2)綜合考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性及副產(chǎn)品出路等因素，若煤種含硫量小于0.5%且穩(wěn)定，建議選用爐內(nèi)噴鈣-尾部加濕活化法(LIFAC)；若煤種含硫量小于1.0%且穩(wěn)定，建議選用爐內(nèi)噴鈣(一級(jí))及煙氣循環(huán)流化床干法脫硫(二級(jí))；若煤種含硫量波動(dòng)較大，建議選用濕法脫硫(FGD)，脫硫劑可選用石灰石(CaCO3)、氨(NH3)、氧化鎂(MgO)等。

3)對(duì)1臺(tái)145 t/h循環(huán)流化床鍋爐和2臺(tái)75t/h循環(huán)流化床鍋爐一并進(jìn)行脫硫改造，特選用石灰石/石膏濕法(FGD)，且按三爐一塔、煙塔合一設(shè)計(jì)。運(yùn)行結(jié)果證明，石灰石/石膏濕法達(dá)到了預(yù)期的效果，脫硫率大于97%，F(xiàn)GD出口SO2排放濃度小于50 mg/Nm3。

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(責(zé)任編輯 張 凱 校對(duì) 佟金鍇)

Selection and Application on Deep Desulfurization of Small and Medium-sized Circulating Fluidized Bed Boiler

WU Jian-heng1,2，YU Jin-shu2，HE Hong-zhou1

(1.Cleaning Combustion and Energy Utilization Research Center of Fujian Province,Jimei University,Xiamen 361021;2.Fujian Shishi Heat & Power Cogeneration Co.,Ltd.,Shishi 362700,Fujian Province)

In order to meet the requirements of GB13223-2011 SO2emission concentrations and 100 mg/Nm3 local government limitation for the Circulating fluidized bed boiler,the advantages and disadvantages of some commonly used desulfurization methods for the small and medium sized CFB were compared and analyzed,such as the wet limestone/gypsum (FGD),flue gas circulating fluidized bed dry (CFB-FGD),and spraying calcium inside the furnace tail humidification activation method (LIFAC),combining with the low sulfur content of Fujian anthracite. And the application of the wet desulphurization device for multi-furnace with one tower in the small and medium sized CFB also presented in this paper.

Circulating Fluidized Bed Boiler (CFB); Deep desulfurization; Fujian anthracite; Limestone/gypsum wet FGD; SO2emission concentration

2015-04-13

吳劍恒(1975-)，男，河南西華人，高級(jí)工程師，碩士研究生。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.007

X701

A

1673-1603(2015)03-0223-06