循環(huán)流化床鍋爐脫硫機(jī)理與影響因素探究

楊原魁

[摘要]脫疏技術(shù)在我們的實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中扮演著十分重要的角色。循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫疏則是當(dāng)前一種有效的脫疏方法。但是，從目前實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐脫硫狀況來(lái)看，脫硫效率還比較低，排放的鍋爐煙氣中 SO2濃度高、排放量大，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。為此，本文對(duì)循環(huán)流化床鍋爐脫硫機(jī)理與影響因素進(jìn)行了探究，以期為提高此項(xiàng)技術(shù)脫疏效果提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]循環(huán)流化床;脫疏機(jī)理;脫疏技術(shù);影響因素

循環(huán)流化床脫硫是國(guó)外20世紀(jì)80年代后期開(kāi)發(fā)的一種新的脫硫技術(shù)，兼有高效除塵和煙氣凈化功能，運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。循環(huán)流化床鍋爐因其燃料適應(yīng)面廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、燃燒效率高、可通過(guò)向爐內(nèi)添加石灰石減少 SO2排放等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但是存在脫硫效率比較低、鍋爐煙氣排放出來(lái)的 SO2濃度過(guò)高等問(wèn)題。為此，有必要探討此項(xiàng)脫硫技術(shù)的脫硫影響因素。

一、循環(huán)流化床內(nèi)脫硫機(jī)理

循環(huán)流化床鍋爐脫硫是一種爐內(nèi)燃燒脫硫工藝，以石灰石為脫硫吸收劑，石油焦和石灰石自鍋爐燃燒室下部送入，一次風(fēng)從布風(fēng)板下部送入，二次風(fēng)從燃燒室中部送入。石灰石在850℃～900℃床溫下，受熱分解為氧化鈣和二氧化碳。氣流使石油焦、石灰石顆粒在燃燒室內(nèi)強(qiáng)烈擾動(dòng)形成流化床，燃料煙氣中的SO2與氧化鈣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被脫除。為了提高吸收劑的利用率，將未反應(yīng)的氧化鈣、脫硫產(chǎn)物及飛灰等送回燃燒室參與循環(huán)利用。按設(shè)計(jì)，II電站CFB鍋爐鈣硫比達(dá)到1.97時(shí)，脫硫率可達(dá)90%以上。

高硫石油焦在加熱到400℃就開(kāi)始有硫份析出，經(jīng)歷下列途徑逐步形成SO2， 即硫的燃燒過(guò)程：

S--→H2S--→HS--→SO--→SO2

硫的燃燒需要一定的時(shí)間，石油焦床內(nèi)停留時(shí)間將影響硫的燃燒完全程度，其隨時(shí)間同步增長(zhǎng)。同時(shí)床溫對(duì)硫的燃燒影響很大，硫的燃燒速率隨床溫升高呈階梯增高。

以石灰石為脫硫劑在爐膛內(nèi)受高溫煅燒發(fā)生分解反應(yīng)：

△CaCO3--→CaO + CO2 - 179 MJ/mol

上式是吸熱反應(yīng)。由于在反應(yīng)過(guò)程中分子尺寸變小，石灰石顆粒變成具有多孔結(jié)構(gòu)的CaO顆粒，在有富余氧氣時(shí)與床內(nèi)石油焦的析出硫分燃燒生成的SO2氣體發(fā)生硫酸鹽化反應(yīng)：CaO + SO2 + 1/2 O2--→CaSO4 + 500 MJ/mol

使Ca0變成CaSO4即達(dá)到脫硫目的。但是生成的CaSO4密度較低，容易堵塞石灰石的細(xì)孔，使SO2分子不能深人到多孔性石灰石顆粒內(nèi)部，所以，Ca0在脫硫反應(yīng)中只能大部分被利用。

二、影響脫硫效率的因素分析

1鈣硫比

Ca/S摩爾比是影響脫硫效率和SO2排放的首要因素，隨著Ca/S摩爾比的增大，脫硫效率提高。但研究表明，當(dāng)Ca/S摩爾比高于2.5后，繼續(xù)增大Ca/S摩爾比或脫硫劑量時(shí)，脫硫效率提高得很少。繼續(xù)增大脫硫劑量則會(huì)帶來(lái)副作用，如增加灰渣物理熱損失，影響燃燒工況，使NOx排放提高等。因此，循環(huán)流化床運(yùn)行時(shí)Ca/S摩爾比一般在1.5～2.5之間。鈣硫比與脫硫率的關(guān)系基本如圖1所示。

圖1 ?鈣硫比對(duì)脫硫效率的影響

2.運(yùn)行床溫的影響

鍋爐運(yùn)行床溫對(duì)脫硫效率影響較大， 這是由于床溫的變化直接影響脫硫反應(yīng)速度、固體產(chǎn)物的分布和孔隙堵塞特性， 所以床溫會(huì)影響脫硫反應(yīng)的進(jìn)行和脫硫劑的利用率。脫硫的最佳溫度并不是一個(gè)常數(shù)， 它與脫硫劑的品種、粒徑、煅燒條件等有關(guān)， 一般控制在 800 ℃～900 ℃之間。溫度太低時(shí)， 脫硫反應(yīng)變慢， 脫硫效率下降; 溫度太高時(shí)， CaSO4將會(huì)分解為 SO2， 也會(huì)降低脫硫效率

3.床料粒度的影響

脫硫劑和燃料的粒度以及兩者的粒徑分布對(duì)脫硫效率也有較大影響。采用較小粒徑的石灰石易使 SO2擴(kuò)散到脫硫劑核心， 其參與反應(yīng)面積增加， 有利于脫硫。但石灰石粒度太小或使用太易磨損的石灰石會(huì)增大其以飛灰形式的逃逸量， 使脫硫效率下降。

4.循環(huán)倍率

循環(huán)倍率越大，脫硫效率越高。但并不是循環(huán)倍率越高越好，實(shí)際上當(dāng)循環(huán)倍率達(dá)到一定值時(shí)再循環(huán)是沒(méi)有意義的。因?yàn)轱w灰的再循環(huán)延長(zhǎng)了石灰石在床內(nèi)的停留時(shí)間，提高了脫硫劑的利用率。但當(dāng)懸浮空間顆粒濃度>30kg/m3后，脫硫效率增加緩慢。因此循環(huán)流化床鍋爐存在一個(gè)最佳的循環(huán)倍率。循環(huán)倍率根據(jù)實(shí)際情況的不同而有所不同，通常在100～150倍之間。

5.負(fù)荷變化

循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，脫硫效率基本不變或變化不大。只有在極端情況下，如工況變動(dòng)較快、處于極端負(fù)荷時(shí)，由于床溫、氣速、流體動(dòng)力及密相區(qū)煙氣中SO2析出濃度變化較大，對(duì)脫硫效率有較大影響。

三、解決循環(huán)流化床鍋爐脫硫問(wèn)題的對(duì)策

1.加強(qiáng)爐內(nèi)脫硫技術(shù)的研究

由于循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)加鈣脫硫的影響因素較多， 對(duì)脫硫效率的影響較大， 因此， 國(guó)家應(yīng)加大這方面研究的投資力度， 并與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合， 在運(yùn)行中摸索、總結(jié)各因素與脫硫率間的關(guān)系， 簡(jiǎn)化控制因素， 不斷提高參數(shù)控制的可操作性， 從而提高脫硫效率。另外， 要獲得穩(wěn)定的脫硫效率， 必須采用適用、先進(jìn)的控制手段， 如采用 DCS 控制系統(tǒng)、安裝煙氣SO2連續(xù)監(jiān)測(cè)儀等， 以實(shí)現(xiàn)石灰石添加的自動(dòng)、準(zhǔn)確給料。除進(jìn)一步改進(jìn)鍋爐設(shè)計(jì)、提高操作的自動(dòng)化水平外， 還應(yīng)加快開(kāi)發(fā)研制新型的脫硫劑， 通過(guò)提高脫硫劑的使用效率， 降低鈣硫比， 減少添加量， 從而減輕因加入脫硫劑而對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的影響。

2.制定配套相關(guān)政策并加強(qiáng)管理和監(jiān)督

國(guó)家有關(guān)部門應(yīng)盡快制定針對(duì)鍋爐脫硫廠家運(yùn)行的有效激勵(lì)政策，使已投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐都能發(fā)揮爐內(nèi)脫硫優(yōu)勢(shì)，降低燃煤排放SO2對(duì)環(huán)境的影響。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐脫硫的管理和監(jiān)督，應(yīng)和我國(guó)目前實(shí)施的SO2總量控制結(jié)合起來(lái)。對(duì)于新建的循環(huán)流化床鍋爐，其排放量必須符合當(dāng)?shù)?SO2總量控制指標(biāo)的要求。

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