影響爐內(nèi)噴鈣脫硫效率的主要因素及控制

劉 鳴（華能白山煤矸石發(fā)電有限公司，吉林 白山 134300）

影響爐內(nèi)噴鈣脫硫效率的主要因素及控制

劉 鳴
（華能白山煤矸石發(fā)電有限公司，吉林 白山 134300）

結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)噴鈣脫硫的反應(yīng)機(jī)理，對(duì)影響脫硫效率的主要因素加以分析論述，并提出了有效的控制與調(diào)整措施，從而使?fàn)t內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)達(dá)到理想的脫硫效果。

循環(huán)流化床鍋爐；爐內(nèi)噴鈣；石灰石；脫硫效率

1　概述

循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)因具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、燃燒穩(wěn)定、燃燒中向爐內(nèi)添加石灰石可實(shí)現(xiàn)低成本脫硫、分級(jí)燃燒能有效減少NOx排放、灰渣易綜合利用等優(yōu)點(diǎn)在世界上得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)已成為世界上擁有循環(huán)流化床鍋爐數(shù)量最多、技術(shù)示范最多的國(guó)家，從中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，并建立了完整的設(shè)計(jì)理論體系。目前，循環(huán)流化床鍋爐已經(jīng)在600MW機(jī)組上得到了實(shí)際的應(yīng)用，在燃煤鍋爐中占據(jù)著舉足輕重的地位。

爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)是通過(guò)稀相氣力輸送系統(tǒng)將一定粒徑的石灰石粉噴射到爐內(nèi)最佳溫度區(qū)，并使石灰石粉與煙氣有良好的接觸和反應(yīng)時(shí)間。石灰石在約850℃的條件下受熱分解成CaO和CO2，再與煙氣中的SO2在O2的參與下反應(yīng)生成CaSO4。由于循環(huán)流化床鍋爐爐膛出口設(shè)有旋風(fēng)分離器，可被煙氣攜帶出去的、未完全反應(yīng)的脫硫劑大部分返回爐膛循環(huán)利用，同時(shí)，循環(huán)流化床鍋爐較低的燃燒溫度確保CaO不會(huì)被燒結(jié)，從而保證了系統(tǒng)的脫硫效率。根據(jù)鍋爐煙氣量、SO2濃度和所需達(dá)到的脫硫效率向爐膛內(nèi)計(jì)量噴入石灰石粉，而石灰石粉的噴入通過(guò)石灰石粉庫(kù)下的稀相輸送系統(tǒng)來(lái)完成。

2　脫硫反應(yīng)過(guò)程

在鍋爐燃燒過(guò)程中，爐膛內(nèi)的固體顆粒會(huì)隨著上升的氣流一起向上流動(dòng)，而固體顆粒上升速度與氣流流速之間存有一定差異，兩者之間存在的差值即為滑移速度。氣體與固體混合后的密度不但與流化速度有關(guān)，而且還與顆粒的質(zhì)量流率有關(guān)。在氣流速度一定的條件下，質(zhì)量流率越大，則床料密度越大；固體顆粒的循環(huán)量越大，則氣、固間滑移速度也越大。

當(dāng)床料密度在8～10kg/m3時(shí)，就會(huì)有不少細(xì)的顆粒團(tuán)聚成大的粒子團(tuán)。粒子團(tuán)隨著重量的增加、體積的加大，將具有較大的自由沉降速度。在一定的氣流速度下，大粒子團(tuán)將逆著氣流方向沿著爐墻向下運(yùn)動(dòng)。而這些粒子團(tuán)在沿著爐墻向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，氣、固之間產(chǎn)生較大的滑移速度，將被上升的氣流沖散成細(xì)的顆粒，再由氣流帶動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)，之后又逐漸聚集成粒子團(tuán)，再向下滑落，這種粒子團(tuán)不斷聚集、滑落、沖散、上升又再聚集的物理過(guò)程，使循環(huán)床內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的熱量和質(zhì)量交換。

由于粒子團(tuán)沿爐墻滑落和邊壁效應(yīng)，循環(huán)床中很濃的粒子團(tuán)在靠近爐壁處旋轉(zhuǎn)狀向下運(yùn)動(dòng)，相對(duì)較稀的氣固相則在爐膛中心向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的爐內(nèi)物料循環(huán)運(yùn)動(dòng)，大大強(qiáng)化了爐內(nèi)物料的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，使剛進(jìn)入爐內(nèi)的新鮮燃料和脫硫劑顆粒在瞬間被加熱到850℃的爐膛溫度，有利于石灰石在受熱分解的同時(shí)保證了石灰的活性，從而使脫硫劑和SO2的脫硫反應(yīng)能夠在整個(gè)爐膛內(nèi)和分離器內(nèi)進(jìn)行。

由于被煙氣帶出的脫硫劑細(xì)顆粒能在旋風(fēng)分離器中被分離出來(lái)并被送回爐內(nèi)再利用，因而大大延長(zhǎng)了脫硫劑的停留時(shí)間。脫硫劑在爐膛內(nèi)的內(nèi)循環(huán)和通過(guò)旋風(fēng)分離器的外循環(huán)過(guò)程中，脫硫劑的顆粒會(huì)被沖撞摩擦而暴露出新的反應(yīng)表面，而在物料循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)有著較為均勻的溫度分布，極大地改善了系統(tǒng)的脫硫效果，提高了脫硫劑的使用效率。

3　影響反應(yīng)的主要因素

影響循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫效率的因素很多，主要包括床溫、爐膛流場(chǎng)分布、石灰石品質(zhì)、鈣硫比、石灰石加料位置和石灰石輸送系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性等。

3.1床溫對(duì)脫硫效率的影響

在一定粒徑范圍內(nèi)的石灰石粉送進(jìn)爐膛后，被迅速加熱到其分解溫度，從而產(chǎn)生疏松多孔的CaO，煙氣中的SO2擴(kuò)散到CaO的表面和內(nèi)孔，CaO能夠吸收SO2并在有O2參與的條件下生成CaSO4。在鈣硫比一定的情況下，當(dāng)鍋爐床溫低于830℃時(shí)，石灰石分解后生成的CaO孔隙數(shù)少、孔徑小，反應(yīng)速率相對(duì)低下，煙氣中的SO2未能被CaO充分吸收發(fā)生反應(yīng)就被帶出爐膛，導(dǎo)致脫硫效率的降低；當(dāng)鍋爐床溫高于900℃時(shí)，CaO內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生部分燒結(jié)而減緩CaO對(duì)SO2的吸收速率，也會(huì)導(dǎo)致脫硫效率的降低。此外，已生成的CaSO4在高溫情況下會(huì)重新分解而釋放出SO2。在實(shí)際運(yùn)行中將鍋爐床溫控制為830℃～900℃時(shí)，才能夠保證鍋爐有較高的脫硫效率。

3.2爐膛流場(chǎng)分布對(duì)脫硫效率的影響

新鮮燃料進(jìn)入爐膛瞬間被加熱燃燒，進(jìn)而產(chǎn)生大量的SO2，其在爐膛內(nèi)的分布情況直接影響到SO2的分布情況。換言之，新鮮燃料的密相區(qū)即為SO2的密相區(qū)。為達(dá)到較高的脫硫效率，應(yīng)考慮新鮮吸收劑進(jìn)入爐膛后的分布情況與新鮮燃料的分布情況盡可能接近。爐內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，直接影響到爐內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，進(jìn)而影響到脫硫效率。此外，脫硫劑在爐膛內(nèi)外循環(huán)過(guò)程中，堵塞CaO孔隙的CaSO4顆粒會(huì)被沖撞摩擦，促使CaO出現(xiàn)新的反應(yīng)表面，而撞擊摩擦的程度也決定了吸收劑的利用率。

3.3石灰石品質(zhì)對(duì)脫硫效率的影響

在石灰石品質(zhì)指標(biāo)中，主要包括粒徑、水分、活性及CaCO3含量。其中CaCO3含量及活性直接影響到CaO對(duì)SO2的吸收速率，若過(guò)低則導(dǎo)致CaO參與反應(yīng)的量過(guò)小，導(dǎo)致脫硫效率偏低；石灰石所含水分會(huì)影響石灰石的物理特性，若水分過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致石灰石儲(chǔ)存和輸送過(guò)程中發(fā)生板結(jié)，甚至堵塞，影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，一般應(yīng)保證石灰石含水率不大于1%。

石灰石粒徑是影響脫硫效率的重要因素之一。較細(xì)的石灰石顆粒經(jīng)高溫分解后比表面積較大，微孔結(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)，且具有較高的反應(yīng)活性，然而其噴入爐膛后被煙氣迅速攜帶上升，且不易被旋風(fēng)分離器收集參與物料的循環(huán)，與SO2接觸時(shí)間大大縮短，降低了發(fā)生脫硫反應(yīng)的幾率；較粗的石灰石顆粒盡管反應(yīng)活性略差，比表面積較小，但其參與物料內(nèi)外循環(huán)的次數(shù)多，且長(zhǎng)時(shí)間與SO2充分接觸，石灰石利用率高。

3.4石灰石加料位置對(duì)脫硫效率的影響

石灰石加入到爐膛可選擇的加料位置有二次風(fēng)管、落煤管和回料閥。加料位置的選取要考慮到有利于石灰石粉在爐膛內(nèi)的均勻分布，并兼顧到所在區(qū)間的溫度適宜性。落煤管處加入石灰石不利于兩者的充分混合，噴入爐膛后會(huì)出現(xiàn)煤的密相區(qū)與石灰石的密相區(qū)不重疊，不利于脫硫反應(yīng)，一般不建議采用該加料位置?；亓祥y處加料由于有流化風(fēng)流化，煤和石灰石混合均勻，但此處有澆注料，對(duì)于改造項(xiàng)目而言，施工相對(duì)復(fù)雜。如果是新建項(xiàng)目，可預(yù)留好接口位置，從此處加入石灰石對(duì)于脫硫效率的保證是非常有利的。

考慮到石灰石粉加入到鍋爐的二次風(fēng)管更有利于石灰石粉的稀釋擴(kuò)散，促使石灰石粉在爐膛截面上得到良好的分布，從而與煙氣中的二氧化硫充分接觸，并在氧氣的參與下完成脫硫反應(yīng)。由于從落料管處進(jìn)入爐膛的是新鮮的煤粉，爐膛靠落料管側(cè)是SO2大量產(chǎn)生的地方，即二氧化硫的密相區(qū)，而落煤管下部的二次風(fēng)管恰好可將石灰石粉噴入到二氧化硫的密相區(qū)，在此側(cè)的二次風(fēng)管布置噴管是比較合適的。

3.5石灰石輸送穩(wěn)定性對(duì)脫硫效率的影響

石灰石輸送采用稀相輸送系統(tǒng)，為低壓連續(xù)輸送方式。系統(tǒng)主要包括石灰石系統(tǒng)、給料噴射系統(tǒng)、輸送風(fēng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。給料噴射系統(tǒng)主要包括手動(dòng)插板閥、氣動(dòng)插板閥、緩沖倉(cāng)、變頻旋轉(zhuǎn)給料機(jī)、噴射器、分配器、噴管和輸送管道，輸送風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力源采用羅茨風(fēng)機(jī)。

石灰石輸送穩(wěn)定性體現(xiàn)在石灰石下料順暢、旋轉(zhuǎn)給料機(jī)給料均勻、噴射器內(nèi)灰氣混合均勻、輸送管道內(nèi)不出現(xiàn)堵灰、堆灰現(xiàn)象、輸送風(fēng)壓力穩(wěn)定、分配器分配均勻等。如果石灰石輸送不穩(wěn)定，石灰石不能定量持續(xù)地通過(guò)噴管進(jìn)入爐膛，就會(huì)產(chǎn)生脫硫效率的波動(dòng)。

4　運(yùn)行控制與調(diào)整

國(guó)內(nèi)外相關(guān)的試驗(yàn)研究及實(shí)際的運(yùn)行結(jié)果表明，通過(guò)爐內(nèi)噴鈣進(jìn)行脫硫，CFB鍋爐可以達(dá)到較高的脫硫效率（≥90%）。造成爐內(nèi)脫硫效率偏低，SO2排放不能達(dá)標(biāo)的原因主要為鍋爐運(yùn)行參數(shù)不合理、脫硫用石灰石品質(zhì)差、鍋爐實(shí)際用煤的折算含硫量偏高、石灰石輸送系統(tǒng)設(shè)備選型不匹配等。

4.1床溫控制與調(diào)整

鍋爐在進(jìn)行爐內(nèi)噴鈣脫硫時(shí)，應(yīng)將床溫控制在830℃～900℃范圍內(nèi)，最多不超過(guò)920℃，否則會(huì)大大降低石灰石的利用率。在鍋爐運(yùn)行調(diào)整過(guò)程中，一次風(fēng)的風(fēng)量至少應(yīng)滿(mǎn)足鍋爐處于最低的流化狀態(tài)。當(dāng)床溫偏高時(shí)，應(yīng)將一次風(fēng)門(mén)的開(kāi)度加大；當(dāng)床溫偏低時(shí)，應(yīng)將一次風(fēng)門(mén)的開(kāi)度減少，當(dāng)床溫大于950℃時(shí)，應(yīng)停止給煤并加大風(fēng)量；當(dāng)床溫小于800℃時(shí)，應(yīng)加大給煤量并減少風(fēng)量。若床溫仍繼續(xù)下降，應(yīng)立即停爐查找原因，待問(wèn)題解決后再行啟動(dòng)。

床溫的控制主要是通過(guò)調(diào)整一次風(fēng)量、給煤量和循環(huán)灰量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）床溫偏高的原因及控制措施

煤質(zhì)好，熱值高，煙氣氧量低（一般控制過(guò)熱器后正常運(yùn)行時(shí)煙氣含氧量3%～5%），說(shuō)明給煤量偏大，應(yīng)將給煤量減少。如果將顆粒粒徑較大的煤集中給入爐內(nèi)，將導(dǎo)致密相區(qū)內(nèi)的燃燒份額增加，也將引起床溫的升高。此時(shí)應(yīng)將一次風(fēng)量加大、二次風(fēng)量減少，從而降低床溫。如果沒(méi)有及時(shí)排渣而導(dǎo)致料層加厚，一次風(fēng)量因此而減少也會(huì)引起床溫升高。此時(shí)應(yīng)立刻排渣，從而保證料層厚度在正常范圍內(nèi)。

（2）床溫降低的原因及控制措施

煤質(zhì)差、熱值低，煙氣氧量高，應(yīng)將給煤量加大，從而提高床溫。如果將顆粒粒徑較小的煤集中給入爐內(nèi)，將導(dǎo)致密相區(qū)的燃燒份額減少，進(jìn)而引起床溫的降低，此時(shí)應(yīng)將一次風(fēng)量減少、二次風(fēng)量加大，從而提高床溫。在鍋爐負(fù)荷不發(fā)生變化的前提下，如果煙氣含氧量變化不大，而整個(gè)爐膛溫度卻在緩慢降低，則說(shuō)明循環(huán)物料過(guò)多，此時(shí)應(yīng)放掉一定量的循環(huán)灰，從而提高床溫。

4.2石灰石粒徑控制與調(diào)整

石灰石高溫分解后的石灰粒徑在循環(huán)回路中的停留時(shí)間與石灰石的初始粒徑緊密相關(guān)。粒徑過(guò)小的石灰難以被旋風(fēng)分離器捕集，從而被煙氣攜帶并離開(kāi)循環(huán)回路成為飛灰，粒徑過(guò)大的石灰則通常以爐渣的形式由底部排出。因此，只有粒徑適中的顆?？梢栽谘h(huán)回路中獲得較長(zhǎng)的停留時(shí)間。爐內(nèi)脫硫較為理想的石灰石粒徑及分布見(jiàn)下表。

爐內(nèi)脫硫較理想的石灰石粒徑及分布表

為了達(dá)到上述粒徑石灰石和分布，通常的做法是將石灰石粗細(xì)顆粒配混后，通過(guò)氣力輸送向爐內(nèi)噴入石灰石，實(shí)現(xiàn)多種粒徑石灰石的共同給入，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)深度脫硫。密相區(qū)產(chǎn)生的SO2首先被長(zhǎng)期處于湍流狀態(tài)的CaO顆?！斑^(guò)濾”，加之二次風(fēng)的補(bǔ)入，改善了脫硫反應(yīng)條件，因此在該區(qū)域完成初級(jí)脫硫。此時(shí)殘余的SO2再與爐膛中上部具有較高反應(yīng)活性的細(xì)CaO粉接觸反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)深度脫硫。

5　結(jié)語(yǔ)

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝因具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)工作量少、占地面積小、投資和運(yùn)行成本低、不耗水、無(wú)副產(chǎn)品等諸多優(yōu)點(diǎn)，在火電廠脫硫領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)有很多爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)在一定的鈣硫比條件下運(yùn)行，脫硫效率可達(dá)到90%以上。但也有不少爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)選型不合理、設(shè)備運(yùn)行可靠性不高、運(yùn)行控制與調(diào)整不到位，導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定高效的運(yùn)行。只有通過(guò)對(duì)影響爐內(nèi)噴鈣脫硫效率的主要因素進(jìn)行深入的分析，并對(duì)這些影響因素進(jìn)行必要的控制與調(diào)整，才能使脫硫系統(tǒng)達(dá)到理想的脫硫效果。

［1］ 于樹(shù)輝.循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫的研究［J］.電力科技與環(huán)保，2010 （2）.

［2］ 李超，等.循環(huán)流化床鍋爐脫硫工藝參數(shù)優(yōu)化研究［J］.東北電力技術(shù)，2010（1）.

［3］ 李競(jìng)芨，等.循環(huán)流化床鍋爐多粒徑多流態(tài)爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)［J］.沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（4）.

Analysis and Control of Main Factors in Affecting Efficiency of Spraying Calcium Desulfurization in Boiler

LIU Ming

X701

A

1006-5377（2016）08-0036-03