中小型循環(huán)流化床鍋爐SO2超低排放技術研究及應用

洪方明

(福建省福能龍安熱電有限公司，福建 福鼎 355208)

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐(CFB鍋爐)[1-2]作為20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型高效低污染的潔凈煤燃燒技術，以獨特的流態(tài)化、物流循環(huán)燃燒實現(xiàn)高效燃燒劣質(zhì)燃料和良好煤種適應性，利用爐內(nèi)添加廉價的石灰石實現(xiàn)低成本高效脫硫，通過低溫燃燒、多級送風從根源上降低氮氧化物生成和排放。然而，隨著《火電廠大氣污染物排放標準要求》(GB 13223—2011)[3]和《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271—2014)[4]的陸續(xù)實施，國家對鍋爐大氣污染物排放要求越來越嚴，部分CFB鍋爐僅靠爐內(nèi)添加石灰石脫硫很難達標排放；尤其2014年國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、國家能源局印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》[5]和2015年環(huán)境保護部、國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》[6]，使CFB鍋爐必須增加爐外深度脫硫設施才能滿足SO2超低排放限值35 mg/m3(標態(tài)，干基，基準氧含量為6%，下同)。

在新的環(huán)保要求下，如何選擇適合的深度脫硫技術以實現(xiàn)SO2超凈排放，充分發(fā)揮CFB鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫(CFB-CDF)成本低的優(yōu)勢，成為眾多學者和工程技術人員研究的重點。孫獻斌等[7]按照煤折算硫分和揮發(fā)分的高低，分別提出CFB鍋爐深度脫硫技術方案；曾庭華等[8]通過300 MW CFB鍋爐工程實例表明石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(W-FGD)可達到比CFB-CDF更高的效率，且燃料適用性廣；辛勝偉[9]比較分析了W-FGD和煙氣循環(huán)流化床干法脫硫(CFB-FGD)的優(yōu)缺點，得出爐內(nèi)CFB-CDF+爐外CFB-FGD組合方式對鍋爐效率的影響、兩級脫硫的最佳分配比例以及成本關系；張磊等[10]針對CFB鍋爐采用CFB-CDF+CFB-FGD和CFB-CDF+W-FGD兩級脫硫組合方式，結合工程實例建立爐內(nèi)外脫硫容量分配優(yōu)化模型，對不同煤種得到最優(yōu)的爐內(nèi)外脫硫比例；張國華等[11]針對燃用不同煤種超臨界CFB鍋爐提出配備CFB-CDF+W-FGD的SO2超低排放路線；吳劍恒等[12-15]比較分析W-FGD，CFB-FGD，LIFAC(爐內(nèi)添加石灰石-尾部加濕活化法)等3種脫硫方式的優(yōu)缺點，并介紹“三爐一塔”W-FGD的設計要點和運行效果。但是，以上研究大部分是針對大型CFB鍋爐的，對小型CFB鍋爐SO2超低排放的技術路線研究較少。本文針對150 t/h CFB鍋爐SO2達到35 mg/m3超低排放要求，比較分析CFB-CDF，CFB-FGD，W-FGD以及它們兩級組合的優(yōu)缺點，并介紹CFB-CDF+W-FGD的工程實踐情況和應用效果。

1 CFB鍋爐常用脫硫方式比較分析

1.1 CFB鍋爐脫硫方式的選擇原則

在滿足SO2達標排放并留有適度裕量的基礎上，CFB鍋爐脫硫方式的選擇原則是運行穩(wěn)定可靠、脫硫率高、初投資較小、運行成本低。選擇時應綜合考慮生產(chǎn)現(xiàn)場布置的難度，燃用煤種及其含硫量變化對脫硫效率的影響，脫硫耗材易取、價低，脫硫副產(chǎn)品可全部綜合利用等因素，確保在各種鍋爐工況下均能滿足安全性最好、經(jīng)濟性最佳和污染物排放達標的要求。

1.2 CFB鍋爐脫硫方式比較分析

根據(jù)上述選擇原則，參考國內(nèi)CFB鍋爐脫硫運行成功經(jīng)驗和超低排放改造情況，實地調(diào)研浙江省、江蘇省、福建省等區(qū)域的部分中小型熱電廠CFB鍋爐脫硫方式的實際使用情況，歸納認為中小型熱電廠CFB鍋爐可選用的脫硫方式主要有爐內(nèi)添加石灰石脫硫(CFB-CDF)、煙氣循環(huán)流化床干法脫硫(CFB-FGD)、石灰石-石膏濕法脫硫(W-FGD)以及上述方法的兩級組合方式[7-26]，其優(yōu)缺點比較分析見表1。

表1 幾種CFB鍋爐主要脫硫方式比較分析表

Tab.1 Comparison and analysis table of main desulfurization methods for CFB boilers

項目名稱CFB-CDFCFB-FGDW-FGDCFB-CDF+CFB-FGDCFB-CDF+W-FGD技術成熟度非常成熟很成熟非常成熟成熟成熟應用廣泛性非常廣泛很廣泛非常廣泛較廣泛較廣泛系統(tǒng)復雜性設備較少,系統(tǒng)簡單設備較少,系統(tǒng)較簡單設備較多,系統(tǒng)較復雜設備較多,系統(tǒng)較復雜設備多,系統(tǒng)復雜占地面積較小小大中較大初投資小較小大較大大適應煤種含硫量較差。適用于低硫煤,受床溫等因素影響大較好。適用于低硫煤優(yōu)良。不受煤種含硫量限制較好。適用于中低硫煤優(yōu)良。不受煤種含硫量限制脫硫效率理論90%98%99.8%99.5%99.9%實際運行60%～85%80%～95%≥99.5%≥98.5%≥99.5%脫硫耗材種類石灰石(CaCO3)消石灰(Ca(OH)2)或生石灰(CaO)CaCO3CaCO3+Ca(OH)2或CaOCaCO3易取性資源豐富,易得由CaCO3加工生成,不易得資源豐富,易得CaCO3易得,CaO或Ca(OH)2不易得資源豐富,易得價格低廉高低廉總體較高低廉顆粒特性較粗較細很細CFB-CDF:較粗CFB-FGD:較細CFB-CDF:較粗W-FGD:很細利用率低較高非常高CFB-CDF:低CFB-FGD:較高CFB-CDF:低W-FGD:很高運行特點及經(jīng)濟性Ca/S1.5～3.01.5～2.51.01～1.08有最佳的爐內(nèi)外脫硫比例,使成本最低有最佳的爐內(nèi)外脫硫比例,使成本最低增加阻力小大較大大較大耗電量小中較大較大較大耗水量無中大中大對鍋爐受熱面腐蝕的影響可降低SO3濃度和煙氣露點,有效減緩受熱面高、低溫腐蝕基本無影響基本無影響有效減緩受熱面高溫腐蝕和低溫腐蝕有效減緩受熱面高溫腐蝕和低溫腐蝕對引風機運行的影響無影響濕灰易粘在風機葉輪上造成振動無影響濕灰易粘在風機葉輪上造成振動無影響對鍋爐運行效率的影響CaCO3吸熱分解和放熱吸收SO2,略降低鍋爐效率無影響無影響略微降低鍋爐效率,小于CFB-CDF略微降低鍋爐效率,小于CFB-CDF對煙塵排放濃度的影響增加除塵器入口煙塵濃度,除塵效率基本不變,略微增大煙塵排放濃度含Ca(OH)2煙塵循環(huán)利用,噴水降低了煙塵比電阻,略微增大煙塵排放濃度漿液洗滌,具有30%～50%除塵效率,有含水石膏排出,總體降低煙塵排放濃度增加除塵器入口煙塵濃度,增大煙塵排放濃度總體為降低煙塵排放對煙囪防腐要求很低低高低高運行成本低很高較高高。CFB-CDF生成但未完全反應的CaO,在CFB-FGD中繼續(xù)反應較高

續(xù)表1

1.3 CFB鍋爐深度脫硫方式的選擇

綜上所述，CFB鍋爐僅靠爐內(nèi)添加石灰石脫硫(CFB-CDF)或煙氣循環(huán)流化床干法脫硫(CFB-FGD)很難長期維持SO2排放濃度小于35mg/m3的超低排放標準要求[3]，尤其在燃煤含硫量發(fā)生較大變化的情況下難以實現(xiàn)SO2達標排放。借鑒國內(nèi)CFB鍋爐脫硫建設和運行經(jīng)驗，分析認為CFB-FGD運行不如W-FGD穩(wěn)定，原材料消石灰(Ca(OH)2)或生石灰(CaO)的價格偏高、運行成本也高，且存在脫硫塔“塌床”的安全隱患[27]，大多用于現(xiàn)役CFB鍋爐脫硫改造；采用石灰石-石膏濕法脫硫(W-FGD)可保證SO2達標排放，適用于新建CFB鍋爐。

綜合考慮燃煤含硫量波動、W-FGD漿液循環(huán)泵檢修以及投入低低溫省煤器后排煙溫度較低的情況，新建的3臺150t/hCFB鍋爐采用CFB-CDF+W-FGD的兩級組合脫硫方式。

2 CFB-CDF+W-FGD設計及運行情況

2.1 設計參數(shù)

3臺150t/hCFB鍋爐設計煤種為神華煙煤，校核煤種為晉北煙煤，煤質(zhì)分析見表2；石灰石粒徑不大于0.044mm，90%通過325目，石灰石成分分析如表3所示。考慮到煤種變化和煤含硫量波動，為保證SO2排放濃度穩(wěn)定達到35mg/m3限值要求，按照正常情況下不投運CFB-CDF進行W-FGD設計，此時煙氣參數(shù)見表4，W-FGD設計參數(shù)見表5。

表2 煤質(zhì)分析表

表3 石灰石成分分析表

表4 不投運CFB-CDF時的煙氣參數(shù)(標態(tài)，濕基，實際氧α=1.363)

表5 石灰石-石膏濕法脫硫(W-FGD)設計參數(shù)

2.2 建設情況

CFB-CDF采用常規(guī)設計，與W-FGD共用石灰石儲罐，見圖1。CFB-CDF利用羅茨風機加壓，通過爐膛前墻下部的兩個石灰石入口，將粉狀石灰石輸入燃燒室，與SO2反應。W-FGD采用“一爐一塔”設計方案，F(xiàn)GD塔型為噴淋塔，不設煙氣-煙氣換熱器(GGH)，不設置脫硫增壓風機。

3臺150 t/h CFB鍋爐脫硫系統(tǒng)于2017年7月20日通過72 h+24 h試運行，2018年4月17日通過環(huán)保驗收。自投運以來，環(huán)保設施高效穩(wěn)定運行，各項污染物排放濃度保持較低水平，全廠實現(xiàn)脫硫設備設施100%投運。

2.3 CFB-CDF+W-FGD運行效果

經(jīng)過兩年多的運行實踐，CFB-CDF+W-FGD總體運行效果穩(wěn)定，其中CFB-CDF的脫硫效率在50%～60%，有效降低煙氣露點，減緩低低溫省煤器的腐蝕；W-FGD的脫硫效率為96.5%～99.1%，在滿足SO2達標排放且排放濃度小于20 mg/m3的情況下，沒有追求W-FGD脫硫效率達到98%的設計要求。在不同鍋爐負荷工況、不同煤炭含硫量情況下均能滿足SO2達標超低排放(見表6、表7和圖2、圖3)，綜合脫硫效率大于99%，為中小型CFB鍋爐深度脫硫樹立標桿。

表6 不同鍋爐負荷下的脫硫裝置運行參數(shù)

Tab.6 Operating parameters of desulfurization device under different boiler loads

鍋爐負荷/t·h-1煤炭含硫量/%理論生成SO2濃度/mg·m-3W-FGD入口煙氣SO2濃度/mg·m-3SO2排放濃度/mg·m-3CFB-CDF脫硫效率/%W-FGD脫硫效率/%綜合脫硫效率/%750.49956.48440.257.3853.9798.2999.230.531034.56492.2816.0152.4296.5698.450.811581.12788.587.9250.1398.8999.500.851659.2766.5513.2353.8098.2399.200.831620.16734.126.8554.6999.0699.581150.621210.24531.267.9156.1098.5599.350.551073.6501.5611.1153.2897.7098.970.48936.96426.8912.7954.4496.9798.630.39761.28334.2512.2956.0996.4198.390.771503.04687.3616.7254.2797.5398.891500.861678.72756.588.4854.9398.8899.490.721405.44632.1514.8255.0297.6698.950.681327.36588.358.5555.6898.5799.360.571112.64512.268.0753.9698.3999.270.621210.24566.6213.4553.1897.5398.89

表7 有資質(zhì)的第三方監(jiān)測結果

3 結論和建議

(1)為滿足SO2排放濃度小于35 mg/m3的超低排放限值要求，CFB鍋爐僅靠爐內(nèi)添加石灰石脫硫(CFB-CDF)或煙氣循環(huán)流化床干法脫硫(CFB-FGD)難以實現(xiàn)。結合國內(nèi)CFB鍋爐脫硫運行成功經(jīng)驗和超低排放改造實踐，按照“運行穩(wěn)定可靠、脫硫率高、初投資省、運行成本低”的原則對CFB-CDF，CFB-FGD，W-FGD(石灰石-石膏濕法脫硫)，以及這些方法的兩級脫硫組合方式進行比較分析。為滿足SO2達標排放并留有適度裕量，建議現(xiàn)有小中型CFB鍋爐改造采用CFB-CDF+CFB-FGD組合脫硫方式，新建CFB鍋爐采用CFB-CDF+W-FGD組合脫硫方式。

(2)3臺150 t/h CFB鍋爐兩年多的運行實踐證明，CFB-CDF+W-FGD深度脫硫設施高效穩(wěn)定運行，達到了預期的效果，有效減緩低低溫省煤器的低溫腐蝕，綜合脫硫率大于99%，SO2排放濃度小于30 mg/m3，為中小型CFB鍋爐深度脫硫樹立標桿。