全煤泥循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)研究

楊曉輝

(1.兗礦集團潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 濟寧 273599；2.兗礦科技有限公司，山東 濟南 250100)

純煤泥燃燒的循環(huán)流化床鍋爐多采用異重流化床結(jié)團燃燒不排渣運行的煤水混合物流化床燃燒技術(shù)，即由密度差異較大的不同顆粒組成的流化床系統(tǒng)，密度大的顆粒趨向于在床層下部分布，而密度小的顆粒趨向于在床層上部分布，以防止大塊凝聚團在流化床內(nèi)沉積。其工作方式為：煤泥經(jīng)輸送系統(tǒng)進入爐膛內(nèi)并呈團塊狀下落，煤泥團表面水分先蒸發(fā)，外表形成硬殼；在進一步下落過程中煤泥團中的水分氣化，煤泥發(fā)生熱爆形成更小的泥團；然后再次結(jié)殼，熱爆；當煤泥團下落到底部時，煤泥團全部爆裂消失，在爐內(nèi)燃燒[1]。煤泥結(jié)團和爆裂特性是煤泥循環(huán)流化床正常燃燒的基礎(chǔ)，池涌等[2]、曾庭華等[3]、黃國權(quán)等[4]、Omar 等[5]均利用不同方式在小型流化床試驗臺上對煤泥的燃燒過程進行了研究，A.M.Grishin等[6]、尹煒迪等[7]還分別構(gòu)建了煤泥團燃燒過程的數(shù)學計算模型。但目前多側(cè)重于煤泥團個體燃燒特性研究，較少涉及連續(xù)給料工況下煤泥團對工業(yè)規(guī)模循環(huán)流化床鍋爐污染物排放特性的影響。兗礦科技有限公司在中試試驗、工業(yè)試驗的基礎(chǔ)上，重點研究了全煤泥循環(huán)流化床鍋爐SO2排放特性的不穩(wěn)定性、脫硫特性，對現(xiàn)有全煤泥循環(huán)流化床燃燒、脫硫理論進行了補充、完善。

本研究在前人豐碩研究成果的基礎(chǔ)上，以兗礦集團某公司全煤泥循環(huán)流化床鍋爐為例，重點研究了全煤泥循環(huán)流化床鍋爐SO2排放的不穩(wěn)定性、脫硫特性，對現(xiàn)有全煤泥循環(huán)流化床脫硫理論進行了補充、完善，提出降低企業(yè)脫硫運行成本等技術(shù)建議。

1 煤泥燃燒SO2排放特性

由于自固硫作用，燃煤中的硫在循環(huán)流化床運行溫度內(nèi)不能完全析出。為測定某電廠煤泥中硫在不同溫度下的析出量，在實驗室條件下，采用煤炭全硫分測定方法測量煤泥在不同溫度下硫的析出量，其值與硫含量的百分比值為硫析出所占份額。結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下煤泥中硫的析出量

由圖1可知，在400 ℃時，燃料中的硫就大量析出。隨燃燒溫度升高，煤灰中堿金屬與堿土金屬類礦物質(zhì)開始表現(xiàn)出對SO2析出的抑制作用[8]，硫的析出量減小。溫度升高到900 ℃以上時，硫的析出重新占主要作用，析出量增大，從而最終表現(xiàn)形式為800 ℃時硫的析出量最小。由于低溫時參與硫析出的燃料量較小，故低溫時硫的析出不是決定SO2排放濃度的主要因素，即在循環(huán)流化床運行溫度范圍內(nèi)，硫的析出量變化幅度較小。

在維持循環(huán)流化床鍋爐操作條件穩(wěn)定的前提下，現(xiàn)場測量分離器后部鍋爐煙氣成分，結(jié)合測量期間鍋爐DSC運行數(shù)據(jù)，可獲得SO2排放濃度與運行參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果見圖2至圖4。

圖2 爐膛溫度變化對SO2排放濃度變化的影響趨勢

圖2為爐膛溫度變化對SO2排放濃度變化的影響趨勢。由圖2可知，SO2排放濃度在600～900 kg/m3范圍內(nèi)波動。爐膛內(nèi)溫度變化與SO2排放濃度變化并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，只是在個別時間段SO2排放濃度與爐膛中部溫度、出口溫度的變化趨勢相同，特別是時間500 s附近，SO2排放濃度與爐膛中部溫度表現(xiàn)出高度相似性。500 s附近SO2排放濃度變化趨勢說明煤泥燃燒特性對硫析出的影響，熱爆導致燃燒表面積增加，使得SO2排放濃度瞬時增大；個別時間段SO2排放濃度與爐膛上部溫度變化趨勢相同，則顯示了小塊煤泥團燃燒對SO2排放濃度的重要影響，說明有一部分SO2是在爐膛上部釋放形成的，其值大小取決于小塊煤泥團所占份額的多少。

圖3 CO、SO2排放濃度隨燃燒時間的變化趨勢

圖3中500 s附近SO2、CO濃度變化進一步說明熱爆使燃燒煤泥量增加對SO2總生成量的影響，1 800 s附近的濃度變化則顯示煤泥團可燃表面積增加導致局部缺氧，使SO2生成量下降，但隨煤泥團充分燃燒，SO2排放濃度開始上揚。

圖4 一、二次風量與SO2排放濃度隨燃燒時間的變化趨勢

圖4所示為一、二次風量與SO2排放濃度隨燃燒時間的變化趨勢，由圖可以看出，一次風量與SO2排放濃度沒有明顯關(guān)系，但二次風量在個別時間段與SO2排放濃度變化表現(xiàn)出一致性，這是由于二次風的攪動作用對燃燒的促進作用增大了煤泥中硫的析出量，說明總體上煤泥燃燒仍表現(xiàn)出煤的燃燒特性。即SO2排放濃度的變化是由煤泥燃燒量的變化導致的，造成煤泥燃燒量變化的主要原因則來自于煤泥熱爆，這一點在圖3中表現(xiàn)的更為明顯。

因此，由于熱爆形成的煤泥團粒度不可控，從而使得SO2排放濃度表現(xiàn)出了較大波動性，但煤泥團瞬時累積燃燒對SO2排放濃度的影響并未得到充分體現(xiàn)，這與煤泥為單點給料且煤泥團粒徑相對較小有關(guān)。

2 石灰石有效存有量

在該鍋爐進行爐內(nèi)脫硫試驗。通過對比石灰石、飛灰、循環(huán)灰的粒度分析結(jié)果(表1)可知，加入的石灰石中有30%在飛灰粒度d(90)范圍內(nèi)。爐內(nèi)脫硫試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

表1 物料粒度分布

圖5所示為該電廠全煤泥循環(huán)流化床鍋爐與常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫工業(yè)試驗[9-11]的鈣/硫比與脫硫率關(guān)系對比。

圖5 鈣/硫比與脫硫率關(guān)系對比

由圖5可以看出，與常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐相比，全煤泥循環(huán)流化床鍋爐的脫硫率隨鈣/硫比的變化趨勢完全不同。對于常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐，脫硫率隨鈣/硫比的增大而迅速提高，當鈣/硫比高于一定值時，脫硫率的提高幅度趨緩，而本試驗中脫硫率隨鈣/硫比的增加呈現(xiàn)明顯的先升后降趨勢：在鈣/硫比為1.85時脫硫率最高，為86.4%，此時的SO2排放濃度值為163 mg/m3；鈣/硫比小于或大于1.85，脫硫率均減小，當鈣/硫比為1.24時脫硫效率為52.8%，SO2排放濃度為566 mg/m3；鈣/硫比為3.09時脫硫率為56.5%，SO2排放濃度為522 mg/m3。

圖6 不同鈣硫比條件下風室壓力變化

由圖6可知，加入的石灰石中有30%在飛灰粒度d(90)范圍內(nèi)，即有30%的石灰石隨飛灰排出爐外，剩余的70%石灰石被分離器捕集參與爐內(nèi)灰循環(huán)，使得循環(huán)灰量增加，床層質(zhì)量提高，導致床層壓力升高。為了維持床層壓力恒定，需進行排渣操作。由圖6可以看出，隨鈣/硫比的增大，風室壓力的階躍幅度增大，說明排渣頻率、排渣量隨鈣/硫比的增大而增加?，F(xiàn)場試驗過程顯示，當鈣/硫比小于1.85時，運行方式與原來相同，幾乎為不排渣運行，大于1.85后，排渣量上升明顯。顯然，排渣量的變化必然引起床料量的變化，從而導致爐內(nèi)石灰石量的變化。

與全煤泥循環(huán)流化床鍋爐相似：常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐的脫硫率與Ca/S的數(shù)學關(guān)系式[12]也存在最佳Ca/S比。與文獻[11]相比，在達到最佳Ca/S比后，本次爐內(nèi)脫硫工業(yè)試驗中，脫硫率的下降趨勢更為明顯(圖5)。將爐內(nèi)石灰石量定義為“石灰石有效存有量”，由此推測，常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐與全煤泥循環(huán)流化床鍋爐相同，決定脫硫率大小的也是“石灰石有效存有量”。Ca/S比達到一定數(shù)值后脫硫率增幅變平緩的主要原因為，由于灰平衡的關(guān)系，Ca/S比的增加已不能改變“石灰石有效存有量”，因此脫硫率保持不變。

由此可知，對于煤泥循環(huán)流化床鍋爐而言，若提高爐內(nèi)脫硫率，必須提高爐內(nèi)“石灰石有效存有量”，其方法包括優(yōu)化石灰石粒徑、減少排渣等。

3 結(jié) 論

對于全煤泥循環(huán)流化床鍋爐，在鍋爐運行溫度范圍內(nèi)，煤泥中硫的析出量變化幅度較小，導致SO2排放濃度大幅變化的主要原因是煤泥 熱爆。

導致爐內(nèi)脫硫中脫硫率隨Ca/S比增大出現(xiàn)先增大后降低現(xiàn)象的主要原因是爐內(nèi)石灰石量的變化，即實際決定脫硫率的是“石灰石有效存有量”，而不是鈣/硫比。

為提高爐內(nèi)脫硫率，關(guān)鍵在于提高爐內(nèi)“石灰石有效存有量”，需進一步優(yōu)化脫硫劑粒度分布：既要滿足稀相區(qū)脫硫反應要求，也要減少密相區(qū)排渣的影響。