CFB鍋爐SO2超低排放工程應(yīng)用與運(yùn)行優(yōu)化

田志娟,王鵬舉

(中國石油化工股份有限公司 洛陽分公司,河南 洛陽 471012)

循環(huán)流化床（CFB）半干法脫硫工藝具有占地面積少、投資費(fèi)用低、無脫硫廢水等優(yōu)點(diǎn)［1］，在鋼鐵燒結(jié)、垃圾焚燒、燃煤電廠等領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果［2］。經(jīng)過不斷發(fā)展，該工藝的脫硫效率有了極大提升，并發(fā)展為近年SO2超低排放改造的一項(xiàng)可靠技術(shù)［3-4］，也可應(yīng)用于同時(shí)脫硫脫硝［5］。CFB半干法脫硫效率受床層溫度、床層壓降、鈣硫比（鈣與硫的摩爾比，鈣指爐內(nèi)脫硫碳酸鈣、爐后脫硫氧化鈣中的鈣，硫指煙氣中SO2中的硫，記為Ca/S）、脫硫劑反應(yīng)活性等因素影響［6］。脫硫劑在半干狀態(tài)下進(jìn)行脫硫反應(yīng)，脫硫劑使用效率相對(duì)偏低，成本較高。某公司CFB鍋爐通過爐內(nèi)噴鈣+爐后CFB半干法二級(jí)脫硫工藝實(shí)現(xiàn)了SO2超低排放，但運(yùn)行成本高，總Ca/S達(dá)到3以上，脫硫劑月度成本近170萬元。

本工作對(duì)上述CFB鍋爐進(jìn)行了爐后CFB半干法脫硫優(yōu)化，考察了出口煙溫、床層壓降等參數(shù)對(duì)脫硫效果的影響，并從整體出發(fā)，開展了二級(jí)脫硫SO2負(fù)荷分配優(yōu)化試驗(yàn)，探索出二級(jí)脫硫經(jīng)濟(jì)性較好的運(yùn)行模式，為同行業(yè)類似裝置的優(yōu)化提供了良好的示范和調(diào)試、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

1 CFB鍋爐概況

CFB鍋爐額定負(fù)荷為310 t/h，2009年11月建成投用，由煙臺(tái)現(xiàn)代冰輪重工有限公司設(shè)計(jì)制造，為單爐膛、單汽包、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、雙高溫絕熱旋風(fēng)分離器、全鋼架M型露天布置、高溫高壓CFB鍋爐。CFB鍋爐設(shè)計(jì)燃料為100%石油焦，校核燃料為石油焦、煤摻燒。爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)隨鍋爐同步建設(shè)，設(shè)計(jì)出口SO2質(zhì)量濃度≤400 mg/m3（本文的SO2濃度均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、剩余煙氣6%（φ）O2時(shí)的數(shù)值）。為滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）［7］要求（SO2質(zhì)量濃度≤100 mg/m3），2014年建成投運(yùn)爐后CFB半干法脫硫系統(tǒng)。

2 SO2超低排放工程應(yīng)用

2.1 爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)概況

通過向爐膛噴入0~1 mm石灰石粉進(jìn)行煙氣脫硫，石灰石粉由某公司下屬脫硫劑廠生產(chǎn)，氣力輸送至爐前石灰石倉，通過12個(gè)中位風(fēng)噴嘴進(jìn)入爐膛。石灰石粉進(jìn)入燃燒區(qū)，在840~900 ℃適宜條件下受熱分解為CaO和CO2，CaO與爐膛內(nèi)的SO2和O2反應(yīng)生成CaSO4，完成爐內(nèi)脫硫反應(yīng)。系統(tǒng)共設(shè)2套石灰石給料系統(tǒng)，每套可以獨(dú)立運(yùn)行。石灰石給料系統(tǒng)流程如下：石灰石倉→插板閥→石灰石給料機(jī)→石灰石混合器→分配器→氣力輸送管→爐膛。石灰石輸送氣源分兩部分，從石灰石中間倉到石灰石倉使用管網(wǎng)工廠風(fēng)，從石灰石倉到爐膛由風(fēng)機(jī)提供輸送用風(fēng)。CFB爐內(nèi)石灰石添加系統(tǒng)見圖1。

石灰石粉添加量通過煙氣在線CEMS檢測的SO2數(shù)值和燃料消耗量確定，利用變頻調(diào)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)給料機(jī)刮板速度調(diào)節(jié)。

圖1 CFB爐內(nèi)石灰石添加系統(tǒng)

2.2 爐后CFB半干法脫硫系統(tǒng)概況

爐后脫硫采用福建龍凈環(huán)保股份有限公司自主研發(fā)的“LJD火電廠新型干法脫硫除塵一體化工藝”，2014年6月建成投運(yùn)，主要包括煙道系統(tǒng)、脫硫塔系統(tǒng)、布袋除塵器系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、吸收劑制備及供應(yīng)系統(tǒng)、脫硫灰氣力輸送及灰?guī)煜到y(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，其工藝流程見圖2。設(shè)置清潔煙氣再循環(huán)煙道，通過調(diào)節(jié)風(fēng)擋，保證脫硫塔煙氣量不低于75%設(shè)計(jì)流量，確保在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)脫硫塔內(nèi)穩(wěn)定的煙氣流速和文丘里管速，以實(shí)現(xiàn)鍋爐低負(fù)荷時(shí)脫硫裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

脫硫塔是一個(gè)有7個(gè)文丘里噴嘴的空塔結(jié)構(gòu)，主要由底部擴(kuò)散段、文丘里管段、流化直管段、頂部折流和出口段等部分組成。煙氣通過文丘里管加速，在反應(yīng)塔內(nèi)形成一個(gè)激烈湍動(dòng)的高顆粒密度床層，Ca/S可達(dá)50，SO2與Ca（OH）2的接觸概率高［8］，二者充分反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫硫。脫硫塔出口設(shè)置低壓脈沖旋轉(zhuǎn)噴吹布袋除塵器，除塵效率高、能耗低、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單，適用半干法脫硫后粉塵高濃度、高濕度且運(yùn)行溫度臨近露點(diǎn)溫度的環(huán)境特點(diǎn)。在文丘里管出口擴(kuò)管段設(shè)有一套高壓工藝水裝置，噴入霧化水降低脫硫反應(yīng)器內(nèi)的煙氣溫度，并使SO2與Ca（OH）2的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可以瞬間完成的離子型反應(yīng)。凈化煙氣經(jīng)脫硫引風(fēng)機(jī)，通過煙囪排放，排出的脫硫灰進(jìn)入脫硫灰?guī)?。脫除SO2的主要化學(xué)反應(yīng)見式（1）~（3）。

脫硫劑為粉狀CaO，采用自卸密封罐車將CaO運(yùn)輸至脫硫島內(nèi)的CaO倉。設(shè)置一套干式消化系統(tǒng)，將CaO消化為Ca（OH）2，Ca（OH）2送入脫硫塔進(jìn)行脫硫反應(yīng)。爐后脫硫設(shè)計(jì)處理煙氣量350 000 m3/h，設(shè)計(jì)入口SO2質(zhì)量濃度≤2 500 mg/m3，出口SO2質(zhì)量濃度≤50 mg/m3，脫硫率≥98%。

圖2 CFB半干法脫硫工藝流程圖

爐后脫硫裝置于2014年6月開車調(diào)試，168 h性能考核結(jié)果整體良好，各系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，出口SO2濃度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 CFB鍋爐爐后脫硫裝置考核結(jié)果

2.3 SO2超低排放情況

根據(jù)《河南省燃煤機(jī)組超低排放改造專項(xiàng)行動(dòng)方案》要求，燃煤機(jī)組要實(shí)現(xiàn)超低排放，排放標(biāo)準(zhǔn)為SO2質(zhì)量濃度≤35 mg/m3［9］。爐后脫硫裝置原設(shè)計(jì)出口SO2質(zhì)量濃度≤50 mg/m3，通過對(duì)工藝水量、Ca（OH）2添加量等進(jìn)行調(diào)整，出口SO2濃度能夠穩(wěn)定達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。2017年CFB爐的SO2排放濃度見圖3。執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)后，7~12月平均出口SO2質(zhì)量濃度為4.7 mg/m3。經(jīng)過實(shí)踐論證，CFB鍋爐爐內(nèi)噴鈣+爐后CFB半干法二級(jí)脫硫工藝應(yīng)用后，出口SO2濃度很好地滿足了超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 2017年CFB爐的SO2排放濃度

3 優(yōu)化運(yùn)行研究

3.1 爐后脫硫系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

爐后CFB半干法脫硫效率的影響因素主要包括Ca/S、CaO活性、脫硫灰循環(huán)量、床層壓降、出口煙氣溫度等。經(jīng)確認(rèn)采用的CaO滿足脫硫要求，故本文主要考察脫硫塔出口煙氣溫度、床層壓降等因素。

3.1.1 脫硫塔出口煙氣溫度優(yōu)化

研究表明，CFB半干法的脫硫率隨近絕熱飽和溫差?T（脫硫出口煙氣溫度與飽和煙氣溫度之差）的降低而單調(diào)上升［10］。對(duì)?T的控制反映在噴水量的大小上，?T越小，噴水量越大，這一方面使?jié){液蒸發(fā)慢，液相存在的時(shí)間長，脫硫劑與煙氣中SO2反應(yīng)時(shí)間長；另一方面，較高的煙氣濕度提高了干態(tài)顆粒的反應(yīng)活性［10］。

廠家設(shè)定的脫硫塔出口煙氣溫度為75~80 ℃。優(yōu)化期間，通過調(diào)整不同的脫硫塔出口煙氣溫度，確認(rèn)其對(duì)脫硫劑使用效率的影響（體現(xiàn)在Ca/S上）。脫硫塔出口煙氣溫度與Ca/S的關(guān)系見表2。由表2可知，隨著脫硫塔出口煙氣溫度的降低脫硫Ca/S顯著降低，出口煙氣溫度從79.12 ℃降至72.14 ℃時(shí)Ca/S降低了2.51，這表明脫硫塔出口煙氣溫度的降低大幅提高了脫硫劑利用率。但脫硫塔出口煙氣溫度過低，將接近煙氣露點(diǎn)，有可能帶來布袋糊袋、脫硫塔塌床、脫硫塔結(jié)灰等不良影響。綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行情況，最終將脫硫塔運(yùn)行溫度設(shè)定在70~75 ℃，實(shí)際運(yùn)行過程中一般控制在73 ℃左右。

表2 脫硫塔出口煙氣溫度與Ca-S質(zhì)量比的關(guān)系

3.1.2 脫硫塔床層壓降優(yōu)化

爐后脫硫塔運(yùn)行過程中，脫硫塔床層壓降與床層物料濃度成正比，可通過調(diào)整床層壓降控制脫硫塔內(nèi)物料濃度。廠家設(shè)定床層壓降為1.1~1.2 kPa。優(yōu)化期間，通過提高脫硫塔床層壓降，考察其對(duì)脫硫Ca/S的影響。結(jié)果表明，提高床層壓降在一定程度上能夠提高脫硫劑利用率，當(dāng)床層壓降由1.15 kPa增至1.25 kPa時(shí)，Ca/S由2.20降至1.80。但由于出現(xiàn)過脫硫塔塌床情況，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，將脫硫塔床層壓降設(shè)置在1.20 kPa。

3.1.3 脫硫劑給料設(shè)備優(yōu)化

設(shè)計(jì)爐后脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度為2500 mg/m3，兩臺(tái)Ca（OH）2給料機(jī)設(shè)計(jì)給料量分別為2.5 m3/h和5.0 m3/h。運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，Ca（OH）2消耗量偏大，出口SO2濃度長時(shí)間維持低值，甚至持續(xù)為0，導(dǎo)致脫硫劑大量浪費(fèi)。針對(duì)該情況，對(duì)2.5 m3/h Ca（OH）2給料機(jī)進(jìn)行了內(nèi)部改造，對(duì)給料機(jī)轉(zhuǎn)子間隙進(jìn)行了調(diào)整，減少給料機(jī)給料量，便于爐后脫硫系統(tǒng)高SO2負(fù)荷和低SO2負(fù)荷的靈活調(diào)整，提高脫硫劑利用率。此外，綜合平衡環(huán)保指標(biāo)與運(yùn)行成本，將出口SO2控制在15 mg/m3左右，減少脫硫劑浪費(fèi)。

3.1.4 爐后脫硫系統(tǒng)優(yōu)化效果

爐后脫硫系統(tǒng)通過運(yùn)行優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)效益顯著。在入口SO2濃度基本一致的情況下，優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。優(yōu)化前系統(tǒng)運(yùn)行存在出口煙氣溫度較高、出口SO2濃度長時(shí)間偏低、床層壓降偏低等問題；優(yōu)化后，Ca/S和運(yùn)行成本均顯著降低，Ca/S由4.45降至2.34，脫硫劑成本由2 703元/t以SO2計(jì)，下同）降至1 441元/t。

3.2 二級(jí)脫硫整體優(yōu)化

二級(jí)脫硫運(yùn)行的SO2負(fù)荷分配也影響脫硫成本，合適的負(fù)荷分配可使二級(jí)脫硫均保持在較高的脫硫效率區(qū)段，實(shí)現(xiàn)整體Ca/S最優(yōu)化，降低總脫硫劑成本。

表3 爐后脫硫系統(tǒng)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

在保證脫硫效率的基礎(chǔ)上，在其他運(yùn)行工況條件基本一致的情況下，通過調(diào)整爐后脫硫塔入口SO2濃度控制二級(jí)脫硫負(fù)荷分配，考察3種不同工況下二級(jí)脫硫運(yùn)行Ca/S的變化情況，具體數(shù)據(jù)見表4。其中工況2、工況3運(yùn)行試驗(yàn)28 d，工況1受公司運(yùn)行需求影響，試驗(yàn)11 d。由表4可知：隨著爐后脫硫塔入口SO2濃度的降低，爐內(nèi)脫硫Ca/S變化不大，均在2以下；爐后脫硫Ca/S則顯著下降，由3.23降至1.94；總Ca/S和脫硫劑成本整體也呈下降趨勢。

此外，在爐后脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度為1 710 mg/m3時(shí)，對(duì)爐后脫硫系統(tǒng)排出的脫硫灰進(jìn)行了取樣檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脫硫灰中Ca（OH）2含量高達(dá)43.3%（w），表明脫硫灰中含有大量未反應(yīng)的脫硫劑，脫硫劑利用率低。

表4 不同脫硫塔入口SO2濃度下二級(jí)脫硫的Ca/S及脫硫劑成本變化情況

綜合分析，爐后CFB半干法脫硫適于低SO2負(fù)荷下脫硫。在較高SO2負(fù)荷下，為達(dá)到脫硫效果，需大量投加脫硫劑，脫硫塔內(nèi)的物料中要始終保持較高的脫硫劑濃度，相應(yīng)的，排出的脫硫灰中脫硫劑成分含量高，導(dǎo)致脫硫劑的大量浪費(fèi)。

綜合考慮二級(jí)脫硫運(yùn)行情況、脫硫劑成本及脫硫劑利用率，并結(jié)合日常生產(chǎn)過程中爐內(nèi)噴鈣脫硫控制的實(shí)際情況，將爐后脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度調(diào)整范圍定在700~1 100 mg/m3，實(shí)際運(yùn)行過程中根據(jù)燃料含硫量變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.3 小節(jié)

經(jīng)過爐后脫硫和二級(jí)脫硫負(fù)荷分配優(yōu)化后，脫硫效率顯著提升。優(yōu)化前，Ca/S達(dá)3.14，脫硫劑成本達(dá)1 280~1 506元/t。優(yōu)化后連續(xù)運(yùn)行4個(gè)月，Ca/S為1.90~2.18，脫硫劑成本為783~890元/t，月度脫硫劑成本降低53萬元以上。

4 結(jié)論

a）CFB鍋爐應(yīng)用爐內(nèi)噴鈣+爐后CFB半干法二級(jí)脫硫工藝，出口SO2質(zhì)量濃度能夠穩(wěn)定達(dá)到不高于35 mg/m3的超低排放要求。爐內(nèi)噴鈣+爐后CFB半干法二級(jí)脫硫工藝是實(shí)現(xiàn)CFB鍋爐SO2超低排放的一種可行的技術(shù)途徑。

b）通過對(duì)爐后脫硫運(yùn)行優(yōu)化、二級(jí)脫硫負(fù)荷優(yōu)化，摸索出二級(jí)脫硫經(jīng)濟(jì)性較好的運(yùn)行模式，脫硫塔出口煙氣溫度控制在70~75 ℃、脫硫塔床層壓降控制在1.20 kPa、脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度控制在700~1 100 mg/m3。

c）優(yōu)化后，二級(jí)脫硫總Ca/S由3.14降至1.90~2.18，脫硫劑成本由1 280~1 506元/t（以SO2計(jì)）降至783~890元/t，月度脫硫劑成本降低53萬元以上。通過系統(tǒng)優(yōu)化，提高了脫硫劑利用率，降低了脫硫運(yùn)行成本。