循环流化床(CFB)锅炉是发展较快又得到广泛应用的清洁燃烧技术，通过向炉内添加石灰石实现低SO2排放。通过控制炉膛温度和分级燃烧，实现低NOx排放。由于CFB锅炉能够实现燃料的清洁燃烧，在世界范围内得到快速发展。
摘 要: CFB锅炉炉内脱硫效率的高低受到诸多因素的影响，包括石灰石粒度分布、石灰石中CaCO3 含量、入炉煤的发热量和含硫量、锅炉分离器的分离效率、锅炉的运行参数(如床温、总风量)等。通过石灰石的优选、锅炉运行参数的调整和石灰石输送系统的优化，能够实现SO2的达标排放。某300MWCFB锅炉机组通过CFB锅炉炉内脱硫技术的应用脱硫效率达到98.9%，SO2排放值可控制在50mg/Nm3以下。
关键词：建筑工程师职称论文,CFB锅炉,SO2,石灰石,脱硫
CFB锅炉技术的一大优点是可以通过将石灰石粉直接喷入炉膛，实现炉内脱硫。因此，与常规煤粉锅炉尾部烟气脱硫(FGD)相比，脱硫系统相对简单、系统运行稳定可靠，并且，运行和维护成本低。国内外的大量试验研究及大型CFB锅炉实炉运行结果均表明，CFB锅炉通过向炉内添加石灰石脱硫，SO2排放浓度能够满足美国、欧盟、日本等发达国家地区和我国国家和地方的环保要求。
一、CFB锅炉脱硫原理及影响脱硫效率的因素
(一)CFB锅炉脱硫原理
CFB锅炉通过向炉内直接添加脱硫剂来控制SO2排放，在流化床燃烧温度下(通常为800～900℃)，投入炉内的石灰石首先在高温条件下煅烧发生分解反应生成氧化钙，然后氧化钙、SO2和氧气经过化学反应生成硫酸钙，化学反应方程式为：
CaCO3→CaO+CO2 (+178 kJ/mol)
CaO+SO2+1/2O2→CaSO4 (-500 kJ/mol)
CFB锅炉炉内脱硫效率受到诸多因素的影响。包括石灰石的脱硫反应活性、石灰石粒度分布、石灰石中CaCO3 含量、入炉煤的发热量和含硫量、锅炉分离器的分离效率和锅炉的运行参数(如床温、总风量)等。炉内脱硫效率直接影响石灰石消耗量，而石灰石输送系统的可靠性和出力将直接影响锅炉的脱硫效果。因此，为了达到较高脱硫效率，需要对相关因素进行控制、优化。而目前很多CFB锅炉机组相关因素控制不合理，是其难以达到较高脱硫效率的根本原因。
(二)CFB锅炉炉内脱硫效果的影响因素
国内外大量试验研究及实炉运行结果均表明，通过炉内脱硫，CFB锅炉可以达到较高脱硫效率(≥90%)，SO2排放也完全可以达到环保排放要求。但是，我国目前投运的相当部分大型CFB锅炉，炉内脱硫效率较低，SO2排放不能满足国家环保排放要求。
分析研究认为，造成这一状况的原因并不是CFB锅炉固有的技术缺陷，而主要是由于对影响CFB锅炉脱硫效率的相关因素控制不当所致。概况起来，主要有四方面原因：脱硫用石灰石品质(包括反应活性和粒度分布等)差、锅炉实际用煤的折算含硫量远大于设计值、锅炉运行参数不合理、石灰石输送系统设备选型不匹配。
1.石灰石品质
(1)石灰石活性
脱硫石灰石吸收剂的脱硫性能与石灰石反应活性关系很大，而石灰石反应活性受石灰石的成分和内部微观结构等影响。不同产地的石灰石在反应活性上有很大的差别。因此，需要用科学的方法对CFB锅炉脱硫所采用的石灰石进行选型。
(2)石灰石粒度
石灰石的粒径分布对炉内脱硫效率也有重要影响。如果粒径过小，投入锅炉的石灰石粉未经分离器捕集、一次通过锅炉直接进入尾部烟道形成飞灰的份额较多，而这部分细石灰石粉由于与烟气接触的时间过短，利用率偏低;如果投入锅炉的粒度过大，大部分石灰石不能参与循环，与高SO2浓度烟气接触时间与接触比表面积均较小，而且由于CaO与SO2和O2反应生成的CaSO4体积大于CaCO3，会堵塞烟气中SO2进入石灰石内部的通道，导致大部分石灰石未充分参与脱硫便从排渣口排出，使石灰石的利用率降低。因此，石灰石的最佳粒度分布应确保大部分石灰石颗粒能够参与炉内循环，并经多次循环利用后随烟气或底渣排出炉膛。
2.入炉煤煤质
我国电厂在上项目时，不能对未来燃料市场做准确预测。锅炉厂和设计院根据电厂提供的设计燃料和校核燃料完成锅炉及其辅机的设计选型。但是，电厂建成投运后，燃用煤偏离设计值太多，导致锅炉及其辅机选型不合适，不能满足机组正常运行和环保排放要求。
此外，对于某一台实际锅炉来说总的热负荷是基本确定的，因此决定SO2排放浓度的是单位发热量下的含硫量。在煤含硫量不变的情况下，入炉煤发热量降低折算硫份增加，也会使原设计的石灰石脱硫系统不能满足脱硫要求。
3.CFB锅炉运行参数
CFB锅炉运行参数对脱硫效率也有很大影响，其中，床温的影响最为显著。综合考虑灰渣的燃尽、SO2脱除以及NOx排放控制等因素，循环流化床锅炉设计床温一般选择为850～900℃。但实际运行中，很多CFB锅炉运行床温偏离了设计值较多。如有的CFB锅炉运行床温已经接近1000℃。显然，在此床温情况下，实现高的脱硫效率较为困难。
4.石灰石输送系统问题
目前，国内相当多的石灰石输送系统在投运后逐渐暴露出系统出力不足、下料不畅、堵管、磨损及设备不可靠等问题。这些问题归根到底是由系统设计时关键参数选择不合理、局部结构设计缺陷、设备选型不合理等问题所致。
二、CFB锅炉炉内脱硫技术工程应用
某300MW机组，锅炉采用1025t/h CFB锅炉，锅炉配有两套出力为15t/h的石灰石输送系统。
(一)锅炉参数
锅炉为中间再热自然循环汽包炉、露天布置。锅炉主要参数如表1所示。
表1 CFB锅炉主要参数
|
名称 |
单位 |
参数 |
|
额定负荷 |
t/h |
1025 |
|
过热蒸汽压力 |
MPa |
17.4 |
|
过热蒸汽温度 饱和蒸汽温度 |
℃ ℃ |
540 319 |
|
再热器进口蒸汽压力 |
MPa |
3.817 |
|
再热器出口蒸汽压力 |
MPa |
3.622 |
|
再热器进口蒸汽温度 |
℃ |
327.7 |
|
再热器出口蒸汽温度 |
℃ |
540 |
|
再热蒸汽流量 |
t/h |
839.222 |
|
给水温度 |
℃ |
280.6 |
|
汽包压力 |
MPa |
18.773 |
|
空预器型式 |
|
管式空预器 |
|
排烟温度(修正后) |
℃ |
131 |
|
|
|
|
(二)该厂CFB锅炉炉内高效脱硫技术应用现状
1.入炉煤煤质
电厂燃用煤质与设计煤种的含硫量差距很大，设计煤种收到基含硫量为0.5%，现燃用煤种的收到基低位热值约17 kJ/kg，平均收到基含硫量在1.26%左右，计算SO2原始排放浓度为3900mg/Nm3。
2.石灰石参数
表2 入厂石灰石现场取样成分分析结果
|
名称 |
符号 |
单位 |
数据 |
|
三氧化二铁 |
Fe2O3 |
% |
0.41 |
|
三氧化二铝 |
Al2O3 |
% |
1.44 |
|
氧化钙 |
CaO |
% |
52.14 |
|
氧化镁 |
MgO |
% |
2.01 |
|
二氧化钛 |
TiO2 |
% |
0.09 |
|
二氧化硅 |
SiO2 |
% |
2.92 |
|
三氧化硫 |
SO3 |
% |
0.07 |
|
氧化钾 |
K2O |
% |
0.04 |
|
氧化钠 |
Na2O |
% |
0.02 |
|
二氧化锰 |
MnO2 |
% |
0.01 |
|
烧失量 |
/ |
% |
37.92 |
石灰石粉粒径d<1.143mm的占总量的90.4%;d<1.822mm的占总量的99.8%;中位径384.0μm;综合上述分析结果，入炉石灰石粒径在合理的范围内。
表3石灰石脱硫特性参数
|
反应时间 （min） |
实测增重 （mg） |
反应能力系数 k |
CaO利用率 ηCaO（%） |
|
60 |
13.06 |
59.82 |
17.11 |
|
|
|
|
|
综合以上指标可以得出：石灰石的脱硫性好，脱硫反应最终可达程度高，且反应时间为60分钟时，CaO利用率为中等。
(三)炉内脱硫系统
石灰石输送系统采用一级输送，石灰石粉库下部布置两套石灰石给料系统、两套石灰石输送系统、两套石灰石吹堵系统。石灰石经给料系统给入输送系统后，由高压输送风输送至炉，经锅炉的两个回料阀进入炉膛。石灰石的输送量根据烟气中SO2的浓度进行自动调节，通过调整旋转给料机的变频电机转速来实现。
石灰石输送系统中，沿石灰石流动方向依次布置：高压输送风机、混合器、吹堵阀、主输送管道、分配器、入炉气动快关阀、回料阀进料口。从石灰石粉库到旋转给料机依次布置：石灰石粉库、手动薄型闸阀、伸缩节、收料仓、收料仓进料圆顶阀、收料仓平衡阀、伸缩节、给料仓、仓给料仓进料圆顶阀、给料仓平衡阀和旋转给料机。石灰石输送系统如图1所示。
图 1石灰石输送系统运行画面
旋转给料机出口的石灰石粉与来自于压缩空气系统的高压风在混合器内混合后，进入石灰石输送管路，经分配器二分为四后进入炉后回料阀并与循环灰共同进入锅炉，经煅烧分解、与炉膛中的二氧化硫反应实现固硫作用。
(四)炉内脱硫系统脱硫特性试验
1.工况描述
2013年2月该锅炉脱硫特性试验，通过调整Ca/S脱硫试验，研究钙硫比变化对于脱硫效率的影响。
试验期间锅炉平均负荷890t/h，给煤量为175t/h，通过改变石灰石给料量调整Ca/S，床温890℃。试验仪器如表4所示。
表4 试验仪器仪表
|
名称 |
产地 |
规格型号 |
|
采样探头 |
德国 |
M+C PSP4000-H-C-T |
|
伴热管线 |
德国 |
M+C Type 4 |
|
前处理箱 |
德国 |
M+C PSS-10 |
|
氧分析仪 |
德国 |
M+C PMA 10 |
|
SO2分析仪 |
德国 |
NGA2000-MLT4 |
试验进行前对烟气分析仪进行标定。
2.试验结果
试验结果如表5和图2所示。
表5 脱硫试验数据记录
|
时间 |
SO2排放值 （mg/Nm3） |
O2（%） |
床温 （℃） |
|
17:00 |
68.36 |
4.5 |
894.4 |
|
17:10 |
72.09 |
4.5 |
895.6 |
|
17:20 |
72.24 |
4.7 |
893.2 |
|
17:30 |
72.35 |
4.6 |
893.9 |
|
17:40 |
65.06 |
4.7 |
892.4 |
|
17:50 |
52.22 |
4.8 |
892.1 |
|
18:00 |
42.61 |
4.7 |
892.3 |
|
18:30 |
48.20 |
4.63 |
890.7 |
|
18:40 |
58.35 |
4.6 |
891.8 |
|
18:50 |
37.02 |
4.59 |
891.9 |
|
19:00 |
20.39 |
4.79 |
891.6 |
|
19:10 |
23.51 |
4.92 |
889.8 |
|
19:20 |
14.28 |
4.85 |
889.9 |
|
19:30 |
32.33 |
4.82 |
888.8 |
|
20:00 |
25.94 |
4.9 |
889.4 |
|
20:10 |
20.54 |
4.85 |
886.6 |
|
20:20 |
15.74 |
4.89 |
888.4 |
|
20:30 |
6.66 |
5 |
887 |
|
20:40 |
2.01 |
4.25 |
889.4 |
|
20:50 |
2.01 |
4.25 |
889.5 |
|
21:00 |
1.82 |
4.08 |
890.5 |
图2 SO2排放值Ca/S变化趋势图
由入炉煤煤质分析和石灰石成分分析结果计算得出：钙硫摩尔比分别为2.37、3.09和3.66。
脱硫效率计算：η=Crawgas-CcleangasCrawgas×100=3900-42.33900×100=98.9
式中，η—脱硫效率，%;
Crawgas—原烟气在标准状态下烟气过量空气系数为1.4时的SO2浓度;
Ccleangas—净烟气在标准状态下烟气过量空气系数为1.4时的SO2浓度。
试验结果表明，该CFB锅炉炉内高效脱硫技术应用达到了预期的目标。
三、结论
CFB锅炉采用炉内喷钙的脱硫方式，通过石灰石的优选、锅炉运行参数的调整和石灰石输送系统的优化，能够实现SO2的达标排放;该电厂CFB锅炉炉内高效脱硫技术的应用，实现了SO2的达标排放，SO2排放值低于50mg/Nm3，脱硫效率达到98.9%。
参考文献：
[1]孙献斌,黄中.大型循环流化床锅炉技术与工程应用[M].北京:中国电力出版社,2009.
[2]蒋敏华,肖平等.大型循环流化床锅炉技术[M].北京:中国电力出版社,2009.
[3]肖平,孙献斌,徐正泉,等.煤的自脱硫性能在1MW循环流化床燃烧试验台上的试验研究 [J].热力发电,2004.
