循环流化床锅炉SO2影响因素分析及优化研究

循环流化床锅炉SO2影响因素分析及优化研究

姜艳静

山东泰安山锅集团有限公司 山东省 泰安市 271038

摘要：循环流化床锅炉是由传统的综合沸腾床锅炉进一步改进而来，结合了化工行业的流化床工艺特点，使得现行流化床兼具多种优点，诸如更高的燃料利用效率、更低的污染废气排放量以及更加良好的泛用性。以上种种优势令循环流化床锅炉在我国的工业发电体系中享有较高的使用率。而在它的诸多优点中，可以在炉内进行脱硫这一项让它成为现行治污标准下的宠儿。但仅依靠炉内脱硫不仅难以实现超低排放，而且残余的氧化钙会催化氮氧化物的生成，与此同时灰渣中未反应的氧化钙会在加水过程发生放热反应，灰渣喷溅，造成环境污染和运输困难。因此，目前较为常见的脱硫方式是炉内喷钙加炉外脱硫进行两级脱硫。本文主要对循环流化床锅炉SO2影响因素及优化进行了简单的探讨，以供相关人员参考。

关键词：循环流化床锅炉；环保；二氧化硫；半干法脱硫

引言

循环流化床(Circulating Fluidized Bed，简称CFB)锅炉技术是近40年发展起来的新型清洁燃烧技术，由于其煤种适应性广，燃烧效率高，污染物排放指标低，灰渣能得到综合利用而得到广泛应用。循环流化床锅炉可以实现炉内干法廉价脱硫，大大降低SO2的排放量。由于SO2都是对环境有明显危害的污染气体，随着国家新环保标准的实施，对二氧化硫和氮氧化物的排放标准均为100mg/m3。因此，在锅炉设计和实际运行中要考虑同时降低SO2的排放。

1、循环流化床锅炉与二氧化硫的危害

1.1、循环流化床锅炉

循环流化床锅炉主要包括炉膛、气固分离器、固体燃料再循环装置、尾部的对流烟道、过热器、再热器、省煤器和空气预热器等主要设备。除锅炉本体外，循环流化床锅炉还包括一些辅助运行的设备，如风机、水泵、炉灰炉渣收集处理装置、石灰石装置和燃料输送装置等。循环流化床是指将煤炭粉碎成为8~10mm的颗粒送入炉膛，炉膛内的大量床料在一次风的作用下呈“流化态”燃烧，通过安装在炉膛出口处的气固分离器对燃料煤炭进行分离处理，使未燃尽的煤炭颗粒重新返回炉膛中进行燃烧。如此反复进行循环，可以最大程度上保证煤炭的充分燃烧，降低固体燃烧热损失。循环流化床锅炉设备的优点众多，燃料适应性广，燃烧效率高，燃烧排放污染量低，脱硫效率高，易于灰渣综合利用等。

1.2、二氧化硫的危害

二氧化硫是燃料中可燃硫元素燃烧生成的污染性气体。二氧化硫可以通过人体的呼吸系统进入人体内，增加呼吸器官的负担，导致或加重人体呼吸系统的疾病。当二氧化硫气体进入大气中与其他的污染性气体混合时，会对人体乃至动植物造成极大的损害。不仅如此，大量的二氧化硫排放到空气中时还易产生酸雨等恶劣的天气现象，造成不可估量的损失。

2、循环流化床锅炉SO2影响因素分析

循环流化床燃烧的重要优势是向炉膛中添加石灰石可以实现燃烧过程中脱硫，低成本降低锅炉的SO2排放。石灰石进入炉膛之后，被加热分解生成脱硫用的CaO：

CaCO3→CaO+CO2

煅烧产生的CaO呈现多孔疏松状态，大量孔隙极大地增加了脱硫颗粒的可用表面积，利于SO2扩散到CaO的内孔。在有氧气参与的情况下，CaO的外表面和内孔表面吸收SO2生成CaSO4：

CaO+SO2+1/2O2→CaSO4

生成的CaSO4覆盖在新鲜未反应的CaO表面，而且CaSO4的摩尔体积大于原始的CaCO3和CaO，因此空隙直径逐渐减小，当生成的CaSO4覆盖了所有的CaO表面或者空隙被完全堵住，脱硫反应就停止了。电子探针实验表明，石灰石的转化仅限于表面以内的几十个微米，因此脱硫石灰石的利用是不可能充分的。为了提高石灰石的利用率，降低Ca/S，就要将石灰石粒径尽量低一些；同时，石灰石在炉膛中的停留时间是影响石灰石脱硫反应程度的另一个最重要条件，若颗粒太细，分离器对其捕集效率不够高，则可能在还未达到反应饱和就离开主循环回路，因此也不宜太细。当然，石灰石在煅烧过程中还可能发生碎裂。平衡反应程度和停留时间二者的关系，石灰石的粒径应该在分离器的d99附近最佳。一般的循环流化床锅炉的分离器的d99一般在100~200μm，这就意味着石灰石的粒径应在此范围内。若考虑石灰石的碎裂，则此粒径范围似应在150~300μm。

煅烧产生的孔隙的大小及其分布、CaO颗粒的比表面积以及晶粒的大小等与原始的石灰石种类有关，因此应该仔细挑选石灰石。同时这些参数还受操作参数的影响，主要是床层温度。床层温度较高时，会发生烧结，使得小孔塌陷。因此温度是脱硫的极其重要的影响因素。当床温较高时，脱硫产物CaSO4在还原性气氛中的分解速度增加，导致已经被捕集的SO2重新被释放出来，因而脱硫效率下降。无论是实验室小型实验台还是实际循环流化床锅炉上，都发现当床温处于某一特定温度Tb时脱硫效率最高。不同石灰石的最佳温度Tb不同，见图1，但Tb均不超过900℃。

图1温度对脱硫效率的影响

运行中发现床温对SO2的排放具有显著的影响。见图2，在135MW和300MW上的实际运行数据表明，温度是影响SO2的关键参数。在燃料稳定的条件下，石灰石流量即Ca/S相同，温度高于900℃后，SO2排放浓度显著上升，A厂从200mg/Nm3急剧上到930℃的1400mg/Nm3；B厂从200mg/Nm3急剧上到930℃的860mg/Nm3。由于B厂的石灰石在高温条件下受温度的影响相对弱一些，而且其Ca/S较高，上升幅度略小。上述结果表明，严格控制床层温度不超过900℃时，若石灰石的反应活性较高并使石灰石粒度分布合理的条件下，适当保证Ca/S较高，SO2排放在200mg/Nm3以内是完全能够做到的，这就意味着现有机组的SO2排放浓度较高的关键原因是床温偏高。因此，为了保证SO2排放低于200mg/Nm3，应该对锅炉本身受热面乃至于循环系统的性能进行必要的改进，以确保床温在890℃以下。

图2温度对SO2排放浓度的影响

3、循环流化床锅炉SO2影响优化

在我国的电力工业发展中，燃煤锅炉占据着重要的地位，同时也是造成生态环境污染的重要来源，因此二氧化硫等有害气体的排放必须得到很好的控制。在新建锅炉或者改造原有锅炉（440t/h 以下）的使用高硫煤的时候，循环流化床的脱硫效果是相对比较好的，在经过长时间应用探究，技术与经验相对成熟以后，可以向大型化的锅炉发展。而在高硫煤和燃用中的电厂与改造现有电厂，循环流化床干法烟气脱硫是比较适用的，因为成本相对较低，脱硫的效率也相对其他的脱硫技术高。控制二氧化硫的重要方式就是在火电厂的燃煤锅炉工作中脱硫，为了能够有效治理二氧化硫的排放，必须要在今后的研究发展中掌握脱硫的关键技术与相关设备，从而提升企业的市场竞争力，促进我国社会主义经济建设的健康发展。

结束语

总之，在脱硫的过程中过量空气系数在1.14~1.15时脱硫效率最高，一次流化风在285000Nm3/h脱硫效率最高，反映出这时的流化风量和氧量使得石灰石在炉内反应效果达到最佳。在炉外不加消石灰时，也能使排放的SO2达标，说明加入的石灰石粉只有一部分在炉内参与反应，随烟气到达脱硫塔内参与了炉外脱硫，石灰石在炉内停留短，无法真正参与脱硫。为了流化煤粉(煤粉颗粒度比石灰石大很多)，一次流化风量通常比较大，使得喷向炉膛密相区的石灰石很快被带走，无法真正参与到炉内反应。

参考文献：

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