循環(huán)流化床鍋爐爐內添加石灰石脫硫的研究

1、循環(huán)流化床鍋爐爐內添加石灰石脫硫的研究D iscussi on on the adding li m est one desulfurizati on in CFB boiler于樹輝(山東電力工程咨詢院有限公司,山東濟南250013摘要:分析了循環(huán)流化床鍋爐的特點和脫硫原理,探討了循環(huán)流化床鍋爐爐內添加石灰石脫硫系統(tǒng)中存在的問題及影響脫硫效率的因素,提出提高循環(huán)流化床鍋爐爐內脫硫效率的措施。關鍵詞:循環(huán)流化床鍋爐;石灰石;脫硫效率;影響因素;對策措施Ab s trac t:The p ri nc i p l e s and cha ra c te risti c s o f C ircu l

2、 a ti ng F l u i d i ze d B ed(C FBbo il e r w e re ana l yzed.The p r o b2 l em s e xisted i n the C FB bo il e r de su l fu ri za ti o n sys tem tha t a dded li m e s t o ne i n the bo il e r w e re d iscu s sed.The fa c2 t o rs i nfl uence d the de su l fu ri za ti o n effi c i e ncy w e re ana l

3、 yze d.Som e co un te r m e a su re s t o i m p r o ve the de su l fu ri za2 ti o n effi c i e ncy o f C FB bo il e r w e re p r opo sed.Ke y wo rd s:C FB bo il e r;li m e st o ne;de su l fu ri za ti o n effi c i e ncy;i nfl ue nc i ng fac t o r;co un te r m e a su re中圖分類號:X701.3文獻標識碼:B文章編號:1674-806

4、9(201001-045-04循環(huán)流化床(CF B燃燒技術是最近幾十年發(fā)展起來的一種新型燃燒技術,由于循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應性廣、燃燒效率高、高效脫硫的特點,因此近年來有了很大的發(fā)展。其應用范圍從小型工業(yè)流化床鍋爐發(fā)展到大型電站鍋爐,投入運行的最大容量為300MW。截至2008年底,已有與300MW機組配套的18臺循環(huán)流化床鍋爐投入運行。流化床燃燒技術也從第一代鼓泡床(俗稱沸騰床發(fā)展到第二代循環(huán)床。1循環(huán)流化床燃燒特點和脫硫原理1.1循環(huán)流化床燃燒優(yōu)點循環(huán)流化床燃燒技術具有一些常規(guī)的煤燃燒技術(如層燃和煤粉燃燒所不具備的優(yōu)點,如具有脫硫、脫硝功能,燃料適應性強,可燃燒劣質煤,負荷調節(jié)性能強

5、等。(1具有脫硝功能。循環(huán)流化床的燃燒特點是任何時候流化床內惰性熱物料都占全部床內固體物料的97%98%,因而,可以將溫度控制在800 900的范圍內,并保證穩(wěn)定和高效的燃燒。這種低溫燃燒方式可以有效地抑制NOx的生成和排放,循環(huán)流化床鍋爐NOx的生成量很小,僅占煤粉鍋爐燃燒的1/31/4。(2具有脫硫功能。由于循環(huán)流化床燃燒溫度正好是石灰石/石灰脫硫反應的最佳溫度,因而在床內加入石灰石或白云石可有效地脫除在燃燒過程中生成的S O2。(3燃料適應性強。由于循環(huán)流化床床內惰性物料的巨大熱容量,以及流態(tài)燃燒過程中十分良好的傳熱、傳質和混合過程,因此循環(huán)流化床雖然是一種低溫燃燒方式,但它卻可以燃用一

6、切種類的燃料并達到較高的燃燒效率,其中包括高灰分、高水分、低熱值、低灰熔點的劣質燃料(如泥煤、褐煤、油頁巖、木屑、洗煤廠的煤泥、洗矸、煤礦的煤矸石等,以及難以點燃和燃盡的低揮發(fā)分燃料(貧煤、無煙煤、石油焦和焦炭等。(4負荷調節(jié)性能強。負荷可在30%115%之間進行調節(jié)?？梢栽阱仩t負荷40%以上的情況下,使蒸汽溫度正常;鍋爐負荷調節(jié)速率也快,一般每分鐘可達4%的調節(jié)速率。1.2循環(huán)流化床鍋爐存在的問題(1初投資大。由于循環(huán)流化床的爐膛內傳熱系數(shù)與爐內沿爐膛高度的氣固濃度比密切相關,爐膛上部稀相段的傳熱系數(shù)遠小于下部濃相段的傳熱系數(shù),再加上溫度低、煙氣流速高、床截面小,因而必須增加爐膛高度,否則四

7、周墻面不足以滿足受熱面面積要求,從而增加了鍋爐的初投資。(2耗電量大。循環(huán)床的分離循環(huán)系統(tǒng)比較復雜,且布風板及系統(tǒng)阻力較大,使鍋爐自身耗電量增大,約為機組發(fā)電量的7%左右,導致運行費用增54加,耗電量增大。(3磨損及腐蝕。由于床內流速高、固體顆粒濃度大以及為控制NOx排放而采用分級燃燒使爐膛內存在還原性氣氛的區(qū)域等因素,會造成進風風帽等部位的磨損及受熱面與吊掛管的磨損與腐蝕,導致循環(huán)流化床鍋爐檢修率較高。綜上所述,循環(huán)流化床由于能在低溫下燃燒等一系列特點,它雖然存在一定的問題,但仍不失是當前在燃燒中脫硫的最佳燃燒方式。1.3循環(huán)流化床鍋爐的脫硫原理循環(huán)流化床燃燒脫硫技術是指在循環(huán)流化床鍋爐中將

8、石灰石(石灰等原料粉碎成與煤粉同等細度,參入煤中在爐內同時燃燒,在800900時,石灰石受熱分解成CO2,及多孔Ca O,CaO與S O2發(fā)生反應生成CaS O4。由于循環(huán)流化床鍋爐帶有高溫除塵器(旋風分離器,可使飛出去的未完全反應的脫硫劑又返回爐膛循環(huán)利用,同時,循環(huán)流化床較低的燃燒溫度確保Ca O不會燒結,從而提高了脫硫效率。其化學反應式如下:CaCO3CaO+CO2(1 CaO+1/2O2+S O2CaS O4(2(1式為吸熱反應,石灰石CaCO3分解為Ca O和CO2的熱分解溫度為880左右。(2式中Ca O與S O2反應的最佳溫度是800850。由于循環(huán)床內的煙氣流速為4.57.0m

9、/s,可以把相當數(shù)量的固體顆粒帶出爐膛。安裝在爐膛出口處的高效分離器能將被氣流帶出的固體顆粒分離出來,再將其送回爐膛底部,以維持爐膛內床料總量不變的連續(xù)工作狀態(tài)。在循環(huán)床運行工況下,整個爐膛內除了氣體向上流動外,固體顆粒亦向上流動,此時氣、固兩相之間存在的相對速度稱為滑移速度。氣、固兩相混合物的密度不單純取決于流化速度,還與當時顆粒的質量流率有關。在一定的氣流速度下,質量流率越大,則床料密度越大;固體顆粒的循環(huán)量越大,則氣、固間滑移速度也越大。固體顆粒的聚集和團聚作用是循環(huán)床內顆粒運動的一個特點。研究表明,當床料密度為810kg/m3時,床內細顆粒就會團聚成大粒子團。粒子團由于重量增加、體積加

10、大,具有較大的自由沉降速度。在一定的氣流速度下,大粒子團不是被吹上去,而是逆著氣流沿爐墻向下運動。這些粒子團在沿著爐墻向下運動過程中,氣、固間產生較大的相對速度,然后被上升的氣流打散成細顆粒,再有氣流帶動向上運動,又聚集成粒子團,再沉降下來,這種粒子團不斷聚集、下沉、吹散、上升又再聚集的物理過程,使循環(huán)床內發(fā)生強烈的熱量和質量交換。由于粒子團沿爐墻沉降和邊壁效應,循環(huán)床中氣、固流動形成近爐壁處很濃的粒子團以旋轉狀向下運動,爐膛中心則相對較稀的氣固相向上,產生一個強烈的爐內循環(huán)運動,大大強化了爐內的傳熱和傳質過程,使剛進入爐內的新鮮燃料和脫硫劑顆粒在瞬間即被加熱到850的爐膛溫度,并保證了在整個

11、爐膛內縱向和橫向都具有十分均勻的溫度分布,從而使脫硫劑和S O2的脫硫反應能夠在整個爐膛內和分離器內進行。由于循環(huán)流化床鍋爐中被煙氣帶出的細顆粒能在旋風分離器中被分離出、來并被送回爐內再利用,因而大大延長了脫硫劑的停留時間。在爐膛內的內循環(huán)和整個物料通過旋風分離器的外循環(huán)過程中,脫硫劑的顆粒會被磨碎而出現(xiàn)新的反應表面,而在整個固體物料的循環(huán)系統(tǒng)內有著均勻的溫度分布,這一切大大地改善了脫硫性能,提高了脫硫劑的使用效率。2循環(huán)流化床燃燒脫硫的影響因素及對策循環(huán)流化床燃燒脫硫一般采用添加石灰石的方法。其脫硫效率的影響因素主要是石灰石輸送添加方式、鈣硫比(Ca/S、石灰石的顆粒度、石灰石的品質(活性、

12、煤中硫分、燃燒溫度、循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率等。2.1石灰石輸送系統(tǒng)對脫硫效率的影響及其對策石灰石輸送系統(tǒng)一般分兩級料倉石灰石輸送系統(tǒng)和單級料倉石灰石輸送系統(tǒng)兩種。兩級料倉石灰石輸送系統(tǒng)分為石灰石粉庫(鍋爐房外至中間粉倉的前置段輸送和中間粉倉至鍋爐爐膛的后置段輸送兩個部分。前置段輸送采用空壓機做為輸送用氣動力源進行定容間斷輸送;后置段輸送采用羅茨風機做為輸送用氣動力源進行可定量調整的連續(xù)輸送。兩級料倉石灰石輸送系統(tǒng)主要是由儲料倉、正壓氣力輸送系統(tǒng)、爐前倉、噴吹系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。物料采用罐車壓送到儲料倉,再由正壓氣力輸送系統(tǒng)輸送至爐前倉,最后經噴吹系統(tǒng)吹送入爐膛。整個系統(tǒng)采用P LC程序控

13、制。輸送系統(tǒng)是64以空壓機作為動力源,采用高密度的低壓栓流式輸送,將物料從發(fā)送器以灰栓形式由管道輸送至爐前倉。正壓氣力輸送系統(tǒng)由發(fā)送器、進出料閥、補氣閥、管路等組成。單級料倉連續(xù)石灰石輸送系統(tǒng)主要由石灰石粉儲倉、螺旋計量給料裝置、自控旋轉給料閥、壓力式噴射給料裝置、鼓風送風裝置以及管道分配器等組成。該系統(tǒng)可根據鍋爐的運行工況,通過變頻電機實現(xiàn)無級調速控制,將石灰石粉定量、連續(xù)、均勻地送入鍋爐爐膛。石灰石輸送系統(tǒng)中影響脫硫效率的主要有石灰石粉吸水出現(xiàn)板結、堵塞及定量、連續(xù)輸送系統(tǒng)的自動控制問題。2.1.1石灰石粉板結、堵塞原因及解決辦法石灰石粉的吸水性很強,可有效地吸收空氣中的水分,引起儲料倉內

14、石灰石粉的板結、硬化、起拱,石灰石正壓氣力輸送系統(tǒng)由于輸送的風壓不足易造成堵塞。儲料倉下部設流化裝置以防止石灰石粉結塊,頂部設置除塵器及壓力真空釋放閥;選擇合適的氣粉比,實現(xiàn)熱風送粉,防止在輸送風壓不足時石灰石輸送系統(tǒng)堵塞,確保石灰石粉均勻、連續(xù)、通暢地進入鍋爐,以滿足爐膛內設計的鈣硫比。2.1.2系統(tǒng)自動連續(xù)控制完善石灰石輸送系統(tǒng)自動連續(xù)控制。目前,石灰石多采用人工添加方式,無計量設施的中小型電廠尚有一定數(shù)量,這種添加方式很難做到連續(xù)、均勻,其脫硫效率很難保證。因此,必須安裝煙氣自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。根據煙氣自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據反饋至石灰石添加系統(tǒng),實施輸送系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的聯(lián)鎖,自動調節(jié)石灰石粉的

15、添加速率,實現(xiàn)石灰石輸送系統(tǒng)的P LC控制。沒有中間倉的發(fā)送系統(tǒng)當然是最簡單的系統(tǒng),但要充分考慮采取可靠措施,主要是合理的倉料干燥方式和解決料倉背壓問題。2.2爐溫對脫硫效率的影響及其對策根據石灰石脫硫劑和副產品硫酸鹽的化學特性,控制循環(huán)流化床鍋爐的爐內溫度是提高脫硫效率的有效措施。由于石灰石是通過煅燒成Ca O與煤燃燒產生的S O2化合生成CaS O4而達到脫硫效果的,在750以下,石灰石分解困難;1000以上,生成的硫酸鹽(CaS O4又將部分分解成Ca O和S O2。因此,既要保證石灰石(CaCO3的熱分解溫度,又不致于使反應生成的副產品分解,必須控制循環(huán)流化床鍋爐的床層溫度在80090

16、0的范圍內。控制床溫還在于保持脫硫劑的反應速度和固體產物的分布及防止孔隙堵塞等,有利于提高脫硫劑的利用率。為了控制床溫,一般在床層內布置一部分管束,它既是吸熱強度很大的受熱面,保證爐內溫度適當,不致燒熔爐渣而影響正常運行,又可使NOx的生產量及灰中鈉、鉀的揮發(fā)量大為減少。2.3Ca/S對脫硫效率的影響Ca/S是影響脫硫效率和S O2排放量的首要因素。為了確定為達到一定的脫硫效率所需要消耗的脫硫劑量,常用鈣和硫的摩爾比值(Ca/S作為一個綜合指標,來說明在用CaCO3脫硫時鈣的有效利用率。Ca/S越高,鈣的利用率就較低。通常情況下,當流化速度一定時,脫硫效率隨Ca/S的增加而增大;當Ca/S一定

17、時,脫硫效率隨流化速度降低而升高。一般來說,要達到90%的脫硫效率,常壓循環(huán)流化床和增壓流化床的Ca/S分別在1.82.5和1.52.0之間。為了達到一定的脫硫效率,需加入到循環(huán)流化床鍋爐中的脫硫劑G可用下式計算:G=10032CaSS(%CaCO3(%B(3或CaS=32100CaCO3(%S(%GB(4式中G為達到一定脫硫效率需向循環(huán)流化床鍋爐中加入的脫硫劑量,kg/h;100/32為CaCO3和S轉化為摩爾數(shù)的轉換系數(shù),其中100是CaCO3分子量,32是S分子量;Ca/S為達到一定脫硫效率所需的鈣硫摩爾比值;S為煤中含硫量的質量百分數(shù),%;CaCO3為脫硫劑中CaCO3含量的質量百分數(shù)

18、,%;B為燃料消耗量,kg/h。由上述CaCO3在燃燒過程中的脫硫原理可知,實際上并不是全部Ca O都能參與脫硫反應,因此在Ca/S=1.0時,實際的脫硫效率并不高。所謂脫硫效率是指在煙氣中的S O2被脫硫劑吸收的百分數(shù),在最佳的脫硫反應溫度850、Ca/S=1.0時,理論上的脫硫效率為60%。如果要得到理想的脫硫效率,必須增加鈣硫比。有關試驗表明,隨著Ca/S值的增加,脫硫效率742010年于樹輝:循環(huán)流化床鍋爐爐內添加石灰石脫硫的研究第1期在Ca/S值低于2.5時增加很快,而繼續(xù)增加Ca/S 或脫硫劑量時,脫硫效率增加較慢。不僅如此,繼續(xù)增加脫硫劑的投入量會帶來其他副作用,如增加物理熱損失

19、、影響燃燒工況等。因此,存在一個較為經濟的Ca/S值。對于循環(huán)流化床鍋爐,Ca/S值一般控制在1.52.5之間。2.4石灰石度對脫硫效率的影響石灰石粒度大時其脫硫效率明顯下降,這是因為脫硫劑總的反應表面小而使鈣的利用率降低。但石灰石的顆粒也不能太細,因為現(xiàn)在常用的旋風分離器只能分離出大于75m的顆粒,而小于75m 的顆粒由于不能再返回爐膛而降低了鈣的利用率。研究表明,用于循環(huán)流化床鍋爐爐內脫硫的石灰石最佳粒度為0.21.5mm。一般循環(huán)流化床鍋爐燃煤要求的顆粒度控制在013mm,只要粗碎+細碎就能滿足要求。為了適應爐內脫硫的需要,最好燃煤的粒度與入爐石灰石的粒度一致。2.5脫硫劑爐內添加的位置

20、筆者認為,脫硫劑的添加位置應設置在分離器的返料口處,以利于其與煤的充分接觸、混合,使脫硫劑與煤較好地同步燃燒。2.6脫硫劑反應性的影響在煤燃燒過程中,石灰石中的鈣能否被有效地用來脫硫,還取決于石灰石本身的反應特性。只有采用高反應活性的石灰石,才能在Ca/S在1.52. 0時達到90%以上的脫硫效率。相同的鈣硫比對中等反應活性的石灰石只能達到80%的脫硫效率。因此,脫硫劑的選用對提高脫硫時的鈣利用率、減少脫硫劑的消耗十分重要。2.7除灰渣系統(tǒng)對脫硫效率的影響除灰渣系統(tǒng)的設計應有一定的裕量,以適應入爐煤的含硫量的變化。目前,由于煤炭價格的原因,基本上能購到什么煤就用什么煤,致使煤中含硫量的差異很大

21、。為了適應高硫煤的燃燒,需在除灰渣系統(tǒng)設計時考慮留有一定裕量,以防止除灰渣系統(tǒng)容量不足影響機組運行安全和脫硫達標。2.8循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率的影響循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)倍率一般為520。循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率越大,飛灰的再循環(huán)的次數(shù)越多,脫硫劑在床內的停留時間越長,脫硫劑的利用率越高,脫硫效率也會相應地得到提高。因此,在鍋爐選型時,應盡量選擇循環(huán)倍率較高的鍋爐。2.9煤中硫分對脫硫效率的影響在相同的Ca/S下,硫分越高的煤,其脫硫效率也越高,這是因為高硫煤會使爐膛內產生高的S O2濃度,因而增加了脫硫反應的速度。入爐煤硫分的高低需根據煤源的情況確定,不可因追求高的脫硫效率而特意選擇高硫煤。選用高硫煤勢必增加鍋爐的投資和運行成本。3結語循環(huán)流化床鍋爐爐內添加石灰石脫硫,只要挑選活性高的優(yōu)質石灰石、嚴格控制入爐石灰石的粒度、完善石灰石粉的儲存和輸送系統(tǒng),防止板結、堵塞并實施自動化控制、合理控制爐膛溫度、選擇合適鈣硫比等措施,一定能獲得較好的脫硫效果。循環(huán)流化床鍋爐用于脫硫是不錯的選擇,因為它是目前世界上既經濟又脫硫效率高的設備。參考文