CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫效率控制因素分析

熱能工程研究所潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫效率控制因素分析

2024/5/111引言

試驗(yàn)對(duì)象和方法試驗(yàn)結(jié)果及分析討論結(jié)論提綱2024/5/112一、引言中國(guó)是能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)

2005年，中國(guó)一次能源生產(chǎn)總量為20.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)9.5%。其中，原煤產(chǎn)量為21.9億噸，原油1.81億噸，天然氣500億立方米，水電4010億千瓦時(shí)。能源既是重要和必不可少的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活的物質(zhì)前提，又是環(huán)境污染的重要來(lái)源。在我國(guó)，由于煤炭在能源消費(fèi)中占很大比重，因此，煤煙型污染是我國(guó)生態(tài)環(huán)境破壞的首要因素。

我國(guó)大氣中，約87％的SO2、60％的總懸浮顆粒物、67％的NOx和71％的CO2均來(lái)自煤炭的燃燒。燃煤排放的大量SO2和NOx也是我國(guó)酸雨形成的主要原因。繼歐洲、北美之后，我國(guó)己成為世界上第三大酸雨區(qū)。

2024/5/113我國(guó)以煤為主要能源的格局將長(zhǎng)期存在

據(jù)地礦部門(mén)的普查和勘探，中國(guó)預(yù)測(cè)資源總量為40017億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭資源占85％以上。在我國(guó)，發(fā)電行業(yè)的煤炭消耗所占比重最大

2000年，我國(guó)約50％的煤用于發(fā)電；

2030年，我國(guó)發(fā)電用煤將達(dá)原煤產(chǎn)量的70％左右。面對(duì)新世紀(jì)，如何保持能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展是我國(guó)面臨的一個(gè)重大戰(zhàn)略問(wèn)題，也是對(duì)電力行業(yè)的重大挑戰(zhàn)。2024/5/114循環(huán)流化床鍋爐是一種國(guó)際公認(rèn)的潔凈煤燃燒技術(shù)

燃料適應(yīng)性廣、脫硫效果好、NOx排放量低、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好CFB鍋爐已在電力行業(yè)獲得了一定比例的應(yīng)用，并正在向大型化電站鍋爐的方向發(fā)展。我國(guó)目前已有35t/h～480t/h不同容量的CFB鍋爐2000多臺(tái)投入商業(yè)運(yùn)行，占全國(guó)發(fā)電鍋爐臺(tái)數(shù)的1/3；總發(fā)電容量25000MW，約占8%；在建和擬建的200MW級(jí)、300MW級(jí)CFB鍋爐約有40多臺(tái)；中國(guó)已成為世界上CFB鍋爐數(shù)量和發(fā)電總?cè)萘孔畲蟮膰?guó)家。2024/5/115目前，我國(guó)CFB鍋爐的脫硫現(xiàn)狀還不很樂(lè)觀

脫硫系統(tǒng)的可用率、鍋爐脫硫效率等方面還存在不少問(wèn)題，離國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距。本文以一臺(tái)混燒石油焦和煤的220t/hCFB鍋爐為對(duì)象，進(jìn)行了系統(tǒng)的脫硫性能試驗(yàn)研究了床溫、Ca/S摩爾比、石油焦與煤配比等因素對(duì)鍋爐脫硫效率的影響；通過(guò)對(duì)飛灰和石灰石煅燒產(chǎn)物孔隙結(jié)構(gòu)和表觀形貌的分析，從微觀角度研究和探討了鍋爐運(yùn)行參數(shù)以及脫硫劑特性影響CFB鍋爐脫硫效率的機(jī)理。2024/5/116二、試驗(yàn)對(duì)象和方法

芬蘭奧斯龍220t/hCFB鍋爐(220-9.8/540-PyroflowCFB)設(shè)計(jì)燃料：煙煤50％＋石油焦50％（熱量比）脫硫劑：石灰石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩個(gè)高溫旋風(fēng)分離器，四個(gè)返料口；采用煙氣再循環(huán)方式維持流化速度和調(diào)節(jié)爐溫；入爐燃料從料倉(cāng)經(jīng)給料機(jī)送至4個(gè)返料腿；石灰石粉采用氣力輸送方式送入四個(gè)返料腿，與循環(huán)灰、燃料混合后一起送入爐內(nèi)。

2.1試驗(yàn)對(duì)象

2024/5/1171爐膛二次風(fēng)；2燃料二次風(fēng)；3二級(jí)過(guò)熱器；4高溫旋風(fēng)分離器；5一級(jí)過(guò)熱器、省煤器；6空預(yù)器；7電除塵器；8引風(fēng)機(jī)；9煙囪；10二次風(fēng)機(jī)；11－次風(fēng)機(jī)；12-高壓風(fēng)機(jī)；13燃料及石灰石給料口220t/hCFB鍋爐系統(tǒng)簡(jiǎn)圖2024/5/1182.2燃料及脫硫劑

石油焦和煤的工業(yè)及元素分析燃料工業(yè)分析（％）元素分析（％）熱值（MJ/kg）MarAarVarFCarCarHarNarOarSarQnet.ar石油焦6.160.9114.0478.8979.824.711.423.723.6132.61煤6.6021.998.6962.7264.292.000.664.100.3523.15石油焦和煤的平均粒徑分別為2.18mm和1.84mm。2024/5/119脫硫性能試驗(yàn)用石灰石產(chǎn)自南京棲霞另選南京下關(guān)電廠脫硫用石灰石和產(chǎn)自山東淄博的石灰石與其進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比分析。石灰石CaOMgOSiO2南京棲霞48.712.465.10下關(guān)電廠55.320.880.20山東淄博48.655.831.61石灰石化學(xué)成分（％，質(zhì)量份額）

2024/5/11102.3測(cè)試儀器煙氣成分分析－MRU公司SAE-9型多組分煙氣分析儀在線檢測(cè)SO2、NO、N2O、O2、CO2、CO濃度取樣管外壁敷設(shè)加熱帶，使煙氣溫度維持在約150℃，防止煙氣結(jié)露。比表面積、孔容、孔徑和孔分布測(cè)定－Quantachrome公司NOVA1000e型N2吸附儀石灰石煅燒產(chǎn)物的表觀形貌分析－荷蘭FEI公司的掃描電子顯微鏡（SEM）選擇對(duì)脫硫效率影響較大且運(yùn)行時(shí)較易調(diào)整的一些因素如：焦煤比、密相區(qū)床溫、鈣硫摩爾比等進(jìn)行變工況試驗(yàn)。2.4試驗(yàn)工況2024/5/11113試驗(yàn)結(jié)果及分析討論硫在煤中的存在形式：

黃鐵礦硫、有機(jī)硫和硫酸鹽硫在石油焦中的存在形式：

大部分為與碳鍵合的有機(jī)硫，其余主要為黃鐵礦硫和硫酸鹽硫，偶爾也會(huì)有游離硫。SO2形成機(jī)理：

黃鐵礦（FeS2）在燃燒條件下與氧反應(yīng)生成SO2。

有機(jī)硫在大于200℃時(shí)可以部分分解，釋放出H2S、硫醚、硫醇等物質(zhì)，這些物質(zhì)在大于300℃時(shí)即可燃燒生成SO2；未分解部分和氧氣經(jīng)燃燒反應(yīng)直接生成SO2。3.1循環(huán)流化床鍋爐脫硫機(jī)理2024/5/1112常壓流化床鍋爐中，石灰石中的CaCO3遇熱煅燒分解為多孔狀CaO：CaCO3煅燒析出CO2時(shí)，會(huì)生成并擴(kuò)大石灰石中的孔隙，從而為下一步的固硫反應(yīng)提供更大的反應(yīng)表面積。

CFB鍋爐中主要的固硫反應(yīng)：2024/5/11133.2床溫對(duì)脫硫效率的影響脫硫效率與床溫的關(guān)系試驗(yàn)條件：石油焦/煤熱量比－48:52Ca/S摩爾比－2.72024/5/1114脫硫反應(yīng)總速率主要取決于脫硫劑的反應(yīng)速度、固體產(chǎn)物分布及孔隙堵塞特性。硫酸鹽化反應(yīng)速度常數(shù)可表示為：循環(huán)流化床中，脫硫劑顆粒具有良好的外部傳質(zhì)條件，氣膜傳質(zhì)阻力可忽略。內(nèi)孔擴(kuò)散阻力隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增加。床溫對(duì)SO2

脫除效率有很大的影響。2024/5/1115當(dāng)溫度低于800℃時(shí)，脫硫劑孔隙數(shù)少，孔徑小，反應(yīng)速度低，脫硫效果差；床溫高于900℃時(shí)，CaO內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生部分燒結(jié)而減緩CaO與SO2反應(yīng)的速率，導(dǎo)致脫硫效率降低；溫度過(guò)高時(shí)，雖然脫硫反應(yīng)速率提高，但由于脫硫劑表面孔隙過(guò)早堵塞，使擴(kuò)散阻力升高；另外，在高溫情況下，已生成的CaSO4會(huì)重新分解而釋放出SO2：2024/5/1116飛灰樣品（CaO的含量分別為20.38%、16.58%）的比孔容積和比表面積2024/5/11173.3Ca/S摩爾比對(duì)脫硫效率的影響試驗(yàn)條件：密相區(qū)床溫：874℃焦/煤熱量比：49：512024/5/1118CaCO3、CaO和CaSO4的摩爾體積分別為36.92ml/mol、17.26ml/mol和52.16ml/mol。與CaCO3相比，CaSO4的體積增加了41.3%，因此，隨著固硫反應(yīng)的進(jìn)行，會(huì)在脫硫劑表面生成致密的CaSO4薄層，它會(huì)導(dǎo)致脫硫劑空隙和空隙入口堵塞，阻礙SO2和O2進(jìn)一步擴(kuò)散到脫硫劑顆粒的內(nèi)層進(jìn)行反應(yīng)。因此，必須增加Ca/S摩爾比，才能保證一定的脫硫效率。增加Ca/S摩爾比也增加了SO2與脫硫劑顆粒接觸的頻率，從而可以增加脫硫反應(yīng)總速率和脫硫效率。2024/5/1119商用循環(huán)流化床鍋爐的典型Ca/S摩爾比一般為1.5～2.5。通常，當(dāng)Ca/S摩爾比增大到一定程度后，其對(duì)脫硫效率的影響會(huì)減弱；隨著Ca/S摩爾比的增加，鍋爐的灰渣量會(huì)增加，灰渣物理熱損失以及石灰石的煅燒吸熱量同步增加，使鍋爐的熱效率有所降低，除塵設(shè)備的負(fù)荷增加。富余的CaO將使NOX的排放濃度升高。因此，在保證一定脫硫效率的前提下，Ca/S摩爾比應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)。2024/5/11203.4石油焦/煤熱量比對(duì)脫硫效率的影響工況1和工況2的脫硫效率分別為80%和82%，可見(jiàn)石油焦/煤熱量比對(duì)脫硫效率的影響比較有限。石油焦與煤的摻混比對(duì)脫硫效率影響試驗(yàn)工況工況號(hào)鍋爐負(fù)荷(t/h)焦/煤熱量比密相床溫(℃)Ca/S摩爾比121129:718742.7221148:528742.82024/5/11213.5脫硫劑特性對(duì)脫硫性能的影響脫硫劑的特性主要包括：脫硫劑的化學(xué)成分組成、煅燒產(chǎn)物CaO的比表面積、孔隙率、孔徑分布和孔隙結(jié)構(gòu)等，它是影響CFB鍋爐脫硫效率的三大因素之一。據(jù)報(bào)道，在Ca/S摩爾比為2左右時(shí)，循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)脫硫效率可高達(dá)85％～90％。而本文進(jìn)行的脫硫試驗(yàn)中，多數(shù)工況下的脫硫效率在80％左右，相對(duì)偏低。為此，本文將本熱態(tài)脫硫試驗(yàn)所采用的石灰石與南京下關(guān)電廠脫硫用石灰石和產(chǎn)自山東淄博的石灰石進(jìn)行了特性對(duì)比，試圖從脫硫劑特性這一角度對(duì)脫硫效率偏低的原因作進(jìn)一步的探討。2024/5/11223.5.1石灰石化學(xué)成份對(duì)比分析石灰石中通常含有部分SiO2，在高溫條件下，SiO2與CaO之間會(huì)發(fā)生以下的固相反應(yīng)：上述反應(yīng)減少了SO2與CaO反應(yīng)的機(jī)會(huì)。本試驗(yàn)所用的石灰石與其它2種石灰石相比，SiO2的含量明顯偏高，導(dǎo)致脫硫效率相對(duì)較低。2024/5/11233.5.2石灰石煅燒產(chǎn)物孔隙特性對(duì)比分析石灰石煅燒產(chǎn)物CaO的比表面積、比孔容和孔徑分布是判斷CaO脫硫效果的一個(gè)重要依據(jù)，它們對(duì)SO2在CaO孔隙間的擴(kuò)散起著重要作用，從而直接影響到CaO捕捉SO2的能力。在運(yùn)行工況相同的條件下，CaO的孔隙結(jié)構(gòu)特性對(duì)CFB鍋爐的脫硫效果起決定性作用。2024/5/1124石灰石煅燒產(chǎn)物的孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果2024/5/1125(a)

孔徑分布石灰石煅燒產(chǎn)物的孔徑分布特性采用最可幾孔徑來(lái)定量分析。最可幾孔徑大，說(shuō)明該種石灰石煅燒產(chǎn)物內(nèi)部的中孔和大孔所占比例較高，這樣氣體在顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散阻力相對(duì)較小，允許反應(yīng)氣體快速進(jìn)入顆粒內(nèi)部。另外，大孔在反應(yīng)過(guò)程中不易被脫硫反應(yīng)產(chǎn)物所堵塞，在脫硫反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，仍有足夠大的孔隙允許SO2氣體向顆粒深處擴(kuò)散，從而有效地提高了脫硫劑的鈣利用率和總體脫硫效率。南京棲霞、淄博和下關(guān)電廠3種石灰石煅燒產(chǎn)物的最可幾孔徑分別為15?、19?和18??？梢?jiàn)，南京棲霞石灰石的孔隙結(jié)構(gòu)分布特性最差，最不利于脫硫。2024/5/1126(b)

累積比表面積石灰石固硫反應(yīng)本質(zhì)上屬于氣體和多孔性固體之間的非催化氣固反應(yīng)，脫硫劑反應(yīng)表面積的大小是影響脫硫性能的非常重要的因素，CaO表面積越大，與SO2接觸的幾率越大，越有利于脫硫反應(yīng)。脫硫反應(yīng)速率與表面積的關(guān)系可用下式表示:脫硫反應(yīng)速率與CaO表面積的平方成正比。南京棲霞、淄博和下關(guān)電廠3種石灰石煅燒產(chǎn)物的累積比表面積分別為3.49m2/g、7.52m2/g和9.14m2/g，因此，從累積比表面積的角度分析，南京棲霞石灰石的脫硫性能也是最差的。

2024/5/1127(c)

累積比孔容

孔容積是一個(gè)反映脫硫劑最終脫硫容量的重要參數(shù)，它在脫硫中的重要性可從容納體積更大的脫硫產(chǎn)物來(lái)解釋。

孔容積越大，越有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，脫硫劑的利用率和脫硫效率越高。

南京棲霞、淄博和下關(guān)電廠3種石灰石煅燒產(chǎn)物的累積孔容分別為0.63×10-2cc/g、0.76×10-2cc/g和1.73×10-2cc/g，試驗(yàn)用南京棲霞石灰石的孔容最小，因而最不利于脫硫。2024/5/11283.6石灰石及氧化鈣粒徑分布對(duì)脫硫效率的影響理論分析表明，當(dāng)石灰石顆粒徑在0～2mm，平均顆粒徑在0.1～0.5mm時(shí)，脫硫效果較好。本試驗(yàn)所用的石灰石，細(xì)顆粒的含量偏高。細(xì)顆粒在爐膛內(nèi)停留時(shí)間很短，又很難被旋風(fēng)分離器捕捉，得不到充分利用，影響了脫硫效率，因此也使本試驗(yàn)所得的脫硫效率偏低。2024/5/1129下關(guān)電廠和南京棲霞2種石灰石煅燒產(chǎn)物的掃