浅谈如何提高循环流化床锅炉炉内脱硫的效率

摘要：煤在燃烧过程中会产生出二氧化硫等污染性气体，为了有效地对其的产出加以控制，在工业生产中开始大量的将脱硫技术应用到实际的生产操作当中，循环流化床锅炉便是其中之一。下面本文将结合作者多年的工作经验，对影响循环化床锅炉炉内的脱硫效率的因素进行简单论述，以供参考。

    关键词：脱硫效率；影响因素；锅炉机理

Abstract: The coal in the combustion process will produce polluting gases such as sulfur dioxide, in order to control its output; desulfurization technology was used in industrial production operation, just like circulating fluidized bed boilerone. The following article will combine with author’s years of work experience, and simple exposit the factors of the circulating fluidized bed boiler desulfurization efficiency for reference.    Key words: desulfurization efficiency; influencing factors; boiler mechanism

中图分类号：TF704.3文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02

    1 导语

根据国家相关法律法规的要求，燃煤在使用过程中的硫化物的排放量是有严格的规定的。因此，在相关的燃煤使用企业中必须进行脱硫燃煤生产操作，但是由于脱硫成本较高以及影响脱硫效率的因素较多，致使在很大程度上燃煤的硫化物排放量依然很高。对此，笔者将循环流化床锅炉炉内脱硫效率影响因素分析为重点，对这一问题加以论述，以提高该种锅炉的脱硫效率，降低企业成本。

    2 锅炉炉型的甄选

对于锅炉炉型的选择要在以该企业实际年使用燃煤量的基础上进行具体的选用，其中为降低脱硫的成本，需在同容量的锅炉上选择具有较高热效率和炉内脱硫效率的锅炉。我们一家公司的锅炉进行脱硫实验分析，为更好地降低脱硫成本，我们为其选用了SHFx35-1.27/270-P 型号的低循环倍率锅炉，在15.8米的出口高度上锅炉为3.8 m/s的炉膛设计烟速，采用中温旋风分离器和袋式除尘器，除尘效率≥99.9%，可有效地将烟尘的排放浓度控制在30mg/m3。其使用燃煤为本地贫煤，工业分析值如下所示：

    3 煤燃烧过程中SO2的析出

    煤中硫可分为四种形态，即硫化物（以黄铁矿硫FeS2为主）、硫酸盐（CaSO4・2H2O，FeSO4・2H2O）、有机硫（CxHySz）及元素硫。其中，硫化物硫和有机硫及元素硫是可燃硫，占煤中硫分的 90%以上，硫酸盐硫是不可燃硫，是煤中灰分的组成部分。煤在燃烧期间，所有的可燃硫在受热过程中都从煤中释放出来。在氧化气氛中，又会被氧化而生成SO2，有机硫在加热至 400 ℃时即开始大量分解，煤中有机硫和元素硫在燃烧过程中基本上都会氧化生成SO2。黄铁矿硫在 300 ℃时即开始失去硫份，形成黄铁矿和赤铁矿。黄铁矿硫的大量分解是在 650 ℃以上。

    在氧化气氛下，硫化物硫（以黄铁矿硫 FeS2为主）可直接氧化生成SO2：

4FeS2+11 SO22Fe2O3+8 SO2(1)

    4 脱硫机理

    煤在燃烧过程中生成的SO2如遇碱金属氧化物CaO、MgO 等，便会反应生成 CaSO4、MgSO4等而被固定在灰渣中。因此燃烧脱硫也常常被称做固硫。目前循环流化床燃烧脱硫通常采用石灰石（CaCO3） 作为脱硫剂，把破碎后的粒度为 0.1~2.0mm的石灰石送入循环流化床炉膛内，其在炉内的脱硫反应分两步：首先是石灰石的煅烧分解反应，反应式为：

    CaCO3＝CaO+CO2－0.1794×106kJ/kg(2)

    石灰石在煅烧过程中，由于 CO2的析出，使生成的 CaO 具有多孔的结构。除 CaO 表面完成对 SO2的吸附外，其多孔结构使 CaO 对 SO2的吸附表面增加，从而加大 CaO 对 SO2的反应接触面积，促进反应的进行，最终反应生成 CaSO4。发生的脱硫反应如下：

    CaO+SO2+1/2O2＝CaSO4+0.502×106kJ/kg (3)

    石灰石在燃烧过程中的脱硫原理见图1。

图1 石灰石在燃烧过程中的脱硫原理

    式(3)是燃烧脱硫反应的主要步骤，特别是在温度较高时式(2)反应速度很快，但需要注意式(3)反应存在最佳温度范围，该温度范围为840~870 ℃。流化床在这个温度范围内进行燃烧脱硫时可以得到较高的脱硫效率，温度低于或高于该温度范围后，脱硫效率都会降低。

    5 影响脱硫效率的主要因素

    脱硫效果通常用脱硫效率来表示，而脱硫效率通常用烟气中的 SO2被石灰石吸收的百分数来表示。

    式（4）中 ηSO2―――脱硫效率，%

    C0―――SO2原始理论排放浓度，mg/m3

    C1―――加入石灰石后 SO2排放浓度，mg/m3

    影响脱硫效率的因素众多，其中主要因素有:脱硫剂的特性、Ca/S 摩尔比、石灰石的颗粒分布、床温、飞灰循环倍率、煤的性质等。

    5.1 石灰石的反应活性

    要保证脱硫运行的效果和经济性，石灰石品质的选择是关键，石灰石质量要求 CaCO3含量大于 70%，选用的脱硫试验石灰石成份分析见表 2 所示；再者，就是购买反应活性高和脱硫性能好的品种。    一般说来，晶体型石灰石主要由大块的碳酸钙晶体组成，结构致密，煅烧后生成的石灰的微孔结构很不理想，反应面积小，因此反应活性差。非晶体型石灰石是由小块碳酸钙晶体黏结在一起形成的非晶体结构，煅烧后形成的微孔比较理想，可参与反应面积大，所以其活性好，由此可见，对于燃烧高硫燃料，为保证高的脱硫效率，用作脱硫剂的石灰石选择十分重要。

    表2 石灰石成分分析                       %

    5.2 Ca/S摩尔比的影响

    一般情况下，要求的脱硫效率越高，那么 Ca/S摩尔比也越高，因而要消耗更多的石灰石，且在飞灰中未反应的 CaO 含量越高，脱硫运行成本也就越高。锅炉燃用的原料煤中 Sf平均为 1.28%，我们用德国约克仪器公司的 S2000 型烟气分析仪在烟道分别测试了不同 Ca/S 摩尔比下 SO2排放浓度，图 2 是当浓相区温度在 860 ℃时，测试得到的 Ca/S 摩尔比与脱硫效率的数据关系，从图 2 可以看出，随着 Ca/S摩尔比增大，脱硫效率增大，当 Ca/S 摩尔比大于 2.5时脱硫效率增加趋势缓慢。当 Ca/S 摩尔比为 2.5时，SO2的排放浓度 G＇SO2=548 mg/m3，脱硫效率为78.6%。

图2 Ca/S摩尔比对脱硫效率的影响

    5.3 循环流化床锅炉床温的影响

    床温的变化不仅直接影响循环流化床锅炉的着火和稳定燃烧，还影响石灰石的反应速度、固硫产物分布以及孔隙堵塞特性，从而对脱硫效率和脱硫的使用量有重要影响，因此，对床温控制应考虑：在该温度下不会软化，保证锅炉的燃烧效率较高，脱硫剂使用较少，脱硫效率高，NOx排放低。当床温低于800 ℃时，石灰石煅烧生成 CaO 速度减慢，减少了可供反应的表面积，脱硫效率下降且锅炉不能稳定运行。当床温大于 870 ℃，CaO 内部分布均匀的小晶粒会逐渐融合为大晶粒。温度越高，晶粒越大，单位质量内晶粒数量减少，CaO 比表面积下降。经过反复试验表明，床温对于脱硫效率有重要影响，循环流化床锅炉炉内脱硫最佳温度应控制在 840~900 ℃之间，床温在这个温度范围运行时，在同样 Ca/S 摩尔比的情况下，可以得到较高的脱硫效率，如果低于820 ℃或高于 920 ℃，在保证一定的脱硫效率的情况下，Ca/S 摩尔比需增加许多。床温过低则不利于石灰石煅烧反应进行，相反若床温过高，CaO 内的微孔会被迅速堵塞而阻止了脱硫剂的进一步利用。此外，床温过高还会造成 CaSO4分解，也影响脱硫效率。由此可见，为得到较高的脱硫效率，控制燃烧温度，并使整个床温分布均匀具有重要意义。

    5.4 挥发分含量的影响

    由于煤中挥发分的析出和燃烧速度比焦炭的燃烧速度快得多，因此挥发分中的硫分会迅速析出，在煤入炉点会形成一个 SO2高浓度和低氧浓度的区域，而且在烟气的带动下很快向炉膛上部扩散。在循环流化床锅炉中，特别在稀相区中，气体和固体的横向混合比较差，由于挥发分中硫产生的 SO2会向上穿过炉膛，使脱硫效率降低，通常烧挥发分高的煤时，只有采用较高的 Ca/S 摩尔比，才能得到较高的脱硫效率。

   

    5.5 煤的性质对脱硫效率的影响

    煤的性质指煤中可燃硫的含量和燃煤灰渣碱金属氧化物的含量。在氧化性气氛中，煤在燃烧过程中的可燃硫全部生成SO2。可燃硫占煤中含硫量的绝大部分，因此，可以根据煤中的含硫量大致估算煤在燃烧过程中SO2的生成量。煤中的硫燃烧后生成两倍于煤中硫质量的 SO2。因此，煤中每 1%的含硫就会在烟气中生成约 2000 mg/m3（标准状态下）的SO2。

    当煤中含硫量为 2%时，烟气中 SO2的原始生成浓度为 4000 mg/m3（标准状态下）。如果要求烟气中SO2的排放标准为 400 mg/m3（标准状态下），则燃烧过程中的脱硫效率必须达到 90%。在相同 Ca/S 摩尔比的情况下，含硫量越高的煤，其脱硫率也越高。这是因为高硫煤会使炉膛内产生较高的 SO2浓度，因而提高了脱硫的反应速度。

    煤中含有 CaO、MgO、Fe2O3等碱性金属氧化物，也具有一定的脱硫能力。它们和烟气中的 SO2发生化学反应而脱除SO2，这叫煤灰中碱性氧化物的自脱硫能力。

    6 结论

    综上所述，影响炉内脱硫效率的因素众多，通过多年的实践摸索，建议：①对采购石灰石品质严格把关，选择反应活性高、脱硫性能好的石灰石；②石灰石破碎的粒径分布的要求符合“两头小，中间大”，平均粒径控制在 126 mm 的范围内, 石灰石与煤同点给入；③优化控制锅炉运行技术参数，特别是床温的最佳温度应控制在840~900 ℃之间；④在原料煤中掺烧低硫的无烟煤。通过以上措施的落实就可以发挥循环流化床锅炉的优势，实现循环流化床锅炉低成本脱硫和SO2的达标排放。

    参考文献：

    [1]岑可法．循环流化床锅炉理论设计与运行[M]．北京：中国电力出版社，1998．

    [2]刘德昌, 陈汉平等.循环流化床锅炉运行及事故处理[M].北京:中国电力出版社.