CFB锅炉烟气脱硫方式的比较

摘要:CFB锅炉是一种环保型的锅炉,可以通过喷入一定的石灰石,实现了一定效率的炉内干法脱硫,炉内脱硫效率一般在60％～90％之间。但由于CFB锅炉的燃料特点,在一些燃烧高硫燃料或所在地SO2排放标准要求严的CFB锅炉,必须在炉后进一步进行烟气脱硫。本文通过对传统湿法脱硫工艺(钙法、镁法、氨法)存在的问题以及对循环流化床干法脱硫工艺优点的论述,得出了对于CFB锅炉采用循环流化床干法脱硫工艺更具有科学性结论。

关键词:CFB锅炉 先除尘后脱硫 先脱硫后除尘 循环流化床干法 综合利用 腐蚀 结垢 旁路

中图分类号:TQ3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0114-02

CFB锅炉以其在劣质煤利用、煤种的适应性、电网负荷调节等方面,具有独特的优势,得到了广泛的关注。我国现已全面掌握了300MW及以下机组CFB锅炉燃烧技术,600MWCFB锅炉技术也进入了示范应用阶段。

CFB锅炉通过喷入一定的石灰石,在炉内高温煅烧生成CaO,与烟气中的SO2进行反应,生成CaSO4,实现了一定效率的炉内干法脱硫,炉内脱硫效率一般在60%～90%(取决于Ca/S和锅炉结构)之间。但由于CFB锅炉的燃料特点,在一些燃烧高硫燃料或所在地SO2排放标准要求严的CFB锅炉,必须在炉后进一步进行烟气脱硫。

CFB锅炉烟气脱硫提效的传统工艺路线,一般是烟气先经过布袋除尘器(或电除尘器)除尘后,再旁路进入湿法脱硫装置进行烟气的提效脱硫。由于CFB锅炉烟气含尘浓度高,加上炉内脱硫后的烟尘比电阻高。因此,传统的CFB锅炉烟气除尘净化一般采取配套布袋除尘器的方案。笔者认为这种传统的先除尘后脱硫的工艺方案,应用于CFB锅炉烟气的二次脱硫,是一种不合理的工艺路线,特别是随着取消脱硫旁路的要求日益得到落实,这种先除尘后脱硫的工艺方案所暴露的问题将更加严重。

这种传统的先除尘后脱硫的工艺方案存在的问题简述如下。

(1)锅炉排出烟尘中的未完全反应的CaO无法得到综合利用,造成资源浪费。

由于CFB锅炉炉内脱硫的Ca/S约为2～2.5,这样经CFB锅炉排出的烟尘中含有约50%以上未进行脱硫反应的CaO,采用湿法脱硫工艺,除尘器配套在脱硫塔之前,这部分游离CaO被除尘器几乎完全脱除,无法作为脱硫吸收剂加以充分的利用,同时游离CaO还严重影响了CFB锅炉灰的综合利用效果,造成较大的浪费。

(2)腐蚀严重。

(3)湿法脱硫烟囱整体造价昂贵。

为了解决湿法脱硫排烟温度低的问题,国内早期的湿法脱硫装置一般都设计了GGH,从后期的运行效果来看,GGH虽然能达到一定的提升排烟烟温效果,但由于其高故障率,成为湿法脱硫装置的主要故障点。因此,最近几年的湿法脱硫装置更倾向于采用湿烟囱直接排放技术,对烟囱内筒进行特殊的防腐处理,采用较多的为钛-钢复合板内筒工艺,将导致烟囱的整体造价大大提高。

(4)结垢严重。

(5)取消旁路,采用串联湿法脱硫装置的工艺方案,将对主机机组的运转率带来严峻考验。

国家环保部门为了规范市场,于2010年出台了相关规定,要求新建机组的烟气脱硫装置不再设旁路烟道,已建机组已经设置了旁路的脱硫装置,必须将旁路加装铅封。因此,当湿法脱硫装置故障停运时,机组必须停运。由于腐蚀和结垢等原因,湿法脱硫工艺(钙法、镁法、氨法)故障率高,运转不正常。就意味着采用湿法脱硫工艺的机组要经常因为脱硫装置的故障而停运,损失将非常严重。

(6)脱硫系统无法快速响应锅炉负荷的变化运行。

石灰石-石膏湿法脱硫工艺的启停较为麻烦,需要的时间较长,无法快速相应锅炉负荷变化情况,而且在系统不进行投运时必须进行维护。

(7)湿法脱硫烟囱排出的“石膏雨”,严重影响周边环境质量。

(8)脱硫工艺产生细微颗粒物浓度、废水“双重”副产物污染,特别是吸附有重金属Hg的细微颗粒物,将对人体健康产生更大的危害。

①细微颗粒物污染(吸附了Hg等重金属)

湿法脱硫塔的洗涤效果可以除去经电除尘器排出的部分颗粒(湿法脱硫的洗涤除尘效率一般可以达到50%),但由于湿法脱硫后的除雾器的除雾效果有限,排出的烟气含有浆液水汽中,夹带有大约15mg/m3的浆液细颗粒。因此,湿法脱硫后的烟气含尘浓度中的细微颗粒浓度上升。这些粒径低于PM2.5的细颗粒低空排放,进一步加剧了阴霾天气的产生频率,严重危害了人们的健康。

“公布的空气质量监测结果达标了,为什么还是灰蒙蒙的,看不见蓝天?”这一人们普遍的疑问,反映了我国阴霾问题日益严重以及环保治理与实际效果的偏离。这一问题的产生与我国大量火电机组的烟气脱硫工艺路线采用电场数不足的电除尘器＋湿法脱硫(不加GGH)不无关系。

②废水污染。

湿法脱硫将产生一定的废水。湿法脱硫废水成分复杂,含有一定的重金属,必须单独进行处理,除了增加相应的脱硫投资成本外。更多的是由于废水成分较复杂,废水处理系统维护量大,故障率高,容易引起环境的二次污染。

③脱硫石膏污染。

由于脱硫石膏含有10%的水分,用于水泥,必须进行烘干、造粒,需要消耗大量的蒸汽等能源,成本远高于外购天然石膏,并不划算,因此脱硫石膏大部分是抛弃,造成脱硫石膏污染。

针对传统的“先除尘后脱硫”工艺方案存在上述问题,CFB锅炉配套采用循环流化床干法脱硫＋布袋除尘器的烟气脱硫除尘一体化新型工艺方案,直接利用CFB锅炉“富钙灰”,“先脱硫后除尘”的脱硫除尘一体化工艺方案具有以下几个优点。

(1)利用锅炉排出烟尘中含有的大量未完全反应的CaO作为吸收剂,大幅度降低了运行成本,符合循环经济的要求。

CFB锅炉炉内脱硫的Ca/S一般为2～2.5。因此,锅炉排出的烟气飞灰中含有约50%未反应完的CaO。烟气中的CaO随烟气进入流化床塔内,在脱硫工艺注水的作用下,利用烟气流化床所特有的高密度和激烈湍动的颗粒床层所形成的高传质传热速率,迅速消化生成Ca(OH)2,与烟气进行高效脱硫反应,降低了运行的成本。

(2)烟气循环流化床干法脱硫的烟囱不要防腐。

循环流化床干法脱硫塔内激烈湍动的高密度的颗粒床层所形成的巨大吸附表面积,100%脱除SO3、HCl、HF等所有酸性气体。因此,整个脱硫系统及后续的烟囱无需任何防腐。不但大大节约烟囱防腐的投资,还避免了因烟囱实施防腐出现问题而导致的锅炉机组停运的损失。

(3)先脱硫后除尘,烟温降低、烟气化学侵害能力大幅度减弱,滤袋寿命大幅度延长。另外,利用滤饼层还帮助提高了脱硫效率。

循环流化床脱硫塔置于布袋除尘器前,加上烟气经过循环流化床塔脱硫后,烟气温度降低,有利于提高布袋除尘器的滤袋寿命(滤袋寿命与烟气温度成反比),大大降低了布袋除尘器的维护成本。特别是循环流化床塔内具有巨大的颗粒浓度,对锅炉烟气工况波动具有较好的缓冲作用,可避免布袋除尘器发生超温烧毁的事故。布袋除尘器置于循环流化床塔之后,滤袋表面的粉饼层含有未反应完的Ca(OH)2,可以进一步脱硫,提高脱硫效率。CFB锅炉配套烟气循环流化床干法脱硫＋布袋除尘器,综合脱硫效率很容易达到95%以上。

另外,由于循环流化床反应塔,具有SO2、SO3、HCl、HF等多组份污染物净化能力。因此,经流化床塔净化后的烟气,大大降低了对布袋除尘器滤料的化学侵害,提高了滤袋的使用寿命。

(4)烟气循环流化床脱硫除尘一体化工艺的典型工艺布置本身就没有旁路。取消脱硫旁路的要求,对干法脱硫的设计没有任何影响。

循环流化床脱硫反应塔,排空塔内的物料后,可以看成是布置在布袋除尘器前的一根立起来的“烟道”。因此,干法脱硫工艺方案本身就不需要设旁路。干法脱硫的启停简便快捷(大约30min可以完成系统启停)。

脱硫系统故障,需要退运脱硫,不会对锅炉机组运行造成任何影响。不存在像湿法脱硫那样,停运后,有多达3千吨以上(1台600机组)浆液需要特别处理的问题。

(5)不受烟气负荷及含硫量限制,对煤质煤种适应性强。

对于由于煤种的变化而造成烟气中SO2浓度的增加,只需适当增加吸收剂的加入量(设备无须改造),就可以使脱硫效率得到提高,以满足越来越严格的环保要求。

(6)包含细微颗粒物、重金属Hg等在内的多组份污染物的协同去除,满足今后更严格的环保要求。

SO3、HCl、HF等酸性气体在流化床内,先于SO2得到几乎100%的高效脱除。同时,细微颗粒物,特别是小于PM2.5的细微颗粒,在流化床塔内激烈湍动的高密度颗粒床层的作用下,凝并成大颗粒,被脱硫后的布袋除尘器加以捕集。烟气循环流化床干法脱硫后的烟气,经过布袋除尘器净化后的粉尘排放容易控制在30mg/m3以下。

锅炉燃烧后产生的重金属Hg,主要有两种存在形式,一种为Hg2+价态汞、一种为HgO。Hg2+价态汞极易溶于水,随SO2得到高效去除。

危害更大的HgO一部分存在于细微颗粒表面,随着细微颗粒在流化床塔内凝并成大颗粒后,被布袋除尘器加以脱除。不添加吸附剂,仅通过流化床内的高密度颗粒吸附作用,脱汞率为60%左右。如果添加少量的活性炭粉,总脱汞率可以达到97%以上。

另外,循环流化床脱硫后的烟温比湿法脱硫高约25～30℃,抬升高度高,烟囱出口呈透明状,感官效果好。

(7)节水、节能。

对于燃煤电厂,烟气循环流化床脱硫工艺的操作温度高于湿法脱硫工艺25℃以上,可较湿法脱硫节水35%左右。特别是,当烟气中含水量高时,节水更加明显。另外,通过添加少量的节水剂,进一步激活烟气中的水含量,可延长吸收剂Ca(OH)2表面的液膜存续时间,大幅度提高脱硫效率,实现高度节水。这一节水技术对我国富煤缺水地区,特别是缺水地区建设大型煤电一体化基地意义重大。

并且系统简单、占地省、投资省、能耗低、运行维护方便。

(8)烟气循环流化床脱硫装置同时具有脱硝的功能。

面对国内日益严峻的环保问题,火电厂烟气污染物排放浓度的标准将不断提高,烟气中氮氧化物的排放必将成为火电厂污染物排放的重点治理工作。目前,国内的部分厂家已经研制出一种脱硝剂,利用已有的烟气循环流化床脱硫装置,通过增设脱硝剂供应系统,向吸收塔内加入脱硝剂后,即可具有较高的脱硝效率。

(9)不产生废水,副产物综合利用范围优于湿法脱硫。

烟气循环流化床干法脱硫工艺不产生废水。

脱硫后的烟囱排放的烟气为几乎纯净的气体。不存在湿法脱硫所存在的因为SO3和细微颗粒物脱除率低,加上烟温降低所造成的落地浓度提高而引起的二次污染问题。

产生的副产物为干态,可综合应用于筑路、制砖、作为垃圾填埋场的防渗层、矿区回填和酸性土壤植被修复,以及低标号的混凝土掺和料。

综上所述,CFB锅炉烟气二次脱硫提效,采用“先脱硫后除尘”的循环流化床干法+布袋除尘器的脱硫工艺,是一种符合循环经济理念,有利于电厂安全运行的技术经济性优的工艺路线。