CFB锅炉炉内喷钙脱硫系统工艺优化

摘 要：文章分析了循环流化床锅炉脱硫机理及脱硫的影响因素，总结现有脱硫装装置存在的问题。研究采用延长脱硫反应时间的方式，提高脱硫效率，制定脱硫系统优化工艺。工程实例表明，该工艺合理稳定，节约石灰石用量，有效降低了烟气SO2排放浓度。

关键词：CFB锅炉；脱硫；工艺优化

中图分类号：TK227 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）29-0175-02

循环流化床燃烧是一种在炉内使高温运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程；在炉外分离设备将绝大部分高温固体颗粒同步捕集，并将它们送回炉膛继续参与燃烧。

该燃烧技术具有分级燃烧有效降低NOx排放、低成本脱硫、煤种适应性强、灰渣易于综合利用、负荷调节范围大、燃烧稳定等特点。炉内喷钙脱硫与煤粉燃烧锅炉尾部烟气脱硫技术相比，在脱硫经济性、脱硫能力上占有优势。

1 循环流化床锅炉脱硫机理

循环流化床锅炉通过向炉内添加石灰石控制SO2排放。其在炉内的脱硫反应过程一般分为两步：

第一步，CaCO3的煅烧反应，即石灰石在高温下分解生成CaO和CO2。

化学方程式：CaCO3CaO + CO2 （煅烧反应）

第二步，煅烧生成的多孔状CaO在氧化性气氛中遇到SO2就会发生化合反应生成CaSO4。化学反应方程式：CaO+ SO2+1/2O2 CaSO4（化合反应）

石灰石煅烧及化合反应过程中微观结构发生改变，如图1所示。

2 循环流化床锅炉炉内脱硫的影响因素

2.1 燃料和石灰石粒径的影响

循环流化床锅炉对燃料和石灰石粒度及粒径分布有严格要求。燃料平均颗粒度过大，会造成锅炉床料大颗粒积聚，床料分层，流化变差，排渣设备堵塞，严重时导致炉膛结焦停炉。石灰石平均粒度过大，脱硫气固反应表面积减小，扩散阻力增加，石灰石利用不充分。但是，燃料和石灰石粒度太小时，会增大其飞灰形式的逃逸量，旋风分离器捕捉不到，使脱硫效率下降，飞灰含炭量升高。故一般采用0～2 mm，平均100～500 μm的石灰石粒度。

2.2 Ca/S摩尔比的影响

CaCO3摩尔体积为CaO的1.79倍，CaCO3煅烧过程中自然孔隙扩大，形成的多孔隙结构有利于CaO与SO2反应。理论上，硫的盐化反应中CaO与SO2按照等摩尔比进行。但是实际反应中由于脱硫产物CaSO4的摩尔体积是CaO的2.43倍，CaO的表面生成一层致密的CaSO4薄膜，这层膜减缓SO2与CaO颗粒反应速率，致使短时间内石灰石颗粒内部CaO无法充分反应。

由于上述原因，工程实际应用中，钙硫摩尔比总是大于1。在其他工况相同的情况下，脱硫效率随Ca/S摩尔增加而快速提高。但是当Ca/S比从2.5继续增加时，脱硫效率增加趋势变缓，继续增加石灰石用量，CaO的利用率快速下降，脱硫效率无增加。Ca/S摩尔比对脱硫效率与CaO利用率的影响如图2所示。

2.3 反应时间的影响

对于有气体参与的化学反应，状态条件不变时，单位时间内有效碰撞次数不变。如果延长化学反应时间，则累计有效碰撞次数增加，化学反应效果提高；反之则减小。工程实践表明，当Ca/S摩尔比确定的情况下，随着锅炉循环倍率的增加，飞灰的再循环延长了石灰石在床内的停留时间，达到一定脱硫效率所需的石灰石投放量下降，提高了脱硫效率。反应时间对脱硫效率和CaO利用率的影响如图3所示。

2.4 其它影响

①床温影响。循环流化床锅炉最佳温度大约是830～930℃。循环流化床在这个温度内进行燃烧脱硫能得到高的脱硫效率，温度低于或高于该温度范围后，脱硫效率都会下降。

②给料方式的影响。国内外运行实践表明，石灰石与煤同点给入时，脱硫效率高；前后墙平衡给煤时，脱硫剂利用率最高。

3 循环流化床锅炉炉内脱硫的主要问题

实际运行中，由于锅炉运行工况不稳、脱硫效率影响因素控制不严，为使SO2达标排放，往往造成实际Ca/S比较大。如四川某电厂锅炉设计的Ca/S比为1.97，实际运行中Ca/S比有时超过4.0，但是有时即使增加Ca/S摩尔比，也难以达到所要求的脱硫效率。显然单纯通过增加Ca/S比来控制SO2排放在做法，存在诸多弊端：更多的石灰石用量增加了锅炉的运行费用，严重影响脱硫经济性；大量的石灰石进入炉膛煅烧，增加了锅炉的CO2排放量：反应后的粉煤灰中游离氧化钙含量很高，限制粉煤灰综合利用；增加NOX的排放量，对SNCR脱硝系统性能产生负面影响；干扰炉内燃烧，降低锅炉效率。

4 脱硫系统工艺的优化

为了避免这些弊端，使循环流化床在更为经济有效的脱硫方式下运行，这就要求循环流化床锅炉在保证较高脱硫效率的同时，能够在较低的Ca/S比下运行。

4.1 脱硫优化工艺原理

实践中，循环流化床锅炉旋风分离器对于平均直径小于50 μm的飞灰颗粒捕捉能力很低。大量的石灰石颗粒在流化床锅炉中停留时间过短，CaO反应不充分，高Ca/S摩尔比工况下，石灰石粉浪费更为严重。工艺上，可以考虑采用回燃方式延长反应时间，延长反应时间，提高石灰石利用率。所谓回燃，就是把除尘器收集下来的飞灰，再回送入炉内参与燃烧。回燃既能把未反应的CaO粒子返回炉内循环利用，延长石灰石停留时间，起节约石灰石的作用，又能降低飞灰含碳量。

4.2 工程实例

河北某热电厂4×410 t/h循环流化床锅炉回燃系统系统，将锅炉尾部电除尘器一电场收集的飞灰送回石灰石粉仓，进入锅炉炉膛内的密相区，实现循环燃烧，该技术能使床温保持在最佳脱硫温度下，同时提高了石灰石的利用率，系统见图4。

4.3 效果验证

①锅炉改造完成后，未能在炉膛内充分燃烧的小颗粒飞灰被重新送回炉膛燃烧，有效延长脱硫反应时间。对回燃系统投用前后飞灰成分进行分析。分析得飞灰中CaSO4/CaO有明显增大，这说明石灰石的利用率明显提高。飞灰中CaSO4/CaO变化见图5。

②锅炉优化完成后，尾部烟道设置SO2浓度测点，连续监测烟气SO2浓度排放浓度。在相同机组负荷下，对回燃系统投运前后，烟气SO2排放浓度进行对比。实测参数表明，相同Ca/S摩尔，烟气SO2排放浓度平均下降

87 mg/Nm，环保与经济效益明显。SO2浓度对比见图6。

5 结 语

炉内喷钙脱硫系统工艺优化，延长了石灰石粉在炉膛内的停留时间，改善脱硫反应效果，有效降低锅炉烟气SO2浓度，节约石灰石用量。达到节能环保效果。

参考文献：

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