循环流化床炉内喷钙脱硫技术研究

摘 要：随着环保要求的提高， SO2如何做到超低排放是摆在当前电厂运行迫在眉睫的问题，循环流化床锅炉利用其特有的燃烧方式利用炉内喷钙进行脱硫有其先天的优势，但也受到燃烧以及其他因素的影响，如何提高炉内脱硫的效率，同时降低脱硫剂的使用，就此笔者根据实际运行经验提出思考和建议，仅供参考。

关键词：电厂；循环流化床；炉内喷钙脱硫

1. 系统简介

淮北临涣中利发电有限公司一期2 台循环流化床锅炉机组的石灰石系统设计为气力输送， 外购成品石灰石粉储存于石灰石粉仓中， 通过仓泵进行气力输送至炉膛。

1.1系统设计

每台锅炉设计为给料系统2 套，设计为一运一备。每套包括：中间仓、给料仓、仓螺体、混合器、管道、阀门等，两台锅炉共用一个石灰石粉仓。

随着环保指标控制的日趋严格，为满足当前环保的要求，2015年#1、2炉分别新增加一套石灰石粉输送系统。如图1：

目前一期#1、2炉每炉共有三套石灰石仓螺体设备，正常运行是以新增加的一套输送系统为主，原设计两套为辅。

1.2 反应原理

投入炉内的石灰石在高温条件下煅烧发生分解反应生成氧化钙，然后在炉内850℃左右的条件下，氧化钙、SO2和氧气经过化学反应生成硫酸钙，化学反应方程式为：

CaCO3CaO+CO2 （分解反应）

CaO+SO2+1/2O2CaSO4 （固硫反应）

在CFB锅炉燃烧条件下，石灰石经煅烧后生成CaO，由于CO2溢出，在固体颗粒的表面及内部形成一定的孔隙，为SO2向颗粒内部扩散及固硫反应的发生创造了条件。

2 . 石灰石粉喷入后对锅炉的影响

2.1 添加石灰石脱硫对入炉热量的影响

添加石灰石脱硫的热化学反应包括CaCO3煅烧的吸热反应和硫酸盐化反应的放热反应两部分，其热化学反应方程式如下：

CaCO3 ―― CaO + CO2-1830 KJ/kg CaCO3

CaO + SO2 + 1/2 O2 ―― CaSO4+15141 KJ/kg S

显然，CaCO3煅烧热损失

qCaCO3 = B CaCO3×1.83×105/Bj Qar，net，p %

硫酸盐化放热 qCaSO4 = -Sar×m×1.5×106/Qar，net，p %

其中：Qar，net，p为燃料低位发热量，KJ / kg。

2.2加入石灰石后对灰渣物理热损失的影响

灰渣物理热损失（q6）的变化包括飞灰和大渣两部分。严格地说，飞灰部分因加入石灰石引起的热损失应计算在排烟热损失中（即排烟焓发生变化）。为了计算方便，我们将其统一归于灰渣物理热损失中，并将加入石灰石后增加的灰渣物理热损失称为附加灰渣物理热损失（q6）。

q6=100×[as（ct）1+（1- as ） （ct）2] BS1/Bj Qar，net，p %

其中：as为石灰石飞逸份额；

（ct）1为排烟温度下的飞灰焓，KJ / kg；

（ct）2为排渣温度下的灰渣焓，KJ / kg；

BS1为石灰石脱硫反应后的重量，kg。

床内脱硫反应后，石灰石组份变化引起了重量变化。向炉内加入的石灰石主要成分是CaCO3（100g/mol），经分解反应和硫酸盐化反应后主要成分变为CaO（56g/mol）和CaSO4（136g/mol）。另外，石灰石中CaCO3以外的物质在炉内也可能存在复杂的化学反应过程，但因各种成分反应后重量有增有减，总体变化不大，含量又相对很少，所以在重量计算中可以认为它们是惰性的。反应后石灰石的重量BS1为：

BS1= （1- CaCO3） BS + CaCO3 BS {（56/100）[（Ca/S） -m] + （136/100） m}/（Ca/S）

2.3 加入石灰石后对脱硝的影响

加入石灰石后对NOx有一定负面的影响，烟气中的NOx含量增加20%～30%，为提高脱硫效率提高Ca/S时，NOx的排放含量也会增大，主要原因是在氧化性燃烧气氛中，石灰石产生的氧化钙能促进挥发分中的NH3氧化生产NO，并促进N2O转变成高温下更稳定的NO，造成烟气中的NOx含量增加。

2.4加入石灰石对排烟温度的影响

加入石灰石引起的烟气量增加造成排烟热损失增加对循环流化床锅炉效率的影响相对较小。其影响程度也与燃料含硫量密切相关。燃料含硫量越高，影响程度越大。对于含硫量4%以上的高硫燃料，烟气量增加造成的锅炉效率降低约为0.1～0.15个百分点，对于我厂燃料在0.5%左右含硫量，可以忽略不计。加入石灰石脱硫对烟气露点温度有很大的影响。含硫量小于1%的低硫煤，烟气露点温度下降10～20℃；含硫量1～3%的中硫煤，烟气露点温度下降20～35℃；含硫量大于3%的高硫煤，烟气露点温度下降35～50℃。

3. 石灰石炉内喷钙运行当前存在的问题

3.1 石灰石品质

石灰石品质，包括石灰石中CaCO3的含量、石灰石的脱硫反应活性及粒度分布等，对锅炉的脱硫效率有重要影响。

如果投入CFB锅炉的石灰石中CaCO3含量偏低，脱硫反应的有效成分低，必然降低石灰石的脱硫效果；如果石灰石的脱硫反应活性（主要决定于石灰石矿的微观分子结构形式、石灰石煅烧产物的孔隙率及孔径的分布范围等）差，即使石灰石的CaCO3含量较高，也会导致石灰石的脱硫效率偏低。

石灰石的粒径分布对炉内脱硫效率也有重要影响。如果粒径过小，投入锅炉的石灰石粉未经分离器捕集、一次通过锅炉直接进入尾部烟道形成飞灰的份额较多，这部分细石灰石粉由于与烟气接触的时间过短，利用率偏低；如果投入锅炉的粒度过大，大部分石灰石不能参与循环，与高SO2浓度烟气接触时间与接触表面积均较小，而且由于CaO与SO2和O2反应生成的CaSO4体积大于CaCO3，会堵塞烟气中SO2进入石灰石内部的通道，导致大部分石灰石未充分参与脱硫便从排渣口排出，使石灰石的利用率降低。因此，石灰石的最佳粒度分布为：大部分石灰石颗粒能够参与炉内循环，并经多次循环利用后随烟气或底渣排出炉膛。

3.2 锅炉床温的影响

CFB锅炉运行参数对脱硫效率也有很大影响，其中，床温的影响最为显著。研究表明，脱硫反应的反应速度一开始随温度升高而升高，在820～850℃时达到最佳值。之后随温度升高，反应速度开始下降。在更高的床温下，CaSO4还会逆相分解放出SO2，进一步降低硫酸盐化的化学反应速度。锅炉设计床温一般选择为890～920℃。但实际运行中，如果没有煤泥掺烧的话，锅炉运行床温偏离了设计值较多。运行床温已经接近1000℃。而且由于煤泥的掺烧烟气的中湿度增大，同时可以提高脱硫剂与硫的反应，提高硫脱硫效率，因此煤泥的连续供应及煤泥设备的正常运行对提高锅炉效率是非常关键的。

3.3过量空气系数的影响：

过量空气系数对SO2影响较大，随着过量空气系数的增大，SO2浓度逐渐减少，在总风量一定的情况下，如果实施分级燃烧，则一、二次风率将影响SO2的析出，实践证明，在升负荷时如果先增加风量然后合理添加煤量对控制SO2有非常好的效果；如果下二次风开大，SO2也较容易控制，但不是说过量空气系数越大越好，在考虑燃烧安全的前提下，如果过量空气系数过大，则会导致NOx浓度的增加。

3.4 石灰石粉输送的问题

一般地，石灰石粉具有以下特性：

①研磨后石灰石粉颗粒有棱角，硬度高。

②石灰石粉堆积密度较大（1.1～1.4 t/m3）。

③石灰石粉颗粒的离散性较大（30um～2mm）。

④石灰石粉CaO的含量高，易吸水受潮结块。

⑤石灰石粉对压缩空气分子的亲和力差，逸气性强。

石灰石粉的上述特性决定了其属于较难输送的物料，使石灰石粉输送系统具有如下特点：

①气力输送的悬浮速度梯度较大，给输料管风速的选择带来困难，甚至造成管道的堵塞。

②石灰石粉颗粒容易沉积，易吸潮板结，易造成下料堵塞或堵管。

③对管道的磨损较大。

此外，在石灰石输送系统运行过程中，大量阀门，包括平衡阀、进料阀，需要频繁动作，经常出现阀门卡涩现象，也影响到石灰石输送系统的正常运行，这也是导致我厂脱硫效率降低的主要原因。

3.5石灰石“自动”运行的问题

因我厂石灰石仓螺体距离炉膛有300～400米，距离长，从石灰石粉量的改变到脱硫反应开始至少有5分钟的滞后，因此在锅炉运行期间自动投入效果不好，运行人员劳动强度大。

4. 提高脱硫效率的措施

4.1 控制好石灰石的品质，CaO含量不低于50%，颗粒度符合要求。

4.2 提高煤泥掺烧量和运行人员操作水平，在增加负荷时做到“先加风后加煤”，控制好燃烧，防止燃料急剧燃烧局部床温过高导致SO2超标。

4.3 对石灰石输送系统做好维护，提高石灰石输送系统的可靠性和自动调节功能。

5. #1、2炉石灰石粉输送改造后运行情况

5.1 #1、2炉石灰石粉增加一套输送系统后，运行人员劳动强度大幅降低，脱硫控制手段增强。

石灰石粉输送系统改造前、后数据对比表：

时间 脱硫效率（%） 脱硫不合格点（个） SO2排放浓度（mg/m3）

#1炉 #2炉 #1炉 #2炉 #1炉 #2炉

改造前 89.27 88.32 11 12 132 139

改造后 92.32 91.21 4 5 92 97

通过上表看出，#1、2炉增加一套石灰石粉输送系统后，脱硫效率分别提高3.05、2.89个百分点，脱硫不合格点也有大幅下降，SO2排放浓度也降至100mg/m3以下，改造取得良好效果。

6.结束语：

炉内喷钙脱硫经过设备改造及运行调整后脱硫效率能达到90%，在无煤泥掺烧情况下能满足当前的环保控制要求，但运行中阀门故障率高，管道磨损、自动控制滞后以及受到燃烧工况影响等原因，想进一步提高脱硫效率，存在较大的难度，需要对脱硫设备进一步改造（增加湿式脱硫），方能满足日益提高的环保标准。