循环流化床锅炉石灰石脱硫系统探讨

To Explore the Desulfurization with Lime-stone of CFB Boiler

Zhao Buhe Sun Limin

（Shenhua Zhunneng Gangue Power Generation Company，Ordos 010300，China）

摘要：循环流化床锅炉是一种国际公认的洁净煤燃烧技术，以其燃料适应性广、脱硫效果好、NOX排放量低、负荷调节性能好等优点在我国燃煤电厂得到广泛应用。本文通过对循环流化床锅炉石灰石脱硫工艺进行探讨，论述循环流化床锅炉脱硫原理及影响脱硫的主要因素，找出循环流化床锅炉脱硫改造中应注意的一些问题，从而对循环流化床锅炉脱硫设施的设计、运行起到一定的借鉴意义。

Abstract: CFB boiler is an international recognized clean coal combustion technology. With fuel adaptability, effective desulfurization, NOx emissions low, and good load regulation performance of coal-fired power plants, it is widely used in China. Based on the exploration of Desulfurization with Lime-stone process of CFB boiler, the paper discusses the its principle of circulating and the main factors to find notes in the transformation of desulphurization of CFB boiler, thus playing a certain reference role in design and operation of desulfurization facilities of CFB boiler.

关键词：循环流化床锅炉 脱硫 石灰石 输送

Key words: CFB boiler；desulfurization；limestone；transport

中图分类号：TK223 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）26-0024-02

0引言

在我国煤烟型污染是生态环境破坏的首要因素。我国大气中，约87％的SO2、60％的总悬浮颗粒物、67％的NOX和71％的CO2均来自煤炭的燃烧。燃煤排放的大量SO2和NOX也是我国酸雨形成的主要原因。继欧洲、北美之后，我国己成为世界上第三大酸雨区[1]。因此加大污染源控制是我国十二五规划的重要任务，也是企业发展的使命。近年来随着循环流化床锅炉运行技术的发展，循环流化床锅炉朝着大型化超临界、深度脱硫与脱硝、能源综合利用等方向发展。我国循环流化床锅炉技术已步入世界先进水平，循环流化床锅炉总装机容量也居世界第一位，但是，我国CFB锅炉的脱硫现状并不乐观，脱硫系统的可用率、锅炉脱硫效率等方面还存在不少问题，离国际先进水平有一定差距。本文以神华准能矸石发电公司2×150MW机组，在循环流化床锅炉脱硫方面展开的有益探索，结合国内众多兄弟电厂在脱硫方面的成功经验，对循环流化床锅炉脱硫原理及其影响脱硫的主要因素进行分析、探讨，从而共同促进循环流化床脱硫技术。

1设备概况

神华准能矸石发电公司一期工程建设2×150MW循环流化床（CFB）机组，汽轮机采用南京汽轮机（集团）有限公司制造的中间再热两缸两汽凝气式汽轮机。锅炉采用东方锅炉（集团）股份公司制造的型号为DG480/13.73-Ⅱ11超高压参数，型式为自然循环汽包炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、紧身封闭布置、全钢炉架悬吊方式、固体排渣循环流化床锅炉、炉蒸发量为480t/h。

石灰石系统由内蒙古电力勘探设计院设计。采用了炉内添加石灰石粉（粒径＜1mm）直接脱硫的工艺。石灰石粉输送系统采用正压气力输送系统，每台炉设1个容积170m3的钢结构石灰石粉仓库，可储存每台锅炉BMCR工况下设计煤种24小时的石灰石耗量。粉仓内的石灰石粉经设在其下的仓泵，由压缩空气通过管道经分配器直接输送至锅炉炉膛内进行脱硫。厂内设有石灰石破碎厂，石灰石破碎成粉装入灰罐车后，通过石灰石入库管道输送入石灰石库。为避免石灰石粉在石灰石库板结，石灰石库设置一石灰石库气化风机，产生的气体，通过布袋除尘器净化后，排向大气。石灰石粉通过下料管道、下料闸板、给料阀进入石灰石输送管道，由压缩空气通过管道经分配器直接输送至锅炉炉膛内进行脱硫。通过（CEMS）在线烟气检测装置检测SO2含量，通过调节给料阀转速，来控制石灰石给料量，使SO2含量在设计值范围之内。

我厂于2007年3月份通过内蒙古环保检测竣工验收，2008年2月份通过内蒙古SO2排放达标认证，成为内蒙古首批享受脱硫优惠电价的电厂之一。

2设计燃料、石灰石、灰渣特性及其他有关设计参数

2.1 锅炉设计燃用烟煤，煤种煤质资料如下：

①元素分析收到基（碳、氢、氧、氮、硫）的含量分别为：33.94%、2.41%、10.72%、0.57%、0.31%。②工业分析收到基灰分44.65%、收到基水分7.38%、空干基水分4.56%、干燥无灰基挥发分46.48%。③收到基低位发热量12502Kj/kg。④灰成分（二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、三氧化硫、二氧化钛、五氧化二磷）的含量分别为：31.62%、51.5%、2.92%、8.92%、0.62%、0.68%、0.15%、1.53%、1.45%、0.1%。使用石灰石特性，氧化钙+氧化镁≥90%，最大粒径dmax≤0.50mm。

2.2 主要参数资料 （两台炉）①FGD入口烟气量（修正压力、温度）：1894400m3/h。②FGD入口烟气量（标态干烟气）：1040670Nm3/h。③FGD入口SO2浓度：1084.07mg/Nm3。④FGD脱硫效率：95%。⑤FGD入口烟气温度：130℃。⑥烟囱入口烟气温度：50℃。⑦烟囱出口SO2浓度：54.20mg/Nm3。⑧钙硫比：1.05。⑨脱硫效率：90%。⑩SO2年脱除量：5982 t。

3循环流化床锅炉脱硫原理

硫在煤中的存在形式：黄铁矿硫、有机硫和硫酸盐。黄铁矿（FeS2）在燃烧条件下与氧反应生成SO2。有机硫在大于200℃时可以部分分解，释放出H2S、硫醚、硫醇等物质，这些物质在大于300℃时即可燃烧生成SO2；未分解部分和氧气经燃烧反应直接生成SO2。循环流化床锅炉采用炉内添加石灰石，来消除燃烧产生的SO2。炉内反应为加入炉膛的石灰石分解形成氧化钙（CaO），然后与SO2反应生成硫酸钙，如下所示：

CaCO3＝CaO+CO2（1） CaO+SO2+1/2O2＝CaSO4 （2）

（1）式为煅烧过程，把石灰石煅烧成生石灰是吸热反应。（2）式是硫酸盐化过程，把煤燃烧后产生的SO2通过与CaO、O2反应生成CaSO4通过此法达到脱硫目的，这个反应为放热反应。该反应的最佳温度约为850℃～900℃，在较大负荷变动范围内炉膛将控制到800℃～950℃。同时分级燃烧及相对较低的炉膛温度可以最大程度的降低NOX的排放。另外循环流化床的锅炉工艺流程的特点如下：①炉膛内部的强烈混合、床温分布比较均匀。②燃料在炉膛内较长的停留时间。③将炉膛温度保持在脱去SO2的最佳温度。

4影响脱硫效率的因素

4.1 锅炉床温影响硫酸盐化反应的速度随温度的变化而变化，对流化床床温在850℃～900℃范围内脱硫效果最佳。当温度低于800℃时，脱硫剂孔隙数少，孔径小，反应速度低，脱硫效果差。使SO2未能与CaO反应就被带出炉膛，如果要达到脱硫效果，就只有增大石灰石的投加量，这样不但使成本增加，同时也加大了底灰系统的负荷。当床温高于900℃时，CaO内部的孔隙结构会发生部分烧结而减缓CaO与SO2反应的速率，导致脱硫效率降低；温度过高时，虽然脱硫反应速率提高，但由于脱硫剂表面孔隙过早堵塞，使扩散阻力升高；另外，在高温情况下，已生成的CaSO4会重新分解而释放出SO2。降低脱硫效率。

4.2 钙硫比的影响经研究发现脱硫反应的钙硫摩尔比为1时，由于床内氧化钙和二氧化硫接触时间较短，二氧化硫的分压力低，而氧化钙颗粒表面反应生成的硫酸钙致密层又阻止二氧化硫与氧化钙的进一步接触，所以氧化钙在脱硫反应中有部分被利用。脱硫效率随钙硫比增加而增加，但增加缓慢。对循环流化床锅炉达到90%的脱硫效率所需钙硫比为1.5-2.0，鼓泡床需2.5-3甚至更才能达到这样的脱硫效果。

4.3 石灰石粒径的影响石灰石粒径对脱硫效率有影响。应尽量选择活性较好的石灰石。影响最佳脱硫效率与对应的石灰石粒径分布的因素是多方面的。锅炉制造厂、锅炉设计单位给出的分布不同，法国通用电气阿尔斯通公司认为d50=120-150微米[2]；美国ABB-CE公司认为粒径应小于1mm，平均粒径为500微米；针对我国宽筛分特性，浙江大学热能工程系提出石灰石颗粒径在0～2mm，平均颗粒径在0.1～0.5mm时，脱硫效果较好[3]。细颗粒在炉膛内停留时间很短，又很难被旋风分离器捕捉，得不到充分利用，影响了脱硫效率。

石灰石粒子过于粗大或细小都将对循环流程产生不利影响。

4.3.1 过粗的石灰石粒子将导致：

①石灰石耗量的增加。②锅炉床温高于正常值。③锅炉的效率降低。④降低炉膛传热，从而增大减温水量，并提高排烟温度。⑤为了床温恢复到正常值，不得不增大布风板的风量。⑥底灰超过设计值等。⑦加剧设备磨损。

4.3.2 如石灰石粒子过细，其在主回路中停留的时间达不到要求，导致石灰石耗量的增加；另一个负面影响是使飞灰系统超负荷，由于存在未反应的石灰石粒子，当石灰石与湿卸料系统中的水混合之后，过量的石灰石将产生大量的热，将使除灰工作遇到困难。

4.4 循环倍率的影响脱硫剂在脱硫反应中只有部分被利用，对于循环流化床锅炉随着循环倍率的增加，石灰石在炉床内的停留时间加长，增加了反应时间，提高了石灰石的利用效率，从而提高脱硫效率。

4.5 其他因素的影响脱硫剂在脱硫反应中，不同种类的石灰石分解后产生呃氧化钙孔隙直径分布是不一样的，小孔能在单位吸收重量下提供较大的孔隙面积，但其入口处容易被硫酸盐堵塞，影响石灰石的利用率；大孔可提供向吸收剂内部的便利通道，却相比小孔隙直径的氧化钙反应表面有所减少。另外，煤质对脱硫效果也有影响，不同的煤质中碱金属 氧化钙含量不同，固硫能力也有所不同。

5石灰石脱硫工艺介绍及系统改造

该系统在锅炉正常运行过程中，ROTOFEED系统用来将石灰石灰斗中的物料通过管线输送至锅炉附近，然后再分为4路进入锅炉内部。该系统主要包括1个石灰石库、2台压力仓泵、给料器组件、压缩空气主进气组件、石灰石输送管道等组成。我厂所用石灰石为成品石灰石粉，石灰石灰罐车运达我厂后，通过石灰石入库管道输送入石灰石库。为避免石灰石粉在石灰石库板结，石灰石库设置一石灰石库气化风机，产生的气体，通过布袋除尘器净化后，排向大气。石灰石粉通过下料管道、下料闸板、给料阀进入石灰石输送管道，由压缩空气通过管道经分配器直接输送至锅炉炉膛内进行脱硫。通过烟气在线装置检测SO2含量，来调节给料阀转速，从而控制石灰石给料量，使SO2含量在设计值范围之内。该工艺主要应用于神华准能矸石发电公司（脱硫工艺流程如下）。

烟囱布袋除尘锅炉炉膛石灰石输送系统汽车运输

我厂石灰石给料系统流程如下：

气化用空气石灰石粉仓收料泵给料泵

给料泵收料泵物料输送至返料器

输送空气物料输送到锅炉

由于石灰石气力输送系统的不稳定性，我厂为保障石灰石输送系统正常稳定以及保障石灰石正常添加量，于2010年11月增加一套石灰石给料添加系统，从而更好的保障了脱硫效率和石灰石系统的投运率，解决了机组瞬时升负荷时二氧化硫超标的难题。

脱硫系统的可能形式采用气力输送系统布置灵活、可靠性高、便于控制、易于实现多点给料，但由于国内的循环流化床多是采用燃用劣质燃料，呈现宽筛分特性。石灰石粒径较大，这样气力输送不仅投资大而且能耗也高，尤其是炉前石灰石气力输送国产设备可靠性差，进口设备价格昂贵。因此在进行脱硫系统改造或技术革新时，应考虑到脱硫系统的性价比。脱硫系统的种类有多种，在选择石灰石系统的种类时，要本着经济适用的原则进行，要根据自身情况和煤及石灰石的情况来决定石灰石系统的安排及具体的设备。我厂循环流化床锅炉，使用的是气力输送系统，自2007年以来，出现过缓冲仓裂纹泄漏、石灰石入炉粉管堵塞等问题。但通过，在缓冲仓法兰处增加橡皮缓冲膨胀节，较好的解决了因震打时造成法兰连接处泄漏；通过对空压机的干燥系统的改造和空压机改造，有效地解决了压缩空气带水问题，从而解决了石灰石入炉粉管因带水堵塞的问题。

6结论

我厂石灰石系统投运以来。在额定负荷下，燃烧实际煤种（保持Ca/S＝2.2）时，通过计算得出应投入石灰石量为2.1t/h，实际控制旋转给料阀的输出为40%，转速约为5r/min。运行数月平均每小时耗石灰石3.68吨左右，依锅炉负荷（给煤量）而定。每天耗石灰石88.32吨。SO2排放量有原来的1084mg/m3降到208mg/Nm3。脱硫效率达到82%以上。

经过调整改造试运，石灰石系统各设备运行基本稳定，控制灵活可靠。各主要运行参数及指标都基本达到了设计要求，能够满足环保要求。通过改造调试，发现并解决了系统及设备在设计、制造和安装中存在的问题和隐患，规定了运行数据并输入了程控装置，基本掌握了系统的运行方法，保证了石灰石系统的正常安全投运，锅炉的脱硫效果良好，减轻了锅炉对市区环境的污染。

参考文献：

[1]中国环境科学与技术发展年报2003.中国环境科学出版社,2005，（1）.

[2]肖平,蒋敏华.循环流化床锅炉的发展前景[J].热力发电，2004，（01）.

[3]骆仲泱，何宏舟，王勤辉，岑可法.循环流化床锅炉技术的现状及发展前景[J].动力工程，2004，（06）.