增加石灰石的量對CFB鍋爐性能的影響

王曉龍， 李寒冰,2

(1.國網河北電力公司電力科學研究院，石家莊 050021;2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

增加石灰石的量對CFB鍋爐性能的影響

王曉龍1， 李寒冰1,2

(1.國網河北電力公司電力科學研究院，石家莊 050021;2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

循環流化床鍋爐(CFB)具有良好的環保特性且燃料適用性廣，直接向鍋爐內投入脫硫劑是目前CFB鍋爐最常用的也是最有效的脫硫方法之一，所用到的脫硫劑為石灰石。石灰石投入量的多少對鍋爐的燃燒產物、鍋爐效率和污染物的排放有一定的影響。通過對某臺300 MW的循環流化床鍋爐的試驗研究，對實測數據進行分析，結果顯示：隨著石灰石量的增加，脫硫效率提高，NOx的濃度增加，相對SO2而言，變化趨勢較平緩；同時，灰渣量和飛灰量有一定程度的增加，使得物理熱損失增加，鍋爐效率降低了0.5～1.2個百分點。

循環流化床鍋爐；脫硫；石灰石；燃燒產物；鍋爐效率；污染物排放

0 引 言

循環流化床燃煤鍋爐(CFB)具有效率高、燃料適用性廣、負荷調節靈活、環保性能好等特點[1]。直接向爐內添加脫硫劑是目前CFB鍋爐爐內脫硫最常用、最經濟的方案，故自上世紀80年代循環流化床鍋爐發展至今，爐內添加脫硫劑一直受到親睞。石灰石作為目前常用的脫硫劑之一，與煤粉按比例混合進入爐膛參與燃燒，通過石灰石煅燒、分解出的CaO，吸收煤粉燃燒產生的SO2，從而達到脫硫的目的。

但按《火電廠大氣污染排放標準(GB13223-2011)》中對電廠污染物排放的新規定[2]，煙氣SO2排放應小于100 mg/m3，火電廠很難實現達標排放，那么增加石灰石投入量，可以使脫硫效率進一步提高。但增加石灰石投入量對鍋爐自身性能的影響非常復雜：第一，對燃燒產物的影響；第二，對鍋爐效率的影響；第三，對污染物排放的影響[2]。所以，為了提高脫硫效率，是否依靠單純的增加石灰石的量來達到脫硫的目的還有待研究。

文中是在文獻[3]～[7]所研究的添加石灰石前后對鍋爐性能設計和鍋爐效率的影響的基礎上，研究當石灰石投入量發生變化時，其對鍋爐燃燒產物、鍋爐效率和排放的污染物成分的影響。本文是針對某電廠300 MW燃用煤矸石的循環流化床鍋爐，對其各種提高脫硫效率的方案的可能性中的某一方案的研究。

1 定性分析

1.1 對燃燒產物計算的影響

石灰石的投入量是與投入燃料的量的多少有關的，也就是說每向爐膛內投入1 kg的燃料，就應投入相應比例的石灰石脫硫劑。為了提高脫硫效率，向爐內增加石灰石的投入量，勢必會對燃燒產物中各個成分的含量產生一定的影響，如CO2生成量增加、SO2生成量減少，飛灰濃度和灰渣量的增加，等。

文獻[2]中提到，對于含硫量較低的燃料，增加石灰石的投入量對燃燒產物各成分含量的影響不大；但對于含硫量高的燃料，增加石灰石的投入量對燃料產物的影響不可忽略，需進行更為詳細的計算。

1.2 對鍋爐效率的影響

影響循環流化床鍋爐效率最主要因素有兩個，分別是CaCO3煅燒的吸熱反應和硫酸鹽化反應的放熱反應[3]。石灰石進入爐膛后，在高溫下發生煅燒分解反應(吸熱反應)，然后與煤粉燃燒產生的SO2發生硫酸鹽化反應(放熱反應)，來吸收SO2，從而達到脫硫的目的。

由于石灰石與燃煤混合后進入爐膛，在給煤機出力不變的情況下，增加石灰石后，進入爐膛的給煤量勢必會減少，放熱量也隨之減少，使得床溫降低，而且加入的石灰石越多，煤量越少，床溫下降越快，不利于燃燒的穩定。同時，隨著石灰石進入的量的增加，造成CaCO3反應所需的空氣量與最終的排渣量增加，使整體的煙氣量增加，排煙熱損失(排煙熱損失增加較小)與灰渣物理熱損失增加，使得鍋爐效率降低[3-5]。

1.3 對污染物排放的影響

在一定的鈣硫摩爾比(Ca/S)下，增加石灰石投入量，SO2排放濃度降低，使得脫硫效率提高；NOx的生成主要與燃料氮的轉化和煤種有關，所以NOx排放濃度變化不大，或者可以說基本沒有變化；CO2生成量有一定的增加；CO的排放濃度略有增加，但隨鈣硫摩爾比的增加變化也不太明顯；由于石灰石中雜質含量比較高，隨著石灰石量的增加，灰渣和飛灰含量增加，并成正比例的增加趨勢[3,6-7]。

2 試驗結果分析

以某電廠300 MW燃用煤矸石的CFB鍋爐為例。該鍋爐主要技術參數如表1所示。各工況的煙氣排放成分及其實測數據如表2所示(注：該表中所指折算濃度是將測得的實際的氣體濃度折算成氧量為6%時對應的值)。為便于對測量結果的分析，做以下假設：給煤機出力穩定，煤質不變，石灰石種類不變，鍋爐在某一工況下運行時穩定。

表1 該鍋爐主要技術參數

表2 對各工況的煙氣排放成分及結果

2.1 對燃燒產物的分析結果

隨石灰石量的變化，SO2折算濃度、脫硫效率、NOx折算濃度變化如圖1～3所示。

圖1 SO2濃度的變化

從圖1中可以看出，隨著石灰石量的增加，煙氣中的SO2濃度逐漸減少，但降幅逐漸變小。

圖2 計算脫硫效率的變化

圖2中可以發現，隨著石灰石量的增加脫硫效率逐漸增加，當石灰石的量為27 t/h左右時，脫硫效率就接近平緩。顯然，當石灰石的量增加到一定程度的時候，脫硫效率增加的趨勢逐漸降低，所達到的目的也就越來越小。

圖3 NOx濃度的變化

圖3的曲線可以看出，隨著石灰石量的增加，NOx的濃度變化幾乎呈線性的遞增趨勢，但是總體的增加趨勢相對SO2增加不大。

在以上分析中，可以看出本試驗分析結果與理論分析結果基本吻合，能很好地驗證理論分析結果的正確性，為進一步研究鍋爐效率奠定的基礎。

2.2 飛灰及灰渣質量份額的分析結果

表3和表4分別列出了該爐渣樣和灰樣粒徑分布結果。

表3 渣樣粒徑分布

表4 灰樣粒徑分布

由上表可發現，鍋爐灰渣的粒徑主要分布在<0.3 mm的范圍內，飛灰的粒徑主要分布在0.048～0.088 mm范圍內。隨著石灰石量的增加，飛灰和灰渣都有不同程度的增加，使得物理熱損失增加。

2.3 鍋爐效率的分析結果

鍋爐效率計算式[9]：

(1)

式中：ηb為鍋爐效率；ΔQ為鍋爐的各項損失之和；Qr為燃料發熱量。

各項損失計算式：

ΔQ=Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7。

(2)

式中：Q2為排煙熱損失；Q3為化學不完全燃燒熱損失；Q4為機械不完全燃燒熱損失；Q5為散熱損失；Q6為灰渣物理熱損失(包括底渣物理顯熱損失)；Q7為石灰石脫硫熱損失。

根據文獻[10]中Q6、Q7的計算式，計算出，增加石灰石，使得Q6、Q7增加相應的百分比，鍋爐效率降低0.5～1.2個百分點。

3 結束語

文中通過對電廠300 MW循環流化床鍋爐調整石灰石量的試驗，來分析不同工況下對鍋爐性能的影響。

(1) 隨著石灰石量增加，煙氣中SO2濃度減少，從而使脫硫效率提高；NOx的濃度增加，相對SO2而言，變化趨勢較平緩。

(2) 灰的粒度主要分布在0.048～0.088 mm， 占到65.35%，其他檔顆粒所占份額較少；渣的粒度主要分布在<0.3 mm，占到36.94%，0.3～1.0 mm質量份額分布相對均勻。

(3) 石灰石量增加，灰渣量和飛灰量有一定程度的增加，使得物理熱損失增加，鍋爐效率降低了0.5～1.2個百分點。

[1] 高建強, 李寒冰, 王立坤. 燃用煤矸石循環流化床鍋爐煙氣脫硫方案的研究[J]. 電力科學與工程, 2013, 29(10): 44-48.

[2] GB13223-2011. 火電廠大氣污染排放標準[S].

[3] 周一工. 循環流化床鍋爐添加石灰石脫硫對性能設計的影響[J]. 寧夏電力, 2001(1): 23-30,69.

[4] 周一工. 循環流化床鍋爐添加石灰石脫硫對鍋爐效率的影響[J]. 鍋爐技術, 2000, 31(10): 13-16.

[5] 孔凡新, 宋鳳霞, 高延存, 等. 循環流化床鍋爐添加石灰石脫硫劑對鍋爐效率的影響[J]. 今日科苑, 2010(6): 44.

[6] 汪 偉, 郭風波. 循環流化床鍋爐脫硫系統改造技術探討[J]. 應用能源技術, 2014(1): 21-25.

[7] 吳劍恒. 循環流化床鍋爐燃燒福建無煙煤爐內脫硫對污染物排放和電除塵效率的影響[J]. 鍋爐技術, 2012 (3): 33-39.

[8] 楊玉環, 張媛媛. 鈣硫比對CFB鍋爐爐內脫硫效率的影響研究[J]. 應用能源技術, 2013(6): 28-32.

[9] 樊泉桂. 鍋爐原理[M]. 北京: 中國電力出版社. 2008.

[10] 魏爭鳴, 董 輝, 胡英炯, 等. 循環流化床鍋爐效率試驗與數據處理[J]. 甘肅電力技術, 2012(1): 56-59.

Influence of CFB Boiler Performance with the Limestone Increase

WANG Xiao-long1，LI Han-bing1,2

(1. Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China;2.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

CFB boiler has many characteristics, for example, the environmental performance and wide applicability of fuel. Desulfurizer is invested directly into the boiler is one of the most commonly and most effective method of desulfurization is used on CFB boiler. Limestone is the desulfurizer. Amount of limestone into the boiler that it impacts combustion products, boiler efficiency and emissions of pollutants of the boiler. Under the experimental research on a 300 MW CFB boiler, and analysis on the measured data,we can get some conclusions: first, With the increase of the amount of limestone, The desulfurization efficiency was increased, also the concentration of NOx, but compared with SO2, the trend of concentration of NOxis less flat. Second, the amount of ash and fly ash has been increased, Cause the loss of physical heat is increased, and the boiler efficiency is increased 0.5%～1.2%.

CFB boiler; Desulfurization; Limestone; Burn product; Boiler efficiency; Contaminant emission

2014-11-15

2014-12-19

王曉龍(1983-)，男，河北保定人，碩士，工程師，主要從事火電廠仿真、脫硫及相關技術的研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.005

TK229.6

A

1009-3230(2015)01-0015-04