沸騰爐混燒脫硫的研究分析

石雅軍

(合肥水泥研究設計院有限公司， 安徽 合肥 230051)

沸騰爐是水泥廠烘干原料的主要熱源，其燃燒方式介于層狀燃燒和懸浮燃燒之間。在能源日益緊張的今天，企業大量使用劣質煤或煤矸石作為熱源，以求降低生產成本，這些燃料通常含硫量較高（通常在 1.5%～6%），加之烘干機的大型化發展，沸騰爐SO2排放已不容忽視，有必要進行脫硫處理。爐內混燒脫硫具有設備操作簡單、投資少、無二次污染等優點，但其脫硫效率相對較低，通過對其機理的研究及影響因素的分析，在不影響沸騰爐熱效率的前提下，找出合適的脫硫劑和操作參數，盡量提高脫硫效率。

1 沸騰爐混燒脫硫機理

將鈣基脫硫劑（電石渣或石灰石粉）由計量喂料裝置按一定比例和煤粒混合加入沸騰爐燃燒室的床層中，與灼熱的灰渣充分混合，在靠近風帽處受到極大的壓降催動，形成氣墊層并隨空氣帶動不斷向上翻涌、沸騰，形成流化狀態，增大了煤粒及脫硫劑顆粒與熱空氣間的接觸面積，強化了燃燒，同時也強化了脫硫劑的煅燒熱解反應，在燃燒過程中實現脫硫。混燒脫硫過程包括脫硫劑煅燒吸熱反應和固硫放熱反應，其機理可以用化學反應式表示：

Ca(OH)2—→ CaO + H2O↑ （1）

CaCO3—→ CaO + CO2↑ （2）

CaO + SO2+ 1/2 O2—→ CaSO4（3）

反應式（1）、（2）稱為煅燒過程，當達到一定溫度（電石渣熱解溫度為 400℃，石灰石粉熱解溫度為770℃）時，脫硫劑開始裂解，釋放出氣體，生成多孔狀的氧化鈣，同時煤燃燒生成的SO2和O2被吸附到CaO顆粒表面并發生反應（3），SO2被轉化為穩定的CaSO4隨爐渣和飛灰排出，從而達到脫硫效果，此反應即通常所說的固硫反應。這一過程十分復雜，受到鈣硫比、沸騰爐爐膛溫度、脫硫劑等很多因素的影響，同時混燒脫硫也反過來影響沸騰爐的工作運行。

2 影響脫硫效率的主要因素

2.1 鈣硫比（Ca/S）

鈣硫比對脫硫效率有著很大的影響。理論上，脫硫1mol的 SO2需要1mol的CaO，但實際上，由于CaO顆粒表面不斷有CaSO4生成，致使CaO的多孔結構逐漸被CaSO4堵塞，阻礙SO2進一步擴散到顆粒內層進行反應，反應進行到一定程度后就會達到平衡，因此，在燃燒過程中脫硫劑只有部分起到脫硫的效果。在一定溫度條件下，脫硫效率隨著鈣硫比的增加而提高。實際經驗表明，當Ca/S高于2.5后，繼續增大Ca/S或脫硫劑量時，脫硫效率提高很少，脫硫劑利用率較低。過度的提高鈣硫比還會對沸騰爐的運行不利：增加煅燒反應的吸熱，降低燃燒效率；增加投資和爐子的運行費用；增加NOX的排放，因為CaO對NOX的形成有催化作用。依據煤種和脫硫劑種類的不同，CaO/S通常取在2-2.5之間。

2.2 爐膛溫度

爐膛溫度直接影響到沸騰爐的著火、穩燃、燃盡程度，混燒脫硫時會影響脫硫劑的反應速度、固體產物分布及孔隙堵塞特性，進而影響的脫硫效率和脫硫劑的選擇。在運行時爐膛溫度控制應考慮：在該溫度下灰不會軟化、保證沸騰爐的燃燒效率較高、脫硫劑使用較少、脫硫效果較高。

溫度過低，不利于脫硫劑煅燒反應的進行，要保證脫硫劑充分熱解并實現脫硫，爐膛溫度需穩定在熱解溫度之上，對于電石渣來說，達到450℃以上即可，而石灰石則要求 770℃以上。通常熱解速度越快，生成的 CaO活性越高，吸收 SO2越快。而脫硫劑的熱解速度隨爐膛溫度增加而增加，所以提高溫度可以促進固硫反應的進行。但溫度過高，對脫硫卻不利。這是由于爐內溫度在1000℃以上會造成CaO的燒結，減少了其比表面積和孔隙率，影響SO2的擴散。當溫度繼續上升，達到1250℃以上，生成的CaSO4開始分解，即反應式（3）從右到左進行，導致脫硫無法實現。通過在寧波港新建材有限公司的實驗和使用，在Ca/S=2.3時，在650℃-800℃范圍內混燒電石渣，脫硫效果可達到 80%左右，此時，NOX較不混燒時減少了63%，這是由于NOX的生成溫度一般大于900℃，爐膛溫度低于800℃，可以有效的抑制其生成。而石灰石粉在850℃-900℃脫硫效果較好。

沸騰爐內進行混燒脫硫具有獨特的優勢，一方面沸騰爐正常運行溫度在 600℃-1000℃之間，剛好包括上述兩個最佳溫度范圍 ，對脫硫劑的適應性好，便于調節；另一方面沸騰爐的小爐床結構設計，可實現多次翻抄煤層，延長了脫硫劑在爐內的停留時間，使其充分煅燒裂解，脫硫劑利用率高。

2.3 脫硫劑的選取及粒度分布

常用的脫硫劑有石灰石粉[CaCO3]、熟石灰粉[Ca(OH)2]及生石灰粉[CaO]，這里熟石灰粉由電石渣替代。它們的特點、脫硫效果及經濟性如下表：

注：脫硫效率一項是當Ca/S=2.3，并且在各自最佳溫度范圍內測得的。

同石灰石粉和電石渣相比，生石灰粉的脫硫效果較差，經分析原因在于CaCO3或Ca(OH)2煅燒形成的CaO比預先燒制成的CaO具有較高的活性。由于煅燒溫度的不同，與石灰石相比，電石渣在混燒過程中熱解速度較快，熱解更充分，因此其脫硫效率更高。

此外，脫硫劑粒度及粒度分布對脫硫效率也有較大影響，在Ca/S相同的情況下，脫硫劑粒度越小，脫硫效率越高。這是因為顆粒粒度減小，增大了比表面面積，有利于CaO和SO2的反應。對于顆粒大的脫硫劑來說，在SO2擴散到顆粒內部之前，顆粒的孔隙已經被先前生成的CaSO4堵塞了，使顆粒內部的CaO無法參與反應，造成大量的浪費。因此，對于脫硫劑粒度達不到要求的，需要進行粉磨，分選等工序來達到，同時也要避免過細以至于混燒時被煙氣帶出。

3 混燒脫硫對沸騰爐的影響

3.1 對沸騰爐熱效率的影響

混燒脫硫對沸騰爐熱效率的影響包括兩個方面：

（1）對爐內熱量的影響：脫硫劑煅燒吸熱和固硫反應放熱是影響爐內熱量的最主要因素,脫硫劑進入爐膛后,爐膛溫度有所降低,因為在高溫下脫硫劑首先發生煅燒裂解反應,這個反應是吸熱過程,加入的脫硫越多,即Ca/S越高,床溫下降越大也越快。但由于CaO與SO2進行的固硫反應是放熱過程,且發熱量大于煅燒過程的吸熱量，實際使床溫升高。電石渣煅燒過程中的吸熱量為約為石灰石的 60%（101.625kJ/mol/166.232kJ/mol），因此對爐溫的不利影響相對較低。綜合以上各種因素，實際混燒中脫硫劑選擇了電石渣，脫硫的同時也使這種工業廢渣變廢為寶，爐內混燒脫硫的硫酸鹽形態為性質穩定的硫酸鈣，它對改善爐渣的性質，增加爐渣的利用價值是有好處的。

（2）對熱損失的影響：即加入脫硫劑引起的附加灰渣物理熱損失和煙氣量增加造成的廢氣熱損失。燃料含硫量越高，加入的脫硫劑越多，熱損失越大。

在寧波港新、唐山陡河等用戶實際使用中，并未出現因混燒而引起煤耗的增加，表明混燒脫硫對沸騰爐熱效率的影響很小。

3.2 對結渣的影響

爐內在高溫下蒸發的Na2O、K2O、SiO2蒸汽冷凝在較低溫的受熱面上，形成高粘性、熔點極低的硫酸鹽、低熔點的硅酸鹽及共熔體。當煙氣流過受熱面時，飛灰顆粒部分沉積到受熱面上，由于粘性顆粒間彼此粘結，灰層逐漸增厚，溫度不斷升高，當溫度足夠高時，低熔點物質開始熔化，積灰快速增加并燒結城密實積灰，當灰層溫度升高足夠高時，全部積灰變成熔融狀態，形成結渣。沸騰爐的結渣同煤灰的熔融特性和粘溫性密不可分。灰分的熔點與其化學組成有關，一般而言，酸性氧化物能夠提高灰的熔點和粘度，而堿性氧化物在一定條件下有助于降低熔點并使熔體變得稀薄。燃燒時混入脫硫劑后，飛灰中的CaO含量增加，飛灰中化學成分比例改變，產生新的化合物。CaO是低熔點共熔體的重要組分，CaO增加使共熔體組分上升，降低了灰熔點，加大了結渣的可能性。這也從另一方面要求了Ca/S不能過高。由于混燒電石渣時溫度在650℃-800℃，溫度相對較低，可有效地抑制結渣的形成。在爐膛設計中應形成多角，多邊結構，盡量消除明顯的“死角”區域，這樣可以有效地減少結渣現象的發生。

4 結語

對沸騰爐內混燒脫硫的研究分析表明：（1）在選擇合理的脫硫劑前提下，進一步優化鈣硫比和爐膛溫度等參數，可以獲得較高的脫硫效率；（2）混燒脫硫對沸騰爐的熱效率影響較小，但會加大結渣的可能性，這就要求爐體設計和實際操作中做相應的調整，避免結渣。此外，混燒脫硫效率還受到過量空氣系數、脫硫劑在爐內的分布等因素的影響，因此有必要對其做進一步的研究。