CFB鍋爐SO2超低排放工程應用與運行優化

田志娟,王鵬舉

(中國石油化工股份有限公司 洛陽分公司,河南 洛陽 471012)

循環流化床（CFB）半干法脫硫工藝具有占地面積少、投資費用低、無脫硫廢水等優點［1］，在鋼鐵燒結、垃圾焚燒、燃煤電廠等領域取得了較好的應用效果［2］。經過不斷發展，該工藝的脫硫效率有了極大提升，并發展為近年SO2超低排放改造的一項可靠技術［3-4］，也可應用于同時脫硫脫硝［5］。CFB半干法脫硫效率受床層溫度、床層壓降、鈣硫比（鈣與硫的摩爾比，鈣指爐內脫硫碳酸鈣、爐后脫硫氧化鈣中的鈣，硫指煙氣中SO2中的硫，記為Ca/S）、脫硫劑反應活性等因素影響［6］。脫硫劑在半干狀態下進行脫硫反應，脫硫劑使用效率相對偏低，成本較高。某公司CFB鍋爐通過爐內噴鈣+爐后CFB半干法二級脫硫工藝實現了SO2超低排放，但運行成本高，總Ca/S達到3以上，脫硫劑月度成本近170萬元。

本工作對上述CFB鍋爐進行了爐后CFB半干法脫硫優化，考察了出口煙溫、床層壓降等參數對脫硫效果的影響，并從整體出發，開展了二級脫硫SO2負荷分配優化試驗，探索出二級脫硫經濟性較好的運行模式，為同行業類似裝置的優化提供了良好的示范和調試、運行經驗。

1 CFB鍋爐概況

CFB鍋爐額定負荷為310 t/h，2009年11月建成投用，由煙臺現代冰輪重工有限公司設計制造，為單爐膛、單汽包、自然循環、平衡通風、雙高溫絕熱旋風分離器、全鋼架M型露天布置、高溫高壓CFB鍋爐。CFB鍋爐設計燃料為100%石油焦，校核燃料為石油焦、煤摻燒。爐內噴鈣脫硫系統隨鍋爐同步建設，設計出口SO2質量濃度≤400 mg/m3（本文的SO2濃度均為標準狀態、剩余煙氣6%（φ）O2時的數值）。為滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）［7］要求（SO2質量濃度≤100 mg/m3），2014年建成投運爐后CFB半干法脫硫系統。

2 SO2超低排放工程應用

2.1 爐內噴鈣脫硫系統概況

通過向爐膛噴入0~1 mm石灰石粉進行煙氣脫硫，石灰石粉由某公司下屬脫硫劑廠生產，氣力輸送至爐前石灰石倉，通過12個中位風噴嘴進入爐膛。石灰石粉進入燃燒區，在840~900 ℃適宜條件下受熱分解為CaO和CO2，CaO與爐膛內的SO2和O2反應生成CaSO4，完成爐內脫硫反應。系統共設2套石灰石給料系統，每套可以獨立運行。石灰石給料系統流程如下：石灰石倉→插板閥→石灰石給料機→石灰石混合器→分配器→氣力輸送管→爐膛。石灰石輸送氣源分兩部分，從石灰石中間倉到石灰石倉使用管網工廠風，從石灰石倉到爐膛由風機提供輸送用風。CFB爐內石灰石添加系統見圖1。

石灰石粉添加量通過煙氣在線CEMS檢測的SO2數值和燃料消耗量確定，利用變頻調速電機旋轉給料機刮板速度調節。

圖1 CFB爐內石灰石添加系統

2.2 爐后CFB半干法脫硫系統概況

爐后脫硫采用福建龍凈環保股份有限公司自主研發的“LJD火電廠新型干法脫硫除塵一體化工藝”，2014年6月建成投運，主要包括煙道系統、脫硫塔系統、布袋除塵器系統、工藝水系統、吸收劑制備及供應系統、脫硫灰氣力輸送及灰庫系統、電氣系統、控制系統等，其工藝流程見圖2。設置清潔煙氣再循環煙道，通過調節風擋，保證脫硫塔煙氣量不低于75%設計流量，確保在鍋爐低負荷運行時脫硫塔內穩定的煙氣流速和文丘里管速，以實現鍋爐低負荷時脫硫裝置的穩定運行。

脫硫塔是一個有7個文丘里噴嘴的空塔結構，主要由底部擴散段、文丘里管段、流化直管段、頂部折流和出口段等部分組成。煙氣通過文丘里管加速，在反應塔內形成一個激烈湍動的高顆粒密度床層，Ca/S可達50，SO2與Ca（OH）2的接觸概率高［8］，二者充分反應，實現脫硫。脫硫塔出口設置低壓脈沖旋轉噴吹布袋除塵器，除塵效率高、能耗低、運行可靠、維護簡單，適用半干法脫硫后粉塵高濃度、高濕度且運行溫度臨近露點溫度的環境特點。在文丘里管出口擴管段設有一套高壓工藝水裝置，噴入霧化水降低脫硫反應器內的煙氣溫度，并使SO2與Ca（OH）2的反應轉化為可以瞬間完成的離子型反應。凈化煙氣經脫硫引風機，通過煙囪排放，排出的脫硫灰進入脫硫灰庫。脫除SO2的主要化學反應見式（1）~（3）。

脫硫劑為粉狀CaO，采用自卸密封罐車將CaO運輸至脫硫島內的CaO倉。設置一套干式消化系統，將CaO消化為Ca（OH）2，Ca（OH）2送入脫硫塔進行脫硫反應。爐后脫硫設計處理煙氣量350 000 m3/h，設計入口SO2質量濃度≤2 500 mg/m3，出口SO2質量濃度≤50 mg/m3，脫硫率≥98%。

圖2 CFB半干法脫硫工藝流程圖

爐后脫硫裝置于2014年6月開車調試，168 h性能考核結果整體良好，各系統運行穩定，出口SO2濃度達到設計要求。具體數據見表1。

表1 CFB鍋爐爐后脫硫裝置考核結果

2.3 SO2超低排放情況

根據《河南省燃煤機組超低排放改造專項行動方案》要求，燃煤機組要實現超低排放，排放標準為SO2質量濃度≤35 mg/m3［9］。爐后脫硫裝置原設計出口SO2質量濃度≤50 mg/m3，通過對工藝水量、Ca（OH）2添加量等進行調整，出口SO2濃度能夠穩定達到超低排放標準。2017年CFB爐的SO2排放濃度見圖3。執行超低排放標準后，7~12月平均出口SO2質量濃度為4.7 mg/m3。經過實踐論證，CFB鍋爐爐內噴鈣+爐后CFB半干法二級脫硫工藝應用后，出口SO2濃度很好地滿足了超低排放標準要求。

圖3 2017年CFB爐的SO2排放濃度

3 優化運行研究

3.1 爐后脫硫系統運行優化

爐后CFB半干法脫硫效率的影響因素主要包括Ca/S、CaO活性、脫硫灰循環量、床層壓降、出口煙氣溫度等。經確認采用的CaO滿足脫硫要求，故本文主要考察脫硫塔出口煙氣溫度、床層壓降等因素。

3.1.1 脫硫塔出口煙氣溫度優化

研究表明，CFB半干法的脫硫率隨近絕熱飽和溫差?T（脫硫出口煙氣溫度與飽和煙氣溫度之差）的降低而單調上升［10］。對?T的控制反映在噴水量的大小上，?T越小，噴水量越大，這一方面使漿液蒸發慢，液相存在的時間長，脫硫劑與煙氣中SO2反應時間長；另一方面，較高的煙氣濕度提高了干態顆粒的反應活性［10］。

廠家設定的脫硫塔出口煙氣溫度為75~80 ℃。優化期間，通過調整不同的脫硫塔出口煙氣溫度，確認其對脫硫劑使用效率的影響（體現在Ca/S上）。脫硫塔出口煙氣溫度與Ca/S的關系見表2。由表2可知，隨著脫硫塔出口煙氣溫度的降低脫硫Ca/S顯著降低，出口煙氣溫度從79.12 ℃降至72.14 ℃時Ca/S降低了2.51，這表明脫硫塔出口煙氣溫度的降低大幅提高了脫硫劑利用率。但脫硫塔出口煙氣溫度過低，將接近煙氣露點，有可能帶來布袋糊袋、脫硫塔塌床、脫硫塔結灰等不良影響。綜合考慮系統運行情況，最終將脫硫塔運行溫度設定在70~75 ℃，實際運行過程中一般控制在73 ℃左右。

表2 脫硫塔出口煙氣溫度與Ca-S質量比的關系

3.1.2 脫硫塔床層壓降優化

爐后脫硫塔運行過程中，脫硫塔床層壓降與床層物料濃度成正比，可通過調整床層壓降控制脫硫塔內物料濃度。廠家設定床層壓降為1.1~1.2 kPa。優化期間，通過提高脫硫塔床層壓降，考察其對脫硫Ca/S的影響。結果表明，提高床層壓降在一定程度上能夠提高脫硫劑利用率，當床層壓降由1.15 kPa增至1.25 kPa時，Ca/S由2.20降至1.80。但由于出現過脫硫塔塌床情況，考慮到系統運行的穩定性，將脫硫塔床層壓降設置在1.20 kPa。

3.1.3 脫硫劑給料設備優化

設計爐后脫硫塔入口SO2質量濃度為2500 mg/m3，兩臺Ca（OH）2給料機設計給料量分別為2.5 m3/h和5.0 m3/h。運行后發現，Ca（OH）2消耗量偏大，出口SO2濃度長時間維持低值，甚至持續為0，導致脫硫劑大量浪費。針對該情況，對2.5 m3/h Ca（OH）2給料機進行了內部改造，對給料機轉子間隙進行了調整，減少給料機給料量，便于爐后脫硫系統高SO2負荷和低SO2負荷的靈活調整，提高脫硫劑利用率。此外，綜合平衡環保指標與運行成本，將出口SO2控制在15 mg/m3左右，減少脫硫劑浪費。

3.1.4 爐后脫硫系統優化效果

爐后脫硫系統通過運行優化，經濟效益顯著。在入口SO2濃度基本一致的情況下，優化前后的數據對比見表3。優化前系統運行存在出口煙氣溫度較高、出口SO2濃度長時間偏低、床層壓降偏低等問題；優化后，Ca/S和運行成本均顯著降低，Ca/S由4.45降至2.34，脫硫劑成本由2 703元/t以SO2計，下同）降至1 441元/t。

3.2 二級脫硫整體優化

二級脫硫運行的SO2負荷分配也影響脫硫成本，合適的負荷分配可使二級脫硫均保持在較高的脫硫效率區段，實現整體Ca/S最優化，降低總脫硫劑成本。

表3 爐后脫硫系統優化前后的數據對比

在保證脫硫效率的基礎上，在其他運行工況條件基本一致的情況下，通過調整爐后脫硫塔入口SO2濃度控制二級脫硫負荷分配，考察3種不同工況下二級脫硫運行Ca/S的變化情況，具體數據見表4。其中工況2、工況3運行試驗28 d，工況1受公司運行需求影響，試驗11 d。由表4可知：隨著爐后脫硫塔入口SO2濃度的降低，爐內脫硫Ca/S變化不大，均在2以下；爐后脫硫Ca/S則顯著下降，由3.23降至1.94；總Ca/S和脫硫劑成本整體也呈下降趨勢。

此外，在爐后脫硫塔入口SO2質量濃度為1 710 mg/m3時，對爐后脫硫系統排出的脫硫灰進行了取樣檢測。結果發現，脫硫灰中Ca（OH）2含量高達43.3%（w），表明脫硫灰中含有大量未反應的脫硫劑，脫硫劑利用率低。

表4 不同脫硫塔入口SO2濃度下二級脫硫的Ca/S及脫硫劑成本變化情況

綜合分析，爐后CFB半干法脫硫適于低SO2負荷下脫硫。在較高SO2負荷下，為達到脫硫效果，需大量投加脫硫劑，脫硫塔內的物料中要始終保持較高的脫硫劑濃度，相應的，排出的脫硫灰中脫硫劑成分含量高，導致脫硫劑的大量浪費。

綜合考慮二級脫硫運行情況、脫硫劑成本及脫硫劑利用率，并結合日常生產過程中爐內噴鈣脫硫控制的實際情況，將爐后脫硫塔入口SO2質量濃度調整范圍定在700~1 100 mg/m3，實際運行過程中根據燃料含硫量變化進行適當調整。

3.3 小節

經過爐后脫硫和二級脫硫負荷分配優化后，脫硫效率顯著提升。優化前，Ca/S達3.14，脫硫劑成本達1 280~1 506元/t。優化后連續運行4個月，Ca/S為1.90~2.18，脫硫劑成本為783~890元/t，月度脫硫劑成本降低53萬元以上。

4 結論

a）CFB鍋爐應用爐內噴鈣+爐后CFB半干法二級脫硫工藝，出口SO2質量濃度能夠穩定達到不高于35 mg/m3的超低排放要求。爐內噴鈣+爐后CFB半干法二級脫硫工藝是實現CFB鍋爐SO2超低排放的一種可行的技術途徑。

b）通過對爐后脫硫運行優化、二級脫硫負荷優化，摸索出二級脫硫經濟性較好的運行模式，脫硫塔出口煙氣溫度控制在70~75 ℃、脫硫塔床層壓降控制在1.20 kPa、脫硫塔入口SO2質量濃度控制在700~1 100 mg/m3。

c）優化后，二級脫硫總Ca/S由3.14降至1.90~2.18，脫硫劑成本由1 280~1 506元/t（以SO2計）降至783~890元/t，月度脫硫劑成本降低53萬元以上。通過系統優化，提高了脫硫劑利用率，降低了脫硫運行成本。