循環流化床鍋爐SO2影響因素分析及優化研究

劉宏禹，索曉璐

(1．晉控電力同達熱電山西公司，大同 037000； 2．晉控煤業集團塔山煤礦，大同 037000)

0 引 言

本文根據晉能控股電力集團同達熱電山西有限公司2×1 165 t/h循環流化床鍋爐，鍋爐是由東方鍋爐(集團)股份有限公司制造的DG1165/17.5-Ⅱ1亞臨界、一次中間再熱、自然循環汽包爐。緊身封閉、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊結構、爐頂設密封罩殼 CFB循環流化床鍋爐。煙氣脫硫除塵島采用某脫硫脫硝公司提供的LJD火電廠新型高效半干法脫硫除塵一體化工藝。煙氣處理流程：循環流化床鍋爐內部干法脫硫→靜電預除塵器→煙氣循環流化床半干法脫硫塔→布袋除塵器→引風機→煙囪。為達到煙氣環保排放標準要求(每小時不超35 mg/m3)，其爐后采用二級煙氣脫硫除塵。爐內脫硫效率為80%，爐后脫硫設計同時滿足爐內脫硫與不脫硫工況。爐外設計脫硫效率大于90%，爐外采用半干法脫硫除塵一體化裝置，每臺爐配一套脫硫除塵島。脫硫除塵島串聯布置在主機鍋爐之后。石灰石礦粉給料量根據鍋爐燃料量和鍋爐尾部SO2分析，通過調節旋轉給料閥的轉速來控制，旋轉給料閥采用變頻調節，脫硫除塵島Ca/S摩爾比設計值在1.26范圍內。由于常年的器材損耗以及其他原因，導致Ca/S摩爾比越來越高達到了5以上，嚴重影響了成本的消耗。

1 脫硫反應原理

1.1 爐內干法脫硫原理

本廠循環流化床鍋爐密相區溫度可達770 ℃～990 ℃，甚至可以達到1 030 ℃以上。位于石灰石倉內的石灰石粉末通過壓縮空氣氣力輸送至爐膛前墻四個石灰石口進入爐膛的密相區，石灰石的顆粒直徑小于0.25 mm。當石灰石粉被氣力輸送到爐膛內，密相區內大量的高溫物料迅速將石灰石包裹，石灰石的主要成分為碳酸鈣，在高溫條件下，碳酸鈣經過鍋爐爐內煅燒容易產生分解反應，最終會形成生石灰氧化鈣，同時還會產生CO2[1]，如式(1)，由于反應過程中CaCO3顆粒轉變成CaO顆粒時其體積縮小，CO2的析出使得原CaCO3空隙變大，增加了與SO2的接觸面積，從而提高脫硫效率。CaO經過脫硫最主要的反應如式(2)，就單位鈣而言，硫酸鈣的體積大于碳酸鈣，從而CaO表面的細孔很容易被硫酸鈣覆蓋而阻塞，CaO失去反應所必須的多孔表面[2]，使得CaSO4內部的CaO未能與SO2反應。導致要脫去產生的SO2需要消耗大量的石灰石，造成成本的增加。

CaCO3→CaO+CO2

(1)

CaO+SO2+1/2O2→CaSO4

(2)

1.2 爐外半干法脫硫原理

根據進入脫硫除塵器出口的煙氣流量(結合O2的含量)和排放(凈煙氣量)SO2濃度來控制加入吸收塔內吸收劑的用量，即調節消石灰調頻旋轉給料器的轉速，從而控制SO2排放濃度。為了促進消石灰和SO2的反應，通過向吸收塔噴水來降低煙氣溫度，由原煙氣溫度110 ℃～140 ℃，降低到65 ℃～75 ℃(吸收塔出口溫度)左右，循環流化床煙氣脫硫技術主要反應過程如下[3-4]，生成的CaSO4以及灰與布袋構成循環灰，當灰量多的時候，通過脫硫塔底部灰斗放出。

(1)生石灰與水的水解反應：

CaO+H2O→Ca(OH)2

(3)

(2)SO2被液滴吸收：

SO2+H2O→H2SO3

(4)

(3)Ca(OH)2和H2SO3的反應：

Ca(OH)2+H2SO3→CaSO3·1/2H2O+3/2H2O

(5)

(4)部分CaSO3·1/2H2O氧化反應：

CaSO3·1/2H2O+3/2H2O+1/2O2→CaSO4·2H2O

(6)

(5)其他反應：

Ca(OH)2+2HCl→CaCl2+2H2O

(7)

2 燃料特性

晉控電力同達熱電山西有限公司2×1 165 t/h循環流化床燃煤由晉控煤業塔山煤礦有限公司以及周邊其他煤礦供給，主要是低熱值煙煤及矸石組成，煤質工業分析見表1。

表1 煤質工業分析

3 試驗因素分析

本文所涉及的試驗及數據分析均以晉控電力集團同達熱電山西有限公司2×1 165 t/h循環流化床鍋爐為準。該廠采用爐內噴石灰石粉干法脫硫方式，爐外采用單獨脫硫塔噴消石灰和水半干法脫硫方式。

3.1 過量空氣系數對SO2的影響

本試驗是通過調節二次風量來控制過量空氣系數，負荷為165 MW，一次流化風量為300 000 Nm3/h左右，返料風量為10 700 Nm3/h左右，平均床溫在850 ℃左右，爐內石灰石為5 t/h左右，消石灰0 t/h，得出的試驗結果如圖1所示。

圖1 過量空氣系數對SO2的影響

根據圖中試驗數據可以看出，過量空氣系數在1.12～1.14之間，脫硫塔入口SO2濃度增加顯著，到1.15時達到最大，而后隨著過量空氣系數的增加，爐膛出口SO2呈現緩慢的下降趨勢。研究表明，在低氧量燃燒時，S主要以H2S的形式存在，H2S對爐膛內部金屬有強的腐蝕性[5-8]。但是在機組滿負荷時，過量空氣系數盡量達到1.15以上。

3.2 一次流化風量對SO2的影響

本試驗是通過調節一次流化風量來找與之對應的SO2關系，負荷在165 MW，二次風量為180 000 Nm3/h左右，返料風量為10 700 Nm3/h左右，由于床壓低，床溫的變化不是很大，平均床溫在840 ℃～850 ℃之間，石灰石投放量5 t/h左右，消石灰0 t/h，試驗結果如圖2所示。

圖2 一次流化風量對SO2的影響

根據圖中試驗數據分析，在其他因素變化趨勢不是很大的基礎上，一次流化風量在285 000 Nm3/h的時候，脫硫塔入口的二氧化硫濃度最小，隨著一次流化風的增加或者減少SO2有上漲的趨勢，一次流化風低時，SO2在爐膛生成的比較多，石灰石可以停留時間較長，但是影響爐膛的流化并且還產生其他硫化物腐蝕爐膛的金屬材料。一次流化風量大時，SO2增長快是由于石灰石在爐膛的停留時間短，進入爐膛的石灰石很快隨著煙氣流失。對在流化床內脫硫而言，流化速度增大，脫硫效率降低[9]。為此本鍋爐進行了技術改造，通過一個管路將脫硫塔的灰送回爐膛里，由于距離太遠，管路中的回灰量少，無法達到節約石灰石的目的。

3.3 床溫對SO2的影響

本試驗中一次流化風310 000 Nm3/h，過量空氣系數控制在1.13左右，返料風量為10 800 Nm3/h，消石灰的投放量為0 t/h。

表2 床溫對SO2的影響

由上表我們可以分析得出，本鍋爐在850 ℃～900 ℃左右的時候，產生的SO2最容易與CaO反應，排放濃度達到最低。當床溫大于870 ℃，CaO內部分布均勻的小晶粒會逐漸融合為大晶粒[10]。溫度越高，粒越大，CaO的表面積減少，影響脫硫效率，因此在低負荷的情況下，盡量調整風煤比提高床溫；高負荷時要控制床壓和一、二次風配比并調節密相區的溫度。為了達到良好的成本控制，我們將爐前石灰石改為爐后，通過返料腿，送入爐膛，由于旋風分離器輸入爐膛的返料量不是很多，進入爐膛密相區很少，隨煙氣到了脫硫塔，其效果不是特別好。

4 結束語

(1)過量空氣系數在1.14～1.15時脫硫效率最高，一次流化風在285 000 Nm3/h脫硫效率最高，反映出這時的流化風量和氧量使得石灰石在爐內反應效果達到最佳。

(2)在爐外不加消石灰時，也能使排放的SO2達標，說明加入的石灰石粉只有一部分在爐內參與反應，隨煙氣到達脫硫塔內參與了爐外脫硫，石灰石在爐內停留短，無法真正參與脫硫。

(3)為了流化煤粉(煤粉顆粒度比石灰石大很多)，一次流化風量通常比較大，使得噴向爐膛密相區的石灰石很快被帶走，無法真正參與到爐內反應。根據上述結論，石灰石在爐內脫硫效率低，并且有大量石灰石出現在脫硫塔，提出兩點改造方案：

①將循環流化床鍋爐布風板面積減少，增強鍋爐內循環，延長石灰石粉在爐內的停留時間。

②減少石灰石壓縮空氣壓力或者在噴口增加風帽，讓石灰石沿爐膛的內循環進入密相區，并附著在循環灰上減少被帶走概率，增加在爐膛的停留時間，使之更好的參與反應。