炉内喷钙炉后活化脱硫工艺的脱硫率及对锅炉影响的分析

浙江电力ZHEJIANGELECTRICPOWER2002年第21卷第6期炉内喷钙炉后活化脱硫工艺的脱硫率及对锅炉影响的分析周晓耘1，徐小琼1，徐绍平2（1．浙江省电力试验研究所，浙江杭州310014；2．浙江省电力公司，浙江杭州310007）摘要：简单的介绍炉内喷钙和炉后增湿活化的干法脱硫工艺，分析了这一工艺对脱硫率影响的关键因素和对锅炉运行影响，对这一脱硫工艺今后的设计和调试有一定的参考价值。关键词：烟气脱硫；炉内喷钙；炉后活化；效率；影响炉内喷钙和炉后增湿活化的干法脱硫工艺，具有占地较小、建设周期短、投资费用省，适用于中低硫煤脱硫的特点，一般Ca／S＜2．5，脱硫率60％～80％。由芬兰FORTUM公司开发的炉内喷钙和炉后增湿活化脱硫系统，即LIFAC工艺（LimestoneInjectionintotheFurnaceandActivationofCalcium），工艺简图见图1。在国内南京下关电厂125MW机组投产2套，绍兴钱清电厂125MW机组投产一套，现结合钱清电厂调试和生产时的一些实践，谈谈这一工艺影响脱硫率的几个关键点，及炉内喷钙对锅炉的影响，以供类似脱硫工艺的系统在设计和调试时借鉴。1工艺基本原理LIFAC工艺分2个阶段进行，即炉内喷钙和炉后增湿活化。第一阶段，磨细的石灰石细粉用气力喷射到炉膛上部温度为800～1200℃的区域，CaCO3受热分解成CaO和CO2，其中部分CaO与锅炉烟气中一部分SO2和几乎全部SO3反应生成Ca－SO4，未反应的CaO与飞灰随烟气（包括未被吸收的SO2）一起排到锅炉下游，这一阶段的脱硫率在25％～35％。其主要反应式如下：第二阶段，烟气进入炉后一个专门设计的活化器中喷水增湿。在活化器中烟气中未反应的CaO与水反应生成在低温下有较高活性的Ca（OH）2，这些Ca（OH）2与烟气中剩余的SO2反应生成CaSO3，而CaSO3在正常运行条件下氧化成CaSO4是微不足道的。其主要反应式如下：脱硫灰基本是干的粉末，主要是60％～70％的飞灰及炉膛内生成的CaSO4、活化反应器内生成的CaSO3和未反应的CaO、Ca（OH）2。由于有未反应的CaO、Ca（OH）2，脱硫灰部分再循环使用，提高吸收剂的利用率。活化器出来的增湿烟气温度在55～57℃，为了防止在ESP和烟囱中因烟温降低到露点以下而产生腐蚀问题，在活化塔出口和ESP入口之间增加了用热空气再加热烟气装置。2影响脱硫率的几个因素2．1石灰石喷入系统石灰石喷入炉内，影响其脱硫率的有煤质、石灰石的质量和数量及粒度、石灰石喷入处的温度、氧化钙在过热器区域的停留时间、石灰石与烟气的混合程度等。脱硫率随着石灰石的增加而提高，但是当Ca／S大于3．0时，脱硫率提高得很慢，石灰石的最佳利用率约在Ca／S＝2．5～3．0之间。石灰石喷入处的温度在900～1100℃较佳，重要的是喷入炉膛形成的氧化钙没有过烧，在反应器中具有活性。CaSO4开始分解的温度是1200℃，而CaSO3为722℃，因此，在温度高于1200℃时，即使炉膛内同时存在SO2和CaO等碱性氧化物，两者之间化合成硫酸盐的可能性也很小。钱清发电厂1号机负荷70～125MW时，用红外高温计在上层石灰石喷嘴标高处两侧测得1号炉炉膛烟温峰值为904～1123℃，负荷高炉温也高，下层石灰石喷嘴处炉温会更高，基本达到了石灰石喷射点对温度的要求。石灰石在炉内停留时间与脱硫率的关系也有一最佳值，试验表明，在Ca／S＝3．0，石灰石颗粒直径为8．6μm和喷入点温度1000℃时，停留时间0．3～0．5s为佳，所以选择的石灰石喷入位置距炉顶距离或炉型也很重要，一般氧化钙粒子在炉内停留时间在0．5～3s，其在“流化区”停留时间增长，脱硫率提高。石灰石与烟气的快速混合和在烟气中的快速扩散，是石灰石炉内喷射脱硫的关键点之一。石灰石能否与烟气快速混合取决于：喷射点数量、喷嘴型式、喷嘴位置、输送介质与石灰石质量比、石灰石喷射气流与炉膛主烟气流的动量比等。下面着重从实际试验情况，就石灰石与烟气的混合程度对脱硫率的影响进行讨论。钱清电厂的LIFAC系统原设计的炉内喷钙系统用罗茨风机（25m3／min、30kPa）输送石灰石粉，石灰石喷嘴为一直径50mm的圆筒，共10只，分上、下排布置在炉前，石灰石上、下排喷嘴距上排一次风距离16．25、13．1m，距顶棚8．45、11．6m，运行时只有一排喷嘴工作，没有助推风系统。2000年1月11日对石灰石粉喷嘴不投石灰石而只投入输送风时断开的皮管处接头的风速进行了测量，数值如下表1。由于喷嘴出口直径小，扩散快，感觉风只能喷射1～2m远。2000年2月份根据FORTUM的初步设计，中方自己加工了石灰石喷嘴的助推风系统并安排在下排喷嘴处，助推风的风源取自空压机送出备用的风量。对中方加工的助推风系统进行试验，投入助推风且在助推风母管压力达0．5MPa左右时，脱硫效率可提高5％～7％（绝对值），并同时改善了炉内两侧烟温偏差的情况。2000年3月中旬，在下排石灰石喷嘴安装上了FORTUM提供的助推风系统，FORTUM提供的助推风系统使用风量较少，而风速可达较高值。对FOR－TUM提供的助推风系统进行试验，助推风系统喷嘴处就地压力0．15MPa，此时的助推风量比中方系统试验时的少40m3／min左右，对脱硫率提高影响不明显。因要控制脱硫设备用电功耗不能超过合同值，并且FORTUM提供的助推风系统也不适应大的助推风量，所以试验时的助推风量较少。钱清电厂在2001年7月的大修中，改造了石灰石喷射系统，石灰石从锅炉四角切向喷入炉膛，喷嘴带助推风系统。在改造后9月份进行的脱硫效率测试中，机组负荷80％～100％，系统正常投入时，测得脱硫率为68％～72％，有较明显的提高。综上所述，石灰石喷嘴喷射的风量（输送介质）必须达到足够值，才能使石灰石与烟气充分混合，从而达到较高的炉内脱硫效率。2．2炉后增湿活化系统影响炉后增湿活化系统的脱硫率主要有进入活化塔飞灰中的活性CaO含量、活化塔进口烟温、喷水量大小、水滴大小及在活化塔中停留时间、活化塔出口烟温等，现把主要影响因素叙述如下。活化塔进口烟温越高脱硫率越高。在其它条件不变的情况下，活化塔进口烟温提高，能使增湿水量提高，活化塔脱硫率提高。试验表明，吸收剂活化的主要原因是吸收剂与水滴的碰撞。增湿水量增加，提高了吸收剂的活化程度，使与SO2反应机会增加，脱硫率提高。钱清电厂的试验表明，在烟温100℃以上时，活化塔进口烟温提高10℃，脱硫率约提高5％～10％，排烟温度与脱硫率的关系如图2所示。水滴大小影响着脱硫率的高低，在小型试验中水滴的最佳粒度是100μm，全尺寸装置试验中较小水滴对活化反应器运行更为有利，但也并非雾化的水滴越细越好。由空预器来的烟气在活化塔顶部分成9股进入活化塔，每一股通道中有一个喷嘴组，每个喷嘴组头部设有5只喷嘴，使得雾化水从喷嘴呈扇状水平喷出，烟气必须穿过水雾层才能进入活化塔。试验时，当全部喷嘴投入运行时，雾化水粒度较强，脱硫率51％，后关掉左边三组喷嘴组，水量等其它条件不变，雾化水粒增大，脱硫率反而上升到57％，可见合适的水滴才能得到更高的脱硫率。烟气在活化塔中停留时间是影响脱硫率的因素之一，一般停留时间在5～15s，这就要求设计时考虑烟气量、活化塔高度直径等相联关系。活化塔出口烟气温度，也即活化塔运行温度是决定活化塔脱硫率的重要因素，活化塔出口烟气温度距水露点温度越接近时，活化塔脱硫率越高，但因要考虑到湿壁等问题，不能太接近水露点温度。LIFAC的一般试验表明，当Ca／S＝2．0时，脱硫率为55％～85％，55％、85％分别为对应高于露点20．5℃时的脱硫率。试验表明，活化塔出口的烟温从120→70℃时，脱硫率没有什么变化，出口烟温在70℃以下时，活化塔才起较大的作用，脱硫率提高，如图3所示。3对锅炉及除尘器的影响3．1结渣和结灰低硫煤喷射石灰石后，灰开始软化的温度下降较多，而高硫煤下降较少。这就表明喷钙后对低硫煤来说，其结渣性大于高硫煤。另有研究认为，在炉内温度下，石灰石被迅速煅烧，分解的部分CaO与飞灰中的铝硅酸盐发生凝硬反应，形成含有水泥成分的改性飞灰，因此灰渣中CaO增多时产生的凝硬特性可能会引起排渣困难。LIFAC是在过热器标高喷入石灰石，基本避免了炉膛结渣。结灰是指锅炉对流烟道中，烟气温度低于灰熔融温度时，灰以干态形式沉积在受热管子表面上。由于石灰石大部分被带到对流烟道中，灰量会成倍增加，导致在过热器、再热器、省煤器、空预器等受热面结灰加重，据介绍用常规的吹灰器较易清除。但钱清电厂的锅炉由于原布置的吹灰器较少，在使用了LIFAC后，结灰较严重。加装了吹灰器后，对流受热面的结灰有很大的改善，但空预器的结灰有所增加。3．2影响炉内辐射传热炉内喷钙投入后，主蒸气温度降低约5℃左右，分析认为主要是受热面结渣结灰引起，并喷入石灰石后，灰量增多和粒子尺寸变小，影响了炉内辐射传热。还有喷入石灰石后，左右温差增大，这与石灰石的喷射方式有关。改为石灰石四角喷入，并加装助推风机以增加助推风量，将会改善左右温差和提高脱硫率。3．3锅炉效率有所降低炉内喷入石灰石脱硫后，大约会使锅炉效率降低0．7～1％。主要是喷入石灰石后会增加飞灰中的含碳量，从而增加机械未完全燃烧损失Q4；灰负荷增加也会增加灰渣物理热损失Q6；还有就是喷入冷空气，为提高脱硫率而提高排烟温度，使排烟热损失Q2增加等。3．4对电除尘器影响喷入石灰石后，使电除尘器的进口粉尘较原来增加近一倍，并飞灰比电阻增加，这对电除尘不利。但由于LIFAC有炉后增湿部分，提高了烟气湿度和降低烟温，增加了飞灰的导电率，又促进了除尘效率的提高。两者因素相比较，总的是提高了除尘效率，LIFAC脱硫后测得的三电场电除尘器除尘效率为99．69％。4结论影响LIFAC技术脱硫率的主要因素炉内喷钙方面有煤质、石灰石的质量和数量及粒度、石灰石喷入处的温度、氧化钙在过热器区域的停留时间、石灰石与烟气的混合程度等；活化增湿方面有进入活化塔飞灰中的活性CaO含量、活化塔进口烟温、喷水量大小、水滴大小及在活化塔中停留时间、活化塔出口烟温等。对锅炉影响方面主要有结灰和结渣、传热、锅炉效率、除尘器运行等。LIFAC系统的主要优点是经济、所需设备占地少、不产生废水、最终产物是干灰，在进一步提高脱硫率、完善设备运行状态、克服对锅炉的一些影响后，不失为一经济实用的脱硫方法。参考文献［1］IVO（管菊根译）．向炉膛喷入石灰石并装设活化反应器的脱硫方法［J］．电力环境保护，1987，（1）：56－62．［2］姚洪，袁建伟，曾汉才．炉内喷钙脱硫技术对锅炉的影响［J］．湖北电力，1996，20（2）．［3］段建中，何红光．炉内喷钙脱硫技术的现状与发展前景［J］．热力发电译丛，1990，（3）：48－51．［4］周全，马果骏．下关发电厂LIFAC脱硫技术［J］．电力环境保护，1995，11（2）：35－44．