循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫的研究

2010年2月电力科技与环保第26卷第1期45循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫的研究DiscussionontheaddinglimestonedesulfurizationinCFBboiler于树辉(山东电力工程咨询院有限公司,山东济南250013)摘要:分析了循环流化床锅炉的特点和脱硫原理,探讨了循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫系统中存在的问题及影响脱硫效率的因素,提出提高循环流化床锅炉炉内脱硫效率的措施。关键词:循环流化床锅炉;石灰石;脱硫效率;影响因素;对策措施Abstract:TheprinciplesandcharacteristicsofCirculatingFluidizedBed(CFB)boilerwereanalyzed.Theprob2lemsexistedintheCFBboilerdesulfurizationsystemthataddedlimestoneintheboilerwerediscussed.Thefac2torsinfluencedthedesulfurizationefficiencywereanalyzed.Somecountermeasurestoimprovethedesulfuriza2tionefficiencyofCFBboilerwereproposed.Keywords:CFBboiler;limestone;desulfurizationefficiency;influencingfactor;countermeasure中图分类号:X701.3文献标识码:B文章编号:1674-8069(2010)01-045-04循环流化床(CFB)燃烧技术是最近几十年发展起来的一种新型燃烧技术,由于循环流化床锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、高效脱硫的特点,因此近年来有了很大的发展。其应用范围从小型工业流化床锅炉发展到大型电站锅炉,投入运行的最大容量为300MW。截至2008年底,已有与300MW机组配套的18台循环流化床锅炉投入运行。流化床燃烧技术也从第一代鼓泡床(俗称沸腾床)发展到第二代循环床。1循环流化床燃烧特点和脱硫原理1.1循环流化床燃烧优点循环流化床燃烧技术具有一些常规的煤燃烧技术(如层燃和煤粉燃烧)所不具备的优点,如具有脱硫、脱硝功能,燃料适应性强,可燃烧劣质煤,负荷调节性能强等。(1)具有脱硝功能。循环流化床的燃烧特点是任何时候流化床内惰性热物料都占全部床内固体物料的97%～98%,因而,可以将温度控制在800～900℃的范围内,并保证稳定和高效的燃烧。这种低温燃烧方式可以有效地抑制NOx的生成和排放,循环流化床锅炉NOx的生成量很小,仅占煤粉锅炉燃烧的1/3～1/4。(2)具有脱硫功能。由于循环流化床燃烧温度正好是石灰石/石灰脱硫反应的最佳温度,因而在床内加入石灰石或白云石可有效地脱除在燃烧过程中生成的SO2。(3)燃料适应性强。由于循环流化床床内惰性物料的巨大热容量,以及流态燃烧过程中十分良好的传热、传质和混合过程,因此循环流化床虽然是一种低温燃烧方式,但它却可以燃用一切种类的燃料并达到较高的燃烧效率,其中包括高灰分、高水分、低热值、低灰熔点的劣质燃料(如泥煤、褐煤、油页岩、木屑、洗煤厂的煤泥、洗矸、煤矿的煤矸石等),以及难以点燃和燃尽的低挥发分燃料(贫煤、无烟煤、石油焦和焦炭等)。(4)负荷调节性能强。负荷可在30%～115%之间进行调节。可以在锅炉负荷40%以上的情况下,使蒸汽温度正常;锅炉负荷调节速率也快,一般每分钟可达4%的调节速率。1.2循环流化床锅炉存在的问题(1)初投资大。由于循环流化床的炉膛内传热系数与炉内沿炉膛高度的气固浓度比密切相关,炉膛上部稀相段的传热系数远小于下部浓相段的传热系数,再加上温度低、烟气流速高、床截面小,因而必须增加炉膛高度,否则四周墙面不足以满足受热面面积要求,从而增加了锅炉的初投资。(2)耗电量大。循环床的分离循环系统比较复杂,且布风板及系统阻力较大,使锅炉自身耗电量增大,约为机组发电量的7%左右,导致运行费用增2010年2月电力科技与环保第26卷第1期加,耗电量增大。(3)磨损及腐蚀。由于床内流速高、固体颗粒浓度大以及为控制NOx排放而采用分级燃烧使炉膛内存在还原性气氛的区域等因素,会造成进风风帽等部位的磨损及受热面与吊挂管的磨损与腐蚀,导致循环流化床锅炉检修率较高。综上所述,循环流化床由于能在低温下燃烧等一系列特点,它虽然存在一定的问题,但仍不失是当前在燃烧中脱硫的最佳燃烧方式。1.3循环流化床锅炉的脱硫原理循环流化床燃烧脱硫技术是指在循环流化床锅炉中将石灰石(石灰)等原料粉碎成与煤粉同等细度,参入煤中在炉内同时燃烧,在800～900℃时,石灰石受热分解成CO2,及多孔CaO,CaO与SO2发生反应生成CaSO4。由于循环流化床锅炉带有高温除尘器(旋风分离器),可使飞出去的未完全反应的脱硫剂又返回炉膛循环利用,同时,循环流化床较低的燃烧温度确保CaO不会烧结,从而提高了脱硫效率。其化学反应式如下:CaCO3CaO+CO2(1)CaO+1/2O2+SO2CaSO4(2)(1)式为吸热反应,石灰石CaCO3分解为CaO和CO2的热分解温度为880℃左右。(2)式中CaO与SO2反应的最佳温度是800～850℃。由于循环床内的烟气流速为4.5～7.0m/s,可以把相当数量的固体颗粒带出炉膛。安装在炉膛出口处的高效分离器能将被气流带出的固体颗粒分离出来,再将其送回炉膛底部,以维持炉膛内床料总量不变的连续工作状态。在循环床运行工况下,整个炉膛内除了气体向上流动外,固体颗粒亦向上流动,此时气、固两相之间存在的相对速度称为滑移速度。气、固两相混合物的密度不单纯取决于流化速度,还与当时颗粒的质量流率有关。在一定的气流速度下,质量流率越大,则床料密度越大;固体颗粒的循环量越大,则气、固间滑移速度也越大。固体颗粒的聚集和团聚作用是循环床内颗粒运动的一个特点。研究表明,当床料密度为8～10kg/m3时,床内细颗粒就会团聚成大粒子团。粒子团由于重量增加、体积加大,具有较大的自由沉降速度。在一定的气流速度下,大粒子团不是被吹上去,而是逆着气流沿炉墙向下运动。这些粒子团在沿着炉墙向下运动过程中,气、固间产46生较大的相对速度,然后被上升的气流打散成细颗粒,再有气流带动向上运动,又聚集成粒子团,再沉降下来,这种粒子团不断聚集、下沉、吹散、上升又再聚集的物理过程,使循环床内发生强烈的热量和质量交换。由于粒子团沿炉墙沉降和边壁效应,循环床中气、固流动形成近炉壁处很浓的粒子团以旋转状向下运动,炉膛中心则相对较稀的气固相向上,产生一个强烈的炉内循环运动,大大强化了炉内的传热和传质过程,使刚进入炉内的新鲜燃料和脱硫剂颗粒在瞬间即被加热到850℃的炉膛温度,并保证了在整个炉膛内纵向和横向都具有十分均匀的温度分布,从而使脱硫剂和SO2的脱硫反应能够在整个炉膛内和分离器内进行。由于循环流化床锅炉中被烟气带出的细颗粒能在旋风分离器中被分离出、来并被送回炉内再利用,因而大大延长了脱硫剂的停留时间。在炉膛内的内循环和整个物料通过旋风分离器的外循环过程中,脱硫剂的颗粒会被磨碎而出现新的反应表面,而在整个固体物料的循环系统内有着均匀的温度分布,这一切大大地改善了脱硫性能,提高了脱硫剂的使用效率。2循环流化床燃烧脱硫的影响因素及对策循环流化床燃烧脱硫一般采用添加石灰石的方法。其脱硫效率的影响因素主要是石灰石输送添加方式、钙硫比(Ca/S)、石灰石的颗粒度、石灰石的品质(活性)、煤中硫分、燃烧温度、循环流化床锅炉循环倍率等。2.1石灰石输送系统对脱硫效率的影响及其对策石灰石输送系统一般分两级料仓石灰石输送系统和单级料仓石灰石输送系统两种。两级料仓石灰石输送系统分为石灰石粉库(锅炉房外)至中间粉仓的前置段输送和中间粉仓至锅炉炉膛的后置段输送两个部分。前置段输送采用空压机做为输送用气动力源进行定容间断输送;后置段输送采用罗茨风机做为输送用气动力源进行可定量调整的连续输送。两级料仓石灰石输送系统主要是由储料仓、正压气力输送系统、炉前仓、喷吹系统、电气控制系统等组成。物料采用罐车压送到储料仓,再由正压气力输送系统输送至炉前仓,最后经喷吹系统吹送入炉膛。整个系统采用PLC程序控制。输送系统是2010年于树辉:循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫的研究第1期以空压机作为动力源,采用高密度的低压栓流式输送,将物料从发送器以灰栓形式由管道输送至炉前仓。正压气力输送系统由发送器、进出料阀、补气阀、管路等组成。单级料仓连续石灰石输送系统主要由石灰石粉储仓、螺旋计量给料装置、自控旋转给料阀、压力式喷射给料装置、鼓风送风装置以及管道分配器等组成。该系统可根据锅炉的运行工况,通过变频电机实现无级调速控制,将石灰石粉定量、连续、均匀地送入锅炉炉膛。石灰石输送系统中影响脱硫效率的主要有石灰石粉吸水出现板结、堵塞及定量、连续输送系统的自动控制问题。2.1.1石灰石粉板结、堵塞原因及解决办法石灰石粉的吸水性很强,可有效地吸收空气中的水分,引起储料仓内石灰石粉的板结、硬化、起拱,石灰石正压气力输送系统由于输送的风压不足易造成堵塞。储料仓下部设流化装置以防止石灰石粉结块,顶部设置除尘器及压力真空释放阀;选择合适的气粉比,实现热风送粉,防止在输送风压不足时石灰石输送系统堵塞,确保石灰石粉均匀、连续、通畅地进入锅炉,以满足炉膛内设计的钙硫比。SO2。因此,既要保证石灰石(CaCO3)的热分解温度,又不致于使反应生成的副产品分解,必须控制循环流化床锅炉的床层温度在800～900℃的范围内。控制床温还在于保持脱硫剂的反应速度和固体产物的分布及防止孔隙堵塞等,有利于提高脱硫剂的利用率。为了控制床温,一般在床层内布置一部分管束,它既是吸热强度很大的受热面,保证炉内温度适当,不致烧熔炉渣而影响正常运行,又可使NOx的生产量及灰中钠、钾的挥发量大为减少。2.3Ca/S对脱硫效率的影响Ca/S是影响脱硫效率和SO2排放量的首要因素。为了确定为达到一定的脱硫效率所需要消耗的脱硫剂量,常用钙和硫的摩尔比值(Ca/S)作为一个综合指标,来说明在用CaCO3脱硫时钙的有效利用率。Ca/S越高,钙的利用率就较低。通常情况下,当流化速度一定时,脱硫效率随Ca/S的增加而增大;当Ca/S一定时,脱硫效率随流化速度降低而升高。一般来说,要达到90%的脱硫效率,常压循环流化床和增压流化床的Ca/S分别在1.8～2.5和1.5～2.0之间。为了达到一定的脱硫效率,需加入到循环流化床锅炉中的脱硫剂G可用下式计算:2.1.2系统自动连续控制100CaS(%)完善石灰石输送系统自动连续控制。目前,石G=××32SCaCO3(%)B(3)灰石多采用人工添加方式,无计量设施的中小型电CaCO3(%)厂尚有一定数量,这种添加方式很难做到连续、均或CaS=32×100×GS(%)B(4)匀,其脱硫效率很难保证。因此,必须安装烟气自动连续监测系统。根据烟气自动连续监测系统的数据反馈至石灰石添加系统,实施输送系统各环节的联锁,自动调节石灰石粉的添加速率,实现石灰石输送系统的PLC控制。没有中间仓的发送系统当然是最简单的系统,但要充分考虑采取可靠措施,主要是合理的仓料干燥方式和解决料仓背压问题。2.2炉温对脱硫效率的影响及其对策根据石灰石脱硫剂和副产品硫酸盐的化学特性,控制循环流化床锅炉的炉内温度是提高脱硫效率的有效措施。由于石灰石是通过煅烧成CaO与煤燃烧产生的SO2化合生成CaSO4而达到脱硫效果的,在750℃以下,石灰石分解困难;1000℃以上,生成的硫酸盐(CaSO4)又将部分分解成CaO和式中G为达到一定脱硫效率需向循环流化床锅炉中加入的脱硫剂量,kg/h;100/32为CaCO3和S转化为摩尔数的转换系数,其中100是CaCO3分子量,32是S分子量;Ca/S为达到一定脱硫效率所需的钙硫摩尔比值;S为煤中含硫量的质量百分数,%;CaCO3为脱硫剂中CaCO3含量的质量百分数,%;B为燃料消耗量,kg/h。由上述CaCO3在燃烧过程中的脱硫