烟气循环流化床脱硫CFB-FGD技术简介

1烟气循环流化床脱硫CFB-FGD技术简介1.概况烟气循环流化床(CFB)脱硫技术在最近几年中已有所发展，不但用户增多，而且系统的烟气处理能力也比过去增大了，达到950,000Nm3/h，用于300MW机组的烟气脱硫系统。目前，已达到工业化应用的主要有三种流程,它们是：1.由德国Lurgi公司开发的烟气CFB脱硫技术；2.由德国Wulff公司在Lurgi技术基础上进行改进后的RCFB脱硫技术；3.由丹麦F.L.Smith公司开发的GSA烟气脱硫技术。早在七十年代初，擅长于冶金工业工程建设的德国Lurgi公司就采用了烟气循环流化技术对炼铝设备的尾气进行处理。八十年代中期，由于开始对环境质量的严格控制以及政府的有关法规的强行规定，德国的动力工业对烟气脱硫设备有了巨大的需求。Lurgi公司在原来用于炼铝尾气处理的技术的基础上开发了一种新的适用于锅炉和其它燃烧设备的干法烟气脱硫工艺，即烟气循环流化床脱硫工艺。这种工艺以循环流化床原理为基础，通过吸收剂的多次再循环，使吸收剂与烟气接触时间增加，一般可达30分钟以上，从而大大提高了吸收剂的利用效率。这种工艺不但具有干法工艺的许多优点，如流程简单、占地少、投资低以及脱硫副产品呈干态，因而易于处理或综合利用，而且能在很低的钙硫比的情况下(Ca/S=1.1-1.2)达到与湿法工艺相近的脱硫效率(95%)。德国Wulff公司是一个成立较晚的设计和建造烟气CFB脱硫工程的小型企业。它的创始人R.Graf原是Lurgi公司在烟气CFB脱硫技术开发方面的主要负责人。脱离Lurgi公司后自建了Wulff公司，专门从事烟气CFB脱硫技术的开发工作，在Lurgi技术的基础上开发研制了一种叫做回流式烟气循环流化床的烟气CFB脱硫技术,对烟气CFB脱硫技术作了较大的改进，使之更加适用于动力工业(详见后)。F.L.Smith公司是丹麦最大的工业企业，在水泥工业及散装物料输送机械制造方面享有很高的声誉。该公司的子公司F.L.SmithMill专门从事环保设备设计和环境工程建设，在静电除尘器及烟气脱硫方面有不少业绩。它们独自开发的2气体悬浮吸收(GSA)烟气脱硫技术在工作原理上和Lurgi工艺十分类似，并且已在一些垃圾焚烧设备和中小动力锅炉的烟气处理装置上得到了应用。GSA工艺还作为美国能源部主持的清洁煤技术项目的第二阶段中的一种试验技术在美国的一个10MW燃烧装置上进行了试验。下面先对烟气CFB脱硫介绍的工作原理进行简要的说明，然后介绍用于电厂锅炉的两个装置的基本情况。2.烟气CFB脱硫工艺简介无论是Lurgi公司的CFB工艺,Wulff公司的RCFB工艺还是F.L.Smith的GSA工艺，它们在工作原理上都是很类似的。因此我们以Lurgi公司的CFB工艺为基础对烟气CFB脱硫工艺作简单的介绍。烟气CFB脱硫工艺流程由吸收剂制备，吸收塔，吸收剂再循环，除尘器以及仪表控制系统等部分组成，其流程图见图1。烟气CFB脱硫工艺一般采用干态的消石灰粉作为吸收剂，在特殊情况下也可采用其它对二氧化硫气体有吸收能力的干粉或浆液作吸收剂。由锅炉排出的未经处理的烟气从流化床的底部进入，如果考虑到综合利用的需要，不希望脱硫的副产品与飞灰混在一起，那么必须在吸收塔之前安装一个预除尘器。流化床吸收塔的底部为一个文丘里装置。烟气流经文丘里装置后速度加快，并与很细的吸收剂粉末互相混合。它们之间的相对滑移速度很大,加上吸收剂颗粒的密度很大，因此颗粒之间、气体与颗粒之间有着剧烈的摩擦，对SO2的吸收反应的传热传质过程十分有利。吸收剂与烟气中的SO2反应，生成亚硫酸钙，经脱硫后带有大量固体颗粒的烟气由吸收塔的顶部排出。排出的烟气进入再循环除尘器中，再循环除尘器实图1.烟气CFB脱硫工艺流程3石灰水石灰消化装置CFB吸收塔静电除尘器引风机烟囱储水箱灰库机械预除尘器消石灰干粉未处理烟气际上是一个机械式除尘器，也可以是一个安装在电气除尘器前面的机械式预除尘器。烟气中的大部分固体颗粒都被再循环除尘器分离出来，被分离出来的颗粒则经过一个中间灰仓返回到吸收塔。由于大部分的颗粒都被循环多次，因此，固体吸收剂在脱硫系统中的滞流时间很长，一般可达三十分钟以上。中间灰仓出灰装置根据吸收剂的供给量以及除尘效率,按比例排出固体颗粒进入再循环回路。从再循环除尘器排出的烟气如不能满足排放标准的要求，则需要再安装一个除尘器(静电除尘器或布袋除尘器)。经除尘后的洁净烟气通过引风机、烟囱排入大气。以干粉的形式输入流化床吸收塔的吸收剂，同时还要喷入一定量的水以提高气体和固体物的反应能力。对脱硫效率来说，一个很重要的因素是烟温与水露点温度之差，该差值越小则系统的脱硫效率越高。由于吸收剂是干的,所以注水量与加入的吸收剂的量、烟气的温度以及烟气中的SO2浓度无关。这样就可以使喷水后的烟气温度与水露点十分接近，使得CFB烟气脱硫工艺可以适用于燃料含硫量从0.3％-6.5％的各种锅炉（包括燃煤锅炉和燃油锅炉），并在各种运行条件下均有很高的脱硫效率。CFB工艺的吸收剂是以石灰在现场进行干消化所得到的干的氢氧化钙细粉。由于消石灰粉颗粒很细,一般在10微米以下，因此不需要进行磨细，既节省了购买磨机等大型设备的投资费用，也减少了能源消耗，使运行费用大为降低。4同时因为CFB工艺是一种干法流程，所以不象湿法、半干法那样需要有许多庞大的存储罐和易磨损的浆液输送泵等组成的复杂的吸收剂制备、输送系统，只要一台干消化器用来制备消石灰粉，然后用空气斜槽进行输送就可以了，从而大大简化了工艺流程。在各种负荷条件下，CFB烟气脱硫系统都能很好地适应.当负荷从100%变化到10%，系统称仍能很好地工作，这使得CFB工艺既能由于调峰机组，又能用于带基本负荷的机组。CFB工艺所产生的脱硫副产品呈干粉状，非常便于处置。其化学组成与喷雾干燥工艺的副产品相类似，主要CaSO3、CaSO4以及未反应完的吸收剂(Ca(OH)2)等构成。脱硫副产品中是否含有大量的飞灰，则取决于在CFB烟气脱硫系统强是否安装了前级除尘器。CFB烟气脱硫系统的脱硫副产品的处置方法也与喷雾干燥的副产品基本相同。CFB工艺的副产品在加水后会硬化，硬化后的屈服强度可达15-18N/mm2，压实密度为1.28g/cm3，而其渗透率则与黏土类似，约为3X10-11。由此可见该副产品的强度与混凝土接近，很适合作矿井回填、道路基础。如能进一步加以开发，可能成为良好的建材工业的原料。典型的CFB烟气脱硫反应的脱硫灰的成分如下；飞灰约60%-70%CaCO37%-12%Ca(OH)22%-4%CaSO312%-18%CaSO42%-5%水1%3.CFB烟气脱硫装置实例3.1Siersdorf电厂3.1.1电厂概况5电厂从1962年开始投运。共有两台液态排渣炉(1号和2号炉)，燃用当地的烟煤，装机容量为170MW。设计数据煤分析水分12-16%灰分17-21%热量23000kJ/kg硫(可燃质)10-15%入口原烟气流量2(145,000-362,500)Nm3/h温度100-140C含尘量0.2-2g/m3最大含硫量2700mg/Nm3,(950ppm)CO213-14Vol%O25-6.5Vol%H2O6-11Vol%处理后排出的烟气温度65-75C含尘量125mg/m3SO2400mg/m3(140ppm)3.1.2烟气脱硫装置概况6设计数据制造厂Lurgi公司工艺循环流化床（CFB〕烟气脱硫安装位置共两套，装在锅炉后,无旁路烟气流量(每套装置)300,000Nm3/h，O25%，干烟气烟气温度125C(+15k,-35k)最低负荷40%NOX1300mg/Nm3，干烟气FGD前尘含量1000mg/Nm3，干烟气(第1套)200mg/Nm3，干烟气(第2套)FGD后尘含量50mg/Nm3，干烟气FGD前SO2含量1400-2700mg/Nm3，干烟气FGD后SO2含量200mg/Nm3，干烟气Cl含量50-125mg/Nm3，干烟气，O25Vol%F含量25mg/Nm3，干烟气，O25Vol%O2含量5-7Vol%CO2含量13-14Vol%HCl分离程度95%吸收剂德国标准DIN1060细石灰,但对其碱度及温升(quenching)特性有进一步要求使用年月开始安装日期1983年3月投运日期1988年5月试运日期1989年8月3日-1989年9月13日移交日期1989年12月12日系统布置7Siersdorf电厂的布置和CFB烟气脱硫系统的简图见图2。由于该厂有两台锅炉，每台锅炉各配一套FGD系统，对称排列，装在原有的空气预热器、除尘器及引风机后。FGD系统的主要设备包括：－CFB吸收塔入口烟道及挡板门；－CFB吸收塔；－三电场带百叶窗式机械预除尘器的电除尘器；－出口烟道及挡板门；－脱硫增压风机；－烟气再热器；－新烟囱；－控制CFB塔的出口烟气温度的回流喷嘴喷水系统；－石灰储仓；－干消化装置以及消石灰粉的输送和给料系统；－用于再循环及排灰的输灰设备、中间灰仓；－测量和控制FGD系统的仪表和自动控制系统；－FGD系统的电源及电气设备。工艺简介两台FGD系统分别安装在275t/h的本生锅炉之后。锅炉为燃煤流化床燃烧,燃煤的含硫量平均为0.8%。锅炉原来的电除尘器现作为FGD系统的预除尘器。烟气以45的张角进入流化床反应器，在经过文丘里喷嘴后产生湍流和扩散，使烟气和吸收剂得以充分的混合。反应器底部的水喷嘴喷入经雾化的水使烟气中的SO2与吸收反应有最佳的条件，同时使烟气温度降低到65C左右。反应产物离开CFB反应塔后在除尘器（机械预除尘器+三电场电除尘器）中分离出来。处理后的烟气由脱硫风机送到脱硝装置。除尘器分离出来的反应产物用气力流化斜槽送回反应器进行再循环。8石灰干消化系统以石灰为原料，进行干消化，自动生产干的消石灰粉。为了使成品中的含水量在3%左右，关键是要精确地控制消化时的给水量，保持消化器的温度在103C，这样可以使多余的水分及时蒸发。干的消石灰粉根据脱硫率要求计量后送到流化槽，加入工艺过程。为了保证CFB塔内的物料密度,根据流化床反应器进出口压差(P=6.5mbar),把多余的反应产物由除尘器后的再循环分配阀排出。主要运行经验处理后的烟气满足了规定的排放标准（SO2400mg/Nm3,尘50mg/Nm3）；输送设备的磨损很小，气锁阀及灰泵的易磨部件的寿命均在3-4年左右；运行初期电除尘器壁有腐蚀现象，但在改进保温后未再出现；由于流化床内的扰动引起烟道的的压力有波动，曾使脱硫风机转子叶片的控制机构损坏，此后，加了一条旁路烟道，以保护风机；雾化水喷嘴的原设计不合理，尤其在低负荷下运行时容易造成湿壁现象.湿的脱硫产物也可能产生上述的流化床内的扰动。经电厂技术人员自行改进喷嘴设计后问题已得到解决。3.2Solvay公司自备电厂3.2.1电厂概况Solvay公司是德国的一个以生产烧碱为主的化工联合企业。它共有七台锅炉提供生产所需的蒸汽和部分电力，其中七号炉为煤粉炉。该炉于1983年投运，蒸汽参数为220t/h，135bar,525C。锅炉后配有一个四电场的静电除尘器,用于收集烟气中的飞灰.该炉的年运行小时数高达8,700小时。图2.Siersdorf电厂和CFB烟气脱硫系统的布置简图91．锅炉2.空预器3.原有电除尘器4.原有电除尘器5.原有引风机6.吸收塔7．新增电除尘器8.脱硫增压风机9.烟气加热器10.石灰卸料装置11.石灰储仓12.中间灰仓13.大集灰库14.增湿水15.石灰16.烟气入口根据有关法规的要求，该炉必须增加烟气脱硫系统及改造除尘装置以达到新的环境法规的要求。对脱硫系统的要求是：脱硫率必须大于85%且烟囱出口的烟气中的SO2浓度应小于400mg/Nm3，烟气中的尘含量应小于20mg/Nm3。锅炉燃煤的含硫量变化范围为0.5%-1.9%，一般情况下为1.2%。在锅炉启动或磨煤机故障，以及负荷低于50%MCR时用含硫率为1%的重油助燃。锅炉蒸汽的出力在130-220t/h范围内变化，锅炉负荷的变化率最高