2003年第4期 福建能源开发与节约 研究与探讨
CFB锅炉炉内脱硫技术分析
薛 宁
(福建福人木业有限公司,福建 福州,350009)
摘 要 从CFB锅炉运行特点、脱硫机理及影响脱硫的因素等方面,较详细地介绍了在近年来得到很大发展的CFB锅炉的脱硫技术。并结合工程实例,针对CFB锅炉炉内脱硫技术及电站煤粉锅炉其他脱硫技术进行比较,体现其技术及经济优势。
关键词 CFB锅炉 脱硫技术 技术经济性 比较 中图分类号:TK229166 文献标识码:A 文章编码:1007-3132(2003)04-0015-04 我国是以燃煤为主的国家,目前我国每年排放的SO2超过2090万t,成为世界SO2排放的第一大国。SO2的大量排放使城市环境空气质量不断下降,并引发大面积的酸雨。酸雨和SO2污染破坏生态系统,腐蚀建筑材料及各种设施,危害人体健康,造成了巨大的经济损失,全国每年因酸雨造成的损失在1100亿元,相当于每吨SO2造成的损失近5000
流化床锅炉的诸多独特优点:
1)燃烧效率高
由于小颗粒燃料在系统里反复循环,它在里面停留的时间非常长,它的停留时间远大于它本身颗粒燃烧的时间,这样放出的炉渣和循环灰含碳的成分极低。燃烧效率高,一来可增加热效率,二来可节约能源。CFB锅炉煤的燃烧效率可达97%～99%,
元,已经成为制约社会经济发展的重要因素之一。燃用Ⅱ类无烟煤锅炉的热效率达87166%,且运行热为了控制酸雨和SO2污染,于1998年2月批效率和测试热效率基本相同,比国家标准76%高复了国家环保总局关于酸雨控制区和二氧化硫污染控制区的划分方案。同时,加大了环保执法力度,相继出台了一些和法规,主要是用经济手段促使企业采取措施对SO2的排放进行治理,同时增加了环境污染治理的资金投入。
本课题针对人们日益关注的环保问题,着重研究现行的我国循环流化床锅炉的炉内脱硫技术,并结合工程实例,把它和其他脱硫技术作比较,分析其存在的优势。
1 CFB锅炉简介111 CFB锅炉的结构特点
11166%,比我国当前工业锅炉50%～60%的平均热
效率高出更多。
2)燃料适应性广
由于流化床内温度一般为850～900℃(燃用无
),床内物料蓄烟煤时温度偏高,可达950～1000℃
热量大,少量新加入的燃料能迅速着火。因此这种炉型能适应煤矸石、烟煤、无烟煤、泥煤、石油焦、纸渣、木屑、垃圾等几乎所有的固体燃料。
3)脱硫效率高
CFB锅炉的脱硫原理是在燃烧中加入适当比例
和颗粒度的石灰石与燃料一起进行循环燃烧,加入的石灰石在炉内循环时间长,只有很少量极细的石灰石颗粒不能被分离下来。CFB锅炉的燃烧温度是
900℃左右,这一温度既能抑制二氧化硫的生成,又
CFB锅炉由流化床燃烧室及一个旋风分离器和
返料器组成循环燃烧系统。煤斗中的燃料经螺旋给煤机或气力输送进入炉膛燃烧,产生的热烟气携带未被燃尽的细颗粒煤炭进入旋风分离器,被分离器分离的细煤粒由返料器送回炉膛循环燃烧。热烟气由旋风筒出口进入对流管束及省煤器,由除尘器除尘后排入大气。物料在锅炉中反复循环再燃烧,为燃尽和脱硫提供了良好的条件。
112 CFB锅炉的运行特点
使石灰石能充分分解。实践证明,在钙硫摩尔比为
210～215时,脱硫效率可达到90%。
4)负荷调节特性好
CFB锅炉床层中存有大量的850～900℃的物料,
蓄热量大。新加入的燃料在床内处于强烈紊流燃烧状态,不存在低负荷稳定着火燃烧问题,负荷变化适应性强。对无烟煤在30%锅炉额定负荷,烟煤在
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大量炽热的物料通过循环系统不断循环产生了
研究与探讨 福建能源开发与节约 2003年第4期
28%锅炉额定负荷工况下,可以长时间稳定运行而
不投辅助燃料。
5)环境污染小
由于CFB锅炉属低温燃烧,氮氧化物排放浓度非常低,一般为250ppm左右,这是链条炉和煤粉炉所不易实现的。此外,炉内添加石灰石可实现有效脱硫,一般脱硫效率可达70%～90%。
2 CFB锅炉添加石灰石脱硫机理
不同煤种的含硫量差异很大,煤中的硫通常以三种形式存在,即黄铁矿硫、有机硫和硫酸盐硫。CFB锅炉可采用炉内添加石灰石的方法来脱除SO2。
石灰石加入炉内后,首先发生煅烧反应:CaCO3ϖCaO+CO2-183kJ/molCaCO3
这是一个吸热反应,其热分解温度在850℃附近,由于反应过程中分子尺寸变小,石灰石颗粒变成CaO颗粒,成为具有多孔的结构,与床内煤中硫分燃烧生成的SO2气体发生反应:
CaO+SO2ϖCaSO3CaSO3+1/2O2ϖCaSO4
总的反应方程式可以归结为:
CaO+1/2O2+SO2ϖCaSO4+15141kJ/kgS
理论上讲,1摩尔CaO可以捕捉1摩尔SO2。但是1摩尔的CaSO3反应将生成1摩尔的CaSO4。由于
1摩尔的CaSO3的体积为3619cm3
,而1摩尔的CaSO4
的体积为5212cm3。因此,CaSO3反应生成CaSO4后体积会发生膨胀。在吸收剂内部有机会与SO2完全反应之前,吸收剂的孔隙及孔隙入口已经由于产物增大而被堵塞,在吸收剂表面形成一层CaSO4壳,阻止SO2继续与CaO反应,吸收剂只一部分得到了利用。因此,为保证脱硫效率,需要增加石灰石的添加量。实际使用的石灰石中的Ca摩尔数与煤中存在的S的摩尔数之比,称为钙硫摩尔比(Ca/S)。
在CFB锅炉中加入石灰石后,由于旋风分离器的分离作用,石灰石在炉内反复循环利用,因此石灰石的粒度可以很细,从而有效地增加吸收剂的表面积。同时生成的CaSO4壳也因为在床内不断磨损而可能被剥离,使未反应的氧化钙继续与二氧化硫反应。因此在CFB锅炉中,加入石灰石作为脱硫剂时,石灰石的利用率得以大大提高。
3 CFB锅炉添加石灰石脱硫的影响因素311 钙硫比的影响
当Ca/S比增加时,脱硫效率增加。对不同的炉型来说,要达到一定的脱硫效率,Ca/S比是不同16
的。例如,要达到90%的脱硫效率,常压鼓泡床锅炉的Ca/S比为310～315,常压循环流化床锅炉为
210～215,增压流化床锅炉为115～210。显然,较
高的Ca/S比意味着石灰石耗量的增加,即运行费用增加。所以,石灰石系统设计要求是在保证一定脱硫效率的前提下,尽量降低Ca/S比。
312 床温的影响
床温对脱硫效率具有重大影响,因为主要的脱硫反应:
CaO+SO2+1/202ϖCaSO4
脱硫反应的最佳温度为825～850℃,超过这一温度时,则发生逆反应:
CaSO4ϖCaO+SO2+1/202
逆反应使脱硫效率下降。所以,如果仅从脱硫考虑,循环流化床内的燃烧温度应控制在825～
850℃。但是,床温的选择需综合考虑多方面的因
素,除脱硫效率外,还有燃烧效率、NOx排放、CO排放等诸多因素。从燃烧上说,床温越高,燃尽率越高,为控制NOx的排放,最好选择较低的床温;为控制C0的排放,最好选择较高的床温。综合以上各方面的因素,一般在燃用高挥发分煤时,选择
850℃左右的床温,在燃用低挥发分煤时,选择950℃左右的床温。
313 气相停留时间及炉膛高度的影响
SO2在炉内的停留时间越长,与吸收剂的接触
时间越长,越有利于SO2的脱除,但硫酸盐化的反应速度又取决于SO2的浓度。因此增加CFB炉膛高度以延长SO2的停留时间对脱硫效果的促进作用是按指数衰减的。在设计中气相停留时间大约控制在
4～6s。
314 料层厚度和流化速度的影响
虽然增加料层厚度,可以延长床料的停留时间,提高脱硫效率,但是料层厚度增加1倍,其脱硫率只增加15%。原因是气泡在床层内合并长大,使烟气与脱硫剂的接触时间减少。可见,增加料层厚度虽可提高脱硫率,但效果不大。流化速度也影响脱硫效率,降低流化速度可以延长脱硫剂在床内的停留时间,提高脱硫效率。但是,对CFB锅炉来说,因物料多次循环,流化速度的影响不很重要,重要的是气固分离器捕捉细颗粒的能力。
315 石灰石颗粒直径的影响
石灰石的颗粒直径对床内脱硫反应工况具有重要的影响。如果粒子太细,它从床内飞出后不能被
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气固分离器捕捉送回,不能被充分利用;粒子太粗,CaO与SO2反应后在颗粒表面形成CaSO4,由于Ca2SO4的分子量比CaO大得多,所以颗粒外表面致密
的CaSO4层阻止了SO2与颗粒中心区域CaO的进一步反应。因此,在CFB锅炉脱硫过程中,对石灰石的颗粒尺寸具有严格的要求。
一般地说,进入炉膛的石灰石颗粒直径应小于lmm。从粒径分布上讲,大多数颗粒的直径应集中于d50附近区域。床内最佳粒径并不是一个固定值,
它与床内的流化速度、料层压差、循环倍率、分离器特性等工况参数密切相关。从国外资料看,法国
通用电气阿尔斯通工业公司(GASI)认为d50应是120～150μm;美国福斯特惠勒(FosterWheeeler)公司认为是300μm;美国ABB-CE公司认为是500m。
4 炉内脱硫对锅炉热效率的影响
411 炉内脱硫化学反应对锅炉热效率的影响
脱硫剂石灰石在炉膛内分解是一个吸热过程,其反应式为:
CaCO3ϖCaO+CO2-183kJ/molCaCO3
即分解1mol(011kg)的石灰石需要从炉膛吸收
183kJ。
此外,石灰石在炉膛内从常温被加热到分解温度还需要吸收一部分的物理热,但是石灰石的比热容随着温度的升高降低得很快。因此这部分物理热引起的热效率降低很微小。
同时,CaO与SO2反应的硫酸盐化过程是一个放热反应,其反应方程式如下:
CaO+1/202+SO2ϖCaSO4+15141kJ/kgS
即将1kg的硫固定为硫酸钙会向炉膛放出15141kJ的热量。
综合两个反应,在考虑存在一定的钙硫比情况下,炉膛内添加石灰石脱硫对锅炉效率不仅没有影响,甚至会略有提高。
上海锅炉厂有限公司对20多种燃料进行了计算和定量分析,得出以下结论:
石灰石煅烧吸热和硫酸盐化反应的放热是影响循环流化床锅炉效率的最主要因素。综合两个热反应,锅炉效率是升高的。燃料含硫量越高,锅炉效率升高越多。对于含硫量4%以上的高硫燃料,锅炉效率升高可达1个百分点以上。
当然,以上结论是在钙硫摩尔比为1的条件下得出的。在实际工程中,这个比值要大于1,因此,
放热和吸热的计算要综合考虑多方面因素。
412 对灰渣物理热损失的影响
加入石灰石后灰渣物理热损失q6的变化包括飞灰和大渣两部分。严格地说,飞灰部分因加入石灰
石引起的热损失应计算在排烟热损失中(即排烟焓发生变化)。为了计算方便,我们将其统一归于灰渣物理热损失中,并将加入石灰石后增加的灰渣物理热损失称为附加灰渣物理热损失q6’。
q6’=100×[a6(ct)1+(1-a6)(ct)2]Bs’/(Bj×Qar,net,p)%
其中:a6为石灰石飞逸份额;
(ct)1为排烟温度下的飞灰焓,kJ/kg;(ct)2为排渣温度下的灰渣焓,kJ/kg;
BS’为石灰石脱硫反应后的重量,kg。
床内脱硫反应后,石灰石组份变化引起了重量变化。向炉内加入的石灰石主要成分是CaCO3(100g/mol),经分解反应和硫酸盐化反应后主要成分变为CaO(56g/mol和CaSO4(136g/mol)。另外,石灰石中CaCO3以外的物质在炉内也可能存在复杂的化学反应过程,但因各种成分反应后重量有增有减,总体变化不大,含量又相对很少,所以在重量计算中可以认为它们是惰性的。反应后石灰石的重量BS’为:
Bs’=(1-ηCaCO3)Bs+ηCaCO3Bs{(56/100)[(Ca/S)-ηm]+(136/100)η
m}/(Ca/S)加入石灰石引起的附加灰渣物理热损失也是影响CFB锅炉效率的一个因素。燃料含硫量越高,附加灰渣物理热损失越大。对于含硫量4%以上的高硫燃料,附加灰渣物理热损失造成的锅炉效率降低可接近018个百分点。
413 对排烟热损失的影响
添加石灰石脱硫对排烟热损失的影响可分为两个方面,一是脱硫反应使烟气量增加,造成排烟热损失的增加;二是脱硫后烟气露点温度下降,可使设计排烟温度降低,从而减小排烟热损失。
加入石灰石引起的烟气量增加造成排烟热损失增加对CFB锅炉效率的影响相对较小。其影响程度也与燃料含硫量密切相关。燃料含硫量越高,影响程度越大。对于含硫量4%以上的高硫燃料,烟气量增加造成的锅炉效率降低约为011～0115个百分点。
5 脱硫技术比较
以下对CFB锅炉及电站煤粉锅炉其他脱硫经济技术性指标作具体比较,如表1所示:
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表1 各类脱硫方法技术经济比较
电 厂
锅炉容量×台数烟气处理量燃料含硫量脱硫效率钙硫比占地面积建设周期设备总投资占电厂总投资比例单位运行成本单位电价增加值总运行成本
m2at/hNm3/h%%
A1250×21170000115
B1025×211000000175
C670×1300000115
D420×15440000192
E670×1300000018-31580-90
F410×1
全部
313490212
≥95
111-112123003266001111528260102388319
≥90
/70002215001815167612010085698612
≥70
114
≥75
2159450
/225511594301313100001013
210860
11235210
万元
%
3116
元/t元/(kWh)万元/a
3578010321850
1844
178515958
・A-重庆珞璜电厂(石灰石-石膏法烟气脱硫) B-深圳西部电厂(海水烟气脱硫) C-山东黄岛电厂(旋转喷雾干燥法烟气脱硫) D-南京下关电厂(LIFAC法烟气脱硫) E-成都热电厂(电子束烟气脱硫) F-四川内江发电厂(CFB锅炉添加石灰石脱硫) ・部分数据由于资料有限,暂时空缺
由表1可见,各种脱硫方法中,除了石灰石-石膏法烟气脱硫以及海水法烟气脱硫,CFB锅炉添加石灰石脱硫法脱硫效率是比较高的,可达90%,且其工艺要比前两种方法简单。CFB锅炉添加石灰石脱硫的钙硫比(Ca/S)较高,这是因为如上所述的吸收剂只一部分得到了利用,这就影响到运行成本,一般在达到一定的脱硫效率情况下,钙硫比越低经济性就越好。与其他各类脱硫方法相比,CFB锅炉添加石灰石脱硫法的设备投资最低,这对中、小容量锅炉脱硫(200MW以下)或已建项目的扩改,很有吸引力。因
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此,对于燃用高硫煤,且是中、小容量(200MW以下)的锅炉,建议采用CFB锅炉。
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艺简便、脱硫效率高,特别是在高硫煤燃烧领域脱硫,有着较显著的优势,是今后适宜大力推广的一项脱硫技术。
3)2003年4月,我国和法国阿尔斯通公司签
的建议1湖北电力[J],1999(2)
10 V1Nagibin1Radiation-ChemicalofGasPurifi2
cationfromSO21Radiat[J],Phys1Chern11992,50(4):307～329
约,将其全球领先的CFB锅炉技术引进到我国三大锅炉厂以及主要设计院,因此今后大型CFB锅炉在我国的应用前景也十分看好。18
作者简介:薛宁,男,2003年毕业于集美大学机械工程学院,现在福建福人木业有限公司工作
