內(nèi)容摘要：分析燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)相關(guān)的若干問題，如脫硫效率，脫硫?qū)以谩焿m排放和脫硝等的影響。指出燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫存在有最佳鈣硫比，開發(fā)脫硫灰渣綜合利用新技術(shù)是推動(dòng)CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞  CFB鍋爐;  福建無煙煤;  爐內(nèi)脫硫

燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫若干相關(guān)問題探討

過偉麗   何宏舟 鄒崢  俞建洪 

集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 廈門     361021

引言

    CFB鍋爐被公認(rèn)是燃燒福建無煙煤的最佳爐型，近年來在我省的應(yīng)用發(fā)展很快，正往大型化方向快速發(fā)展，目前已投運(yùn)有60多臺，總蒸發(fā)量達(dá) 2500 t/h以上。CFB鍋爐技術(shù)在我省的能源工業(yè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中正扮演著越來越重要的角色。

    通過向爐內(nèi)添加石灰石， CFB鍋爐可方便地實(shí)現(xiàn)在燃燒過程中脫硫。這種脫硫工藝具有操作方便、投資及運(yùn)行費(fèi)用低，脫硫效果好等特點(diǎn)。據(jù)了解，我省新投產(chǎn)的CFB鍋爐一般均設(shè)計(jì)有爐內(nèi)脫硫技術(shù)并配備有電除塵設(shè)備。但因種種原因，目前爐內(nèi)脫硫技術(shù)在絕大多數(shù)已投運(yùn)的CFB鍋爐中尚未被應(yīng)用。隨著我省走可持續(xù)發(fā)展道路政策的貫徹落實(shí)，環(huán)保要求日益嚴(yán)格，燃煤脫硫勢在必行。所以，研究影響CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫的因素，探討消除脫硫帶來的負(fù)面影響，使CFB鍋爐的脫硫優(yōu)勢真正得到發(fā)揮，對于推廣爐內(nèi)脫硫技術(shù)、實(shí)現(xiàn)福建無煙煤的潔凈燃燒顯然具有積極意義。

1.    脫硫效率

    燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐一般采取了低循環(huán)倍率、低流化速度和高爐膛高度、高燃燒溫度等設(shè)計(jì)運(yùn)行手段，以保證鍋爐的燃燒效率。一般燃燒室的實(shí)際運(yùn)行溫度在950~1050℃之間，遠(yuǎn)高于公認(rèn)的最佳脫硫溫度850℃，這使得燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的爐內(nèi)脫硫效率不高。工業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[1] ，當(dāng)鈣硫比為2.5左右時(shí)，實(shí)際脫硫效率（定義為 ）尚不到40％。但由于福建無煙煤自身的含硫量較低  （＜0.5%），即使在沒有采用其它脫硫措施的情況下，由于燃燒中灰的自脫硫作用，其排放濃度也并不高（800~ 1500 mg/Nm3）。所以，采用爐內(nèi)添加石灰石的脫硫技術(shù)后，當(dāng)鈣硫比大于2.5時(shí)，可以將SO2排放濃度控制在國家規(guī)定的400mg/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn)以下。

    另外，研究發(fā)現(xiàn)[2] ，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的爐內(nèi)脫硫效率隨著鈣硫摩爾比的增加而增加，其爐內(nèi)脫硫效率與鈣硫摩爾比的關(guān)系曲線為下凹型（圖1），即當(dāng)鈣硫比較小時(shí)，脫硫效率隨鈣硫比的增加而緩慢增長；只有當(dāng)鈣硫比增加到一定值后，脫硫效率才會隨鈣硫比的增加而明顯提高。這一點(diǎn)有異于大多數(shù)燃燒煙煤和褐煤的CFB鍋爐（其爐內(nèi)脫硫效率與鈣硫摩爾比的關(guān)系曲線為上凸型（圖2），即在較小的鈣硫比條件下，脫硫效率隨鈣硫比的增加而迅速增加；當(dāng)鈣硫比增大到一定值時(shí)，繼續(xù)增加鈣硫比對提高脫硫效率的貢獻(xiàn)不大[3] 。由于脫硫效率不可能隨鈣硫比的增加而無限增大，因此下凹型曲線必存在有拐點(diǎn)即存在有最佳鈣硫摩爾比，使得當(dāng)鈣硫比小于此值時(shí)，脫硫效率隨鈣硫比的增加而快速提高，而鈣硫比大于此值時(shí)，脫硫效率隨鈣硫比的增加而緩慢提高。這一點(diǎn)在燃燒西荼無煙煤的江西分宜電廠也得到了證實(shí)。由于“福建無煙煤”是一個(gè)廣義概念，不同福建無煙煤之間的燃燒性質(zhì)也有較大差別，在實(shí)際應(yīng)用中，最佳鈣硫比還應(yīng)根據(jù)具體煤種通過工業(yè)試驗(yàn)求取。

2.    灰渣利用

    脫硫會影響CFB鍋爐的灰渣利用。一方面，脫硫會增加灰渣的數(shù)量。由于每燃燒1 噸煤通常要加入1/3~1/2噸的石灰石進(jìn)行脫硫，因此與同容量的普通煤粉爐相比，流化床鍋爐在脫硫情況下所產(chǎn)生的灰渣要多出30％~40％左右。同時(shí)，脫硫還會改變灰渣的性質(zhì)。CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫后產(chǎn)生的灰渣與不脫硫的灰渣相比，所含的物質(zhì)成分與特性均有較大差異。由于目前各類脫硫技術(shù)大多使用鈣基脫硫劑，如采用石灰石或直接用生石灰，通過其煅燒產(chǎn)物CaO與SO2的反應(yīng)生成硫酸鈣或亞硫酸鈣使煤中的硫得以固化而隨灰渣排出，因此脫硫灰渣中的硫酸鈣或亞硫酸鈣含量比沒有脫硫時(shí)要高得多；另外，為達(dá)到滿意的脫硫效率， CFB鍋爐設(shè)計(jì)的鈣硫比一般都大于2，因此脫硫后灰渣中都含有一定比例沒有反應(yīng)的游離CaO。表1為廈門海滄新陽熱電廠（燃燒福建龍巖無煙煤）爐內(nèi)脫硫前后灰渣的成份變化情況。由表 1 可見，脫硫灰和渣的鈣（CaO）含量遠(yuǎn)高于沒有經(jīng)過脫硫的灰渣。

    迄今為止，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐所產(chǎn)生的灰渣由于含碳量較高，僅用于燒磚或作道路回填材料，影響了灰渣的綜合利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在采用一些降低飛灰碳的技術(shù)措施后，可考慮作為建材資源如水泥混合材或混凝土摻合料。但脫硫灰渣的成份變化會帶來其作為水泥混合材時(shí)的強(qiáng)度和膨脹特性方面的變化。一方面，由于CaO的水化以及由CaSO4參與的水化反應(yīng)會生成強(qiáng)度較高的Ca(OH)2和一些水泥水化礦物如鈣礬石等，添加含有一定數(shù)量CaO和CaSO4的流化床脫硫灰渣的水泥（混凝土）具有較強(qiáng)的水硬性能，強(qiáng)度大為提高。但與此同時(shí)，由于脫硫反應(yīng)造成了灰渣中CaO顆粒大多被致密的CaSO4外殼包裹著，CaO的水化所需時(shí)間很長，加上CaO水化成Ca(OH)2后體積會大為增加，灰渣會不斷膨脹，卻也會導(dǎo)致水泥性能不穩(wěn)定甚至強(qiáng)度被破壞，大大限制了脫硫灰渣在工程上的應(yīng)用。另外，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水泥中SO3的含量不能超過3.5％，而脫硫灰渣中SO3含量較高（大于10％），因此，不經(jīng)處理的脫硫灰渣也很難作為水泥的混合材使用。目前，開發(fā)適合于脫硫灰渣綜合利用的新技術(shù)已成為推動(dòng)CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.    煙塵排放

    我省已投運(yùn)和建設(shè)中的CFB鍋爐大多數(shù)配置有靜電除塵器除塵。由于脫硫改變了煙塵性質(zhì)，增加了煙塵中飛灰顆粒的比電阻，因此會影響靜電除塵器的除塵效果，增加粉塵排放。

    靜電除塵器的除塵效率主要取決于煙塵的導(dǎo)電性能，在CFB鍋爐120—150℃的排煙溫度范圍內(nèi)，煙塵導(dǎo)電性能由其粉塵的表面比電阻決定。而粉塵表面比電阻受粉塵自身化學(xué)成分和煙氣性質(zhì)等雙重因素的影響：在爐內(nèi)脫硫的情況下，一方面，飛灰中CaO、CaSO3和 CaSO4的存在將對比電阻產(chǎn)生影響，飛灰比電阻將隨煙塵中CaO含量的增加而迅速上升；另一方面，加入石灰石脫硫后使得煙氣中SO2的濃度大為降低，也會導(dǎo)致顆粒比電阻增加。據(jù)測試[4] ，當(dāng)燃煤含硫量為1.04%、鈣硫比為2.0時(shí)，脫硫前后，煙塵中灰顆粒的比電阻將從4.0×1010增加到1.9×1012 。

    一般CFB鍋爐靜電除塵器設(shè)計(jì)的最大比電阻為1.5×1013左右，當(dāng)比電阻大于1012 時(shí)，靜電除塵器的效率將會下降，導(dǎo)致增加粉塵排放。有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[5] ，對于燃燒高硫煤的CFB鍋爐， 當(dāng)鈣硫比為3.2時(shí)，添加石灰石脫硫后使得煙塵排放量增加了約10％。因此，對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐，當(dāng)采用爐內(nèi)脫硫技術(shù)時(shí)，在選用靜電除塵器時(shí)，應(yīng)考慮比電阻變化對其除塵效果的影響。根據(jù)我們對石獅熱電廠燃燒福建龍巖無煙煤時(shí)脫硫前后除塵效率的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不脫硫時(shí)，靜電除塵器出口粉塵濃度56.4mg/Nm3，除塵效率為99.75％；當(dāng)在同樣的燃燒工況下進(jìn)行爐內(nèi)脫硫時(shí)，在 Ca/S=2.5條件下，測得除塵器出口粉塵濃度為80mg/Nm3，除塵效率為99.73％。可見，脫硫前后的除塵效率基本不變，但粉塵濃度大為增加。表2  (表中：1為添加石灰石前的情況，2為添加石灰石后情況)是我們在浙江大學(xué)1MWCFB中試爐上進(jìn)行燃燒兗州煙煤爐內(nèi)脫硫的試驗(yàn)結(jié)果。由表2可見，添加石灰石前后，靜電除塵效率均隨飛灰粒徑的減小而減小，特別是對于粒徑在2.5以下的顆粒，減小特別顯著；另外，雖然各級除塵效率及總的除塵效率變化很小，但添加石灰石后降低了對于細(xì)顆粒的脫除效率，增加了粉塵排放。 

4.    脫硝

    脫硫?qū)γ撓醯挠绊戄^復(fù)雜。一方面，石灰石分解后生成的氧化鈣對揮發(fā)份中的NH3氧化生成NO和N2O有催化促進(jìn)作用，加入石灰石脫硫?qū)ρh(huán)流化床燃燒過程中NOx的生成和排放有一定的負(fù)面影響。另一方面，添加石灰石脫硫同時(shí)卻也會減少N2O的生成。隨著鈣硫摩爾比增加，雖然NOX的排放濃度增加，但N2O排放濃度卻降低。

    福建無煙煤的揮發(fā)份和自身含氮量極低，添加石灰石脫硫?qū)﹀仩t煙氣中的NOx 排放濃度影響并不明顯。工業(yè)試驗(yàn)證實(shí)[6] ，在鈣硫比較小的工況下，爐內(nèi)添加石灰石脫硫會使煙氣中NOx排放量有少許增加，見圖3。

           圖 3  添加石灰石脫硫?qū)?span>NOx排放的影響(Ca/S=2.17)

    目前，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的NOx的排放很低，一般在100ppm左右。在有爐內(nèi)脫硫情況下，即使考慮添加石灰石會增加NOx的生成，通過采取其它的一些低氮燃燒措施，NOx 的排放濃度可以控制在國家的排放標(biāo)準(zhǔn)以下。 

5.    結(jié) 語

    本文對影響燃燒福建無煙煤CFB鍋爐開展?fàn)t內(nèi)脫硫的主要因素包括脫硫效率、脫硫灰渣利用、粉塵排放、脫硝等進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論： 

（1）由于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的運(yùn)行溫度較高，其爐內(nèi)脫硫效率較低，達(dá)到一定脫硫效率所需的鈣硫摩爾比較高；從脫硫效率隨鈣硫比的變化規(guī)律判斷，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫存在有最佳鈣硫比值。

（2）爐內(nèi)脫硫會增加CFB鍋爐的灰渣數(shù)量，改變灰渣成份和性質(zhì)，影響灰渣的綜合利用價(jià)值；開發(fā)脫硫灰渣綜合利用新技術(shù)是推動(dòng)CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。另外，脫硫會改變煙塵的化學(xué)成份和煙氣性質(zhì)，增加煙塵中灰顆粒的比電阻，降低靜電除塵器的除塵效率，增加粉塵排放；對于采用爐內(nèi)脫硫技術(shù)的CFB鍋爐，應(yīng)考慮比電阻變化對其除塵效果的影響。

（3）對于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐而言，脫硫?qū)γ撓醯挠绊懖幻黠@。在鈣硫比較小情況下，脫硫會使煙氣中NOx排放量有所增加，但NOx 的排放濃度仍可控制在國家的排放標(biāo)準(zhǔn)以下。

參考文獻(xiàn)

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文章作者：過偉麗 何宏舟 鄒崢 俞建洪 集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 廈門 361021