內(nèi)容摘要：本文結(jié)合我省實(shí)際，強(qiáng)調(diào)燃燒Ⅱ類無(wú)煙煤的循環(huán)流化床鍋爐開展?fàn)t內(nèi)脫硫的重要意義；闡述了以石灰石為脫硫劑的脫硫機(jī)理；通過(guò)計(jì)算論證了這種脫硫工藝對(duì)鍋爐熱效率的影響；并就脫硫劑的選用及其加入爐膛的位置提出看法。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐  脫硫  石灰石

1  前言

循環(huán)流化床鍋爐是八十年代初由德國(guó)、芬蘭等西歐國(guó)家首先開發(fā)研制成功的，其初衷是為了有效地控制燃煤而引起的有害氣體NOX、SO2的排放量。他們通過(guò)爐內(nèi)添加石灰石等脫硫劑，并采用分段燃燒等技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。現(xiàn)在這一爐型已被世界各國(guó)公認(rèn)為潔凈燃燒設(shè)備。循環(huán)流化床鍋爐在我國(guó)研制的出發(fā)點(diǎn)卻不是基于環(huán)境保護(hù)，而是因?yàn)樵摖t型具有對(duì)煤種的廣泛適應(yīng)性，可燃燒各種劣質(zhì)煤，包括我省揮發(fā)分小于5％很難著火的Ⅱ類無(wú)煙煤，其燃燼率也很高。我省目前正在運(yùn)行及在建的30多臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐均還沒(méi)有實(shí)施或考慮爐內(nèi)脫硫方案，這與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外強(qiáng)調(diào)的能源與環(huán)境要協(xié)調(diào)發(fā)展不一致。其原因主要是對(duì)循環(huán)流化床鍋爐本身的運(yùn)行特性及操作還未掌握自如，人們還顧不上考慮爐內(nèi)脫硫工藝，此外也有的工廠認(rèn)為我省無(wú)煙煤的含硫量較低，盡管環(huán)保部門執(zhí)行了嚴(yán)格的SO2排放收費(fèi)制度，但這對(duì)于一臺(tái)75t／h的循環(huán)流化床鍋爐年均花費(fèi)不到五萬(wàn)元，若實(shí)施爐內(nèi)脫硫工藝，擔(dān)心費(fèi)用可能更高，并且影響爐子的可靠運(yùn)行，因此多數(shù)廠家至今仍按兵不動(dòng)。但是，必須指出，自從國(guó)家環(huán)保局對(duì)SO2排放實(shí)施總量控制后，規(guī)定我省到2000年SO2年排放總量必須低于30萬(wàn)噸，而1998年的SO2排放總量就已達(dá)26萬(wàn)噸，目前還有若干大型電廠及燃煤或燃重油的工業(yè)鍋爐在建，SO2排放勢(shì)頭將繼續(xù)強(qiáng)勁上升，因此人們應(yīng)當(dāng)利用循環(huán)流化床鍋爐原本就具有廉價(jià)高效的脫硫優(yōu)勢(shì)，把爐內(nèi)脫硫問(wèn)題提到議事日程上來(lái)，為降低我省SO2排放總量做出貢獻(xiàn)。

下面以一臺(tái)滿負(fù)荷運(yùn)行的75t／h循環(huán)流化床鍋爐，計(jì)算其燃用本省Ⅱ類無(wú)煙煤時(shí)一年將要排放的SO2的重量。

一臺(tái)75t／h(3．9Mpa，450℃)的循環(huán)流化床鍋爐每小時(shí)的耗煤量約12噸／時(shí)(取鍋爐熱效率為90％，燃料發(fā)熱量為22410KJ／kg)，則煤中含硫量約為(應(yīng)用基硫取0．75％)：

G=12 ×103×0．75％=90千克／時(shí)

通常煤中的硫在爐內(nèi)絕大部分被氧化為SO2，只有極少量(約0．5～2％)被氧化為SO3，本計(jì)算不考慮后者，故其化學(xué)反應(yīng)式如下：

S+O2→SO2

由上式計(jì)算每小時(shí)可產(chǎn)生180千克的SO2，按一天24小時(shí)，一年300天計(jì)算，則一臺(tái)75t／h的循環(huán)流化床鍋爐SO2年排放量Ga為：

Ga=0．18 ×24×300=1296噸／年

我省20t／h～75t／h的循環(huán)流化床鍋爐約30多臺(tái)(未考慮今后的增加量)，若燃用本省Ⅱ類無(wú)煙煤(含硫量均在0．3％—0．9％)，按上述方法可大略估算這批爐子的SO2年排放總量大約在2．5萬(wàn)噸左右，這是一個(gè)很可觀的數(shù)字，若能對(duì)這批爐子實(shí)施爐內(nèi)脫硫工藝，必將對(duì)我省SO2排放總量的控制作出貢獻(xiàn)。

2  循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫機(jī)理：

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫通常采用添加廉價(jià)的經(jīng)破碎的天然石灰石的辦法。天然石灰石是一種致密的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，主要成份是CaCO3，其顆粒中孔隙容積為0．006～0．025mm3／Kg，比表面積為l—3×103m2／Kg，這兩個(gè)指標(biāo)都很小，但是石灰石經(jīng)過(guò)煅燒，顆粒中CO2析出，CaCO3顆粒就變成多孔的CaO顆粒，孔隙容積比原來(lái)約擴(kuò)大15—30倍，比表面積也比原來(lái)提高約10倍。CaO顆粒中由于大量氣孔的存在，以及表面積的大大增加，一方面有利于貯集反應(yīng)產(chǎn)物，另一方面可以使反應(yīng)氣體穿透至顆粒內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，因此大大加速了CaO與SO2反應(yīng)生成CaSO4的機(jī)會(huì)，于是原煤中的硫分就被固化為硫酸鈣進(jìn)入灰渣中，最后排出床層。因此，循環(huán)流化鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫主要經(jīng)歷石灰石煅燒分解和CaO的硫酸鹽化兩個(gè)過(guò)程，其反應(yīng)方程式可寫為：

CaCO3→CaO+CO2↑—183KJ／MolCaCO3

SO2十CaO+1/2O2+CaSO4

從上述反應(yīng)式可知，石灰石的分解是一個(gè)吸熱反應(yīng)，其分解溫度約為850—900℃，這正是國(guó)內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行的溫度，而且硫酸鹽化過(guò)程是在富氧條件下進(jìn)行，正在運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐爐膛就具備了這種條件。由此可見(jiàn)，循環(huán)流化床鍋爐為爐內(nèi)添加石灰石脫硫提供了極有利的外部條件。

從上述反應(yīng)式還可以看出，如果CaO與SO2能完全反應(yīng)的話，那么鈣硫摩爾比(Ca／S)為1就可以完全把SO2吸收并就變成固體產(chǎn)物CaSO4固定下來(lái)。然而實(shí)際卻非如此，有一部分的石灰石粉末或由其分解成的CaO粉末與SO2起作用就被煙氣帶出爐膛；還有一部分已分解的CaO顆粒在與SO2起反應(yīng)后，所生成的產(chǎn)物CaSO4堵塞住CaO顆粒上存在的細(xì)孔，阻礙了SO2進(jìn)入到CaO顆粒內(nèi)部反應(yīng)，使這些CaO顆粒還沒(méi)有100％地與SO2起作用就被排出爐膛，故Ca／S必大于l。一般Ca／S的值為2—2．5時(shí)，才能有85％—90％的脫硫率．

3  關(guān)于實(shí)施爐內(nèi)脫硫的幾個(gè)問(wèn)題：

3．1  脫硫劑的選用：

一般的循環(huán)流化床鍋爐均選用廉價(jià)的石灰石(CaCO3)，也有選用白云石(Ca CO3·Mg CO3)作為脫硫劑，但是白云石中分解的MgO與SO2反應(yīng)速度很低，一般情況下可認(rèn)為是惰性的，仍然是靠其中的CaO與SO2起反應(yīng)，故在同樣重量下，采用石灰石比白云石取得的脫硫效果更好。如果在某個(gè)地區(qū)剛好有廉價(jià)的石灰(CaO)下腳料，也可直接選用。

采用天然石灰石作脫硫劑還必須進(jìn)行破碎，最終使石灰石的顆粒小于2mm，其中，較粗的顆粒(0．5—2mm)與原煤同時(shí)經(jīng)絞龍輸入，而＜0．5mm的石灰石則用氣力輸送方式在密相區(qū)底部靠布風(fēng)板處輸入，以盡量延長(zhǎng)細(xì)顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間。

3．2  爐內(nèi)脫硫?qū)﹀仩t熱效率的影響：

脫硫劑石灰石在爐膛內(nèi)分解是一個(gè)吸熱過(guò)程，其反應(yīng)式為：

Ca CO3→CaO十CO2—183KJ／MolCaCO3

即分解1Mol(0.1Kg)的石灰石需要從爐膛吸熱183KJ。

福建無(wú)煙煤含硫量較低，較具代表性的含硫量為0．75％，發(fā)熱量Q=22410KJ／Kg，當(dāng)Ca／S=2時(shí)可以計(jì)算出爐內(nèi)脫硫?qū)﹀仩t熱效率的影響。

由Ca／S=2計(jì)算1Kg煤需要添加的石灰石的質(zhì)量。由于1Kg煤中含有0．75%的硫，即含有7．5／32摩爾的硫，則鈣的摩爾數(shù)為2 ×7．5／32摩爾。因此，可以計(jì)算出對(duì)1Kg煤因爐內(nèi)脫硫所損失的熱量：

CaCO3→CaO+CO2—183KJ／MolCaCO3

1Mol             183KJ

7．5／16M01    183 ×7．5／16=85．78KJ

則因石灰在爐內(nèi)分解吸熱所引起的鍋爐熱效率的降低值為：

△η= —85．78／22410= —0．38％

此外，石灰石在爐膛內(nèi)從常溫被加熱到分解溫度(850—900℃)還需要吸收一部分的物理熱，但是石灰石的比熱容隨著溫度的升高降低得很快，因此這部分物理熱引起的熱效率的降低很微小。同時(shí)，CaO與SO2反應(yīng)的硫酸鹽化過(guò)程是一個(gè)放熱反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如下：

SO2+CaO+1／2O2→CaSO4=15141KJ／KgS

即將1Kg的硫固定為硫酸鈣會(huì)向爐膛放出15141KJ的熱量。

若取脫硫效率為90％，由反應(yīng)方程式可以計(jì)算出1Kg煤(其中含有7．5g的硫)因爐內(nèi)脫硫時(shí)硫酸鹽化所發(fā)出的熱量為7．5×90％×15．141=102．2KJ，則因此而使鍋爐熱效率提高的數(shù)值為：

△η’=102．2／22410=0．46％

則由上述計(jì)算的綜合結(jié)果可知，爐膛內(nèi)添加石灰石脫硫?qū)﹀仩t效率不僅沒(méi)有影響，甚至可能略有提高。當(dāng)然，若采用石灰石下腳料作脫硫劑則不存在石灰石分解熱損失，硫酸鹽化的放熱過(guò)程反而有利于熱效率的提高。

3．3  關(guān)于在返料系統(tǒng)中注入脫硫劑的方案：

我省現(xiàn)運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐，由于采用的福建無(wú)煙煤的灰熔點(diǎn)過(guò)低(約1100℃)，而為了充分燃盡，運(yùn)行人員多選擇較高的爐膛出口溫度，有的甚至達(dá)950℃。因而存在著循環(huán)物料在高溫旋風(fēng)筒或返料系統(tǒng)管道中結(jié)渣堵塞事故。這長(zhǎng)期威脅著循環(huán)流化床鍋爐的安全可靠運(yùn)行。若把脫硫劑中的相對(duì)粗的部分(如>0．5mm的顆粒)從容易結(jié)焦的部位加入，因石灰石分解時(shí)要吸收熱量，再加上常溫石灰石被加熱還吸收的物理熱，則可大大降低管道中物料的溫度，從而改善返料系統(tǒng)結(jié)焦堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生，有利于循環(huán)流化床鍋爐的安全可靠運(yùn)行。

4  結(jié)論：

4．1  循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)運(yùn)行工況及氣固兩相流動(dòng)特點(diǎn)非常適合實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫工藝，而且采用天然石灰石作為脫硫劑，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，脫硫效果好，將為我省的SO2排放總量控制作出貢獻(xiàn)，帶來(lái)良好的環(huán)境效益。

4．2  由綜合計(jì)算的結(jié)果可知，循環(huán)流化床鍋爐采用爐內(nèi)添加石灰石的脫硫工藝對(duì)鍋爐熱效率沒(méi)有影響；如有廉價(jià)的下腳料石灰(CaO)可利用，則鍋爐熱效率還可略有提高。

4．3  在考慮脫硫劑加入位置時(shí)，可分兩種情況：對(duì)于原煤的灰熔點(diǎn)較高，運(yùn)行中不存在因超溫結(jié)渣而引起停爐事故，可以在爐內(nèi)密相區(qū)加入；對(duì)于原煤的灰熔點(diǎn)較低，常發(fā)生返料系統(tǒng)結(jié)焦堵塞事故，建議把較粗的脫硫劑(0．5—2．0mm)從返料系統(tǒng)管道內(nèi)加入。較細(xì)的脫硫劑(<0．5mm)仍從爐膛的密相區(qū)靠近布風(fēng)板處輸入。

參考文獻(xiàn)：

1、岑可法等，循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行，  中國(guó)電力出版社，1998年

2、蔣昌盛，燃用福建無(wú)煙煤的循環(huán)流化床鍋爐之設(shè)計(jì)問(wèn)題，  第一屆潔凈煤技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集，煤炭工業(yè)出版社，1997年 

文章作者：俞建洪    鄒崢（集美大學(xué) 362021）