李競芨，楊欣華，張思海，楊振森，楊海瑞，劉青

(1.清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京100084;2.神華寧夏國華寧東發(fā)電有限公司，寧夏銀川750408)

根據(jù)最新頒布實施的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2011)，大部分現(xiàn)役火電機組需達(dá)到100 mg/Nm3(以NO2計，折算為干基、6%O2濃度)的SO2排放標(biāo)準(zhǔn)。循環(huán)流化床(CFB)鍋爐作為一種清潔高效的燃煤技術(shù)，在我國劣質(zhì)煤利用領(lǐng)域得以大規(guī)模推廣［1］。而且，其通常采用向爐內(nèi)添加廉價的鈣基脫硫劑(以石灰石為主)的脫硫方式，相比于爐外脫硫，具有占地面積少、初投資和運行成本低、不耗水、無副產(chǎn)品、系統(tǒng)簡單等優(yōu)勢，通過優(yōu)化運行后，爐內(nèi)脫硫效率可達(dá)到90%［2］。

然而面對嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，尤其針對高硫煤的燃用，必須對現(xiàn)有CFB鍋爐爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)加以有效的改進與優(yōu)化，以進一步提高脫硫效率。否則過度增加鈣硫比，即使可以滿足排放要求，也一定程度地降低了鍋爐的燃燒效率，且增加了脫硫成本，削弱了爐內(nèi)脫硫的競爭優(yōu)勢。在影響爐內(nèi)脫硫效率的諸多因素中，石灰石粒度作為最重要因素之一，往往并未得到足夠的重視，各電廠對其選取也存在較大的隨意性。清華大學(xué)在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年對CFB鍋爐氣固流態(tài)研究的積累，提出了一種多粒度多流態(tài)爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)，并在某330 MWe CFB機組上成功進行了工程驗證。

1 CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫原理及影響因素

燃燒過程中，燃料中的可燃硫會與氧化合生成SO2，硫酸鹽中的硫可能分解產(chǎn)生SO2。以最普遍使用的脫硫劑——石灰石為例，一定粒度的石灰石給入爐膛后，被迅速加熱并發(fā)生煅燒反應(yīng)［3］:

從而產(chǎn)生多孔疏松的CaO，SO2擴散到CaO的表面和內(nèi)孔，在有O2參與的情況下，CaO吸收SO2并生成CaSO4:

與CaO相比較，CaSO4的比體積增加，一定程度地阻塞了原有的微孔結(jié)構(gòu)，抑制了SO2與內(nèi)部CaO的接觸，造成脫硫劑的浪費。

CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫效果優(yōu)良，其主要原因是:鍋爐床溫均勻且較低(一般在850℃～950℃)，恰好處于固硫反應(yīng)的最佳溫度范圍內(nèi);同時，爐內(nèi)氣固流動特性決定了顆粒具有較長的停留時間，使得脫硫劑顆粒與煙氣中SO2接觸更為充分，提高了脫硫反應(yīng)程度;爐膛內(nèi)強烈的氣流擾動促進了氣體向CaO內(nèi)部微孔的穿透，從而增加了氣固反應(yīng)速率［4］。

影響CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫效率的因素很多，包括床溫、鈣硫比、石灰石品質(zhì)、爐膛氣氛分布、石灰石給入位置等［5－8］。經(jīng)過綜合分析，以上各因素基本都可歸結(jié)為脫硫劑在有效反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的停留時間問題。在保證較高的石灰石反應(yīng)活性前提下，通過延長其在適宜脫硫的溫度、氣氛等條件下的停留時間，必然可以增強脫硫反應(yīng)的效果。鈣基脫硫劑在不同溫度、氧化還原氣氛下的相圖，如圖1所示。

圖1 CaS、CaSO4和CaO的相［9］

石灰石粒度也是影響脫硫效率的重要因素之一，其作用機制也可以進行類似的解釋:較細(xì)的石灰石顆粒經(jīng)煅燒后比表面積較大，具有更為發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，反應(yīng)活性較高，然而其噴入爐膛后被迅速夾帶上升，盡管處于溫度、氧化氣氛均較為適宜的條件下，但它遠(yuǎn)離SO2初始大量生成的密相區(qū)，降低了與SO2接觸并發(fā)生固硫反應(yīng)的幾率。相反，較粗的石灰石盡管反應(yīng)活性略差，且在噴入爐膛后長期處于欠氧的密相區(qū)，但在避免被快速排渣的情況下，可以與SO2長時間充分接觸，以此換取較高的石灰石利用率。

在以往的工程實踐中，無論是細(xì)石灰石粉，還是較粗的石灰石顆粒，均有所應(yīng)用，但對其粒徑的選取較為隨意，缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)。為滿足一定的脫硫效率，往往一味增大鈣硫比，不僅影響了爐內(nèi)的物料平衡，且造成飛灰中殘余CaO過量，降低了飛灰品質(zhì)。與此同時，也加重了電廠的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。因此，在總結(jié)了現(xiàn)有CFB鍋爐氣固流態(tài)研究成果的基礎(chǔ)之上，提出了一種基于爐內(nèi)流態(tài)的多粒度爐內(nèi)噴鈣技術(shù)，對脫硫石灰石粒徑進行優(yōu)化選取，充分發(fā)揮粗細(xì)石灰石顆粒各自的比較優(yōu)勢，從而顯著提高了CFB爐內(nèi)脫硫效率，降低了脫硫成本。

2 多粒度多流態(tài)爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)介紹

由于CFB鍋爐的給煤粒度具有寬篩分特性，因此爐膛內(nèi)床料也呈現(xiàn)較寬的粒度分布。根據(jù)流態(tài)化理論，爐膛內(nèi)流態(tài)可視為不同粒度顆粒流態(tài)的疊加，由無法參與循環(huán)的粗大顆粒在爐膛底部形成的鼓泡床流動以及參與外循環(huán)的細(xì)顆粒構(gòu)成的快速床流動組成，如圖2所示。

圖2 CFB鍋爐的典型復(fù)合流態(tài)［10］

圖3 顆粒粒徑與停留時間的典型相關(guān)曲線

在CFB鍋爐中，物料在循環(huán)回路的停留時間與其粒徑緊密相關(guān)。過細(xì)的顆粒難以被旋風(fēng)分離器捕集，從而被攜帶并離開循環(huán)回路成為飛灰，過粗的顆粒則通常以爐渣的形式由底部排出。因此，只有粒度適中的顆?？梢栽谘h(huán)回路中獲得較長的停留時間，形成所謂的“循環(huán)灰”。隨著鍋爐運行時間的推移，循環(huán)灰的粒度呈現(xiàn)顯著的單峰分布，越接近于其尖峰粒度的顆粒，長時間留存在循環(huán)回路中的幾率就越大。構(gòu)成有效循環(huán)的物料對CFB鍋爐的高效穩(wěn)定運行具有重要意義，這部分物料決定了爐膛內(nèi)和循環(huán)回路中的燃燒分配和受熱面布置，是CFB鍋爐滿負(fù)荷運行的必要條件［11］。而對于較為粗大的顆粒，對傳熱的貢獻很小，但大顆粒燃盡所需的停留時間較長，顆粒粒徑與停留時間的典型相關(guān)曲線如圖3所示。

圖4 粗、細(xì)脫硫劑在爐膛內(nèi)的分布

石灰石在投入CFB鍋爐爐膛后，作為外加床料參與爐內(nèi)物料循環(huán)。石灰石在煅燒過程中發(fā)生爆裂，形成疏松多孔的CaO顆粒，其粒徑與原始入爐粒徑相比也發(fā)生了變化。針對特定的CFB鍋爐爐膛截面風(fēng)速，不同粒度的煅燒石灰石與相應(yīng)的煤、灰顆粒一起，構(gòu)成了爐內(nèi)的物料平衡。因此，石灰石的分布狀態(tài)也是爐內(nèi)流態(tài)的體現(xiàn)。

所謂多粒度多流態(tài)爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)，即首先通過氣力輸送，向爐內(nèi)噴入細(xì)石灰石粉，并通過在給煤中摻混較大粒徑的石灰石顆粒，實現(xiàn)多粒度石灰石的共同給入，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，協(xié)同實現(xiàn)深度脫硫。在該技術(shù)方案中，無論是細(xì)石灰石粉還是粗石灰石顆粒，均在爐內(nèi)具有較長的停留時間，但2者在爐內(nèi)的分布狀態(tài)存在明顯的差異。選取細(xì)石灰石粉的粒徑范圍應(yīng)接近鍋爐循環(huán)灰的尖峰粒度，該值與鍋爐分離器效率、排渣效率等密切相關(guān)，通常在200μm～500μm之間。選取粗石灰石顆粒的粒度應(yīng)使其在該風(fēng)速下處于湍動流動狀態(tài)，既不被攜帶出循環(huán)回路形成飛灰，也較難從底部排出形成底渣，通常在1 mm～2 mm之間。在此過程中，需考慮石灰石的爆裂特性，以保證煅燒后的石灰石不致偏離該粒徑范圍。當(dāng)然，隨著時間的推移，石灰石顆粒由于磨耗導(dǎo)致粒徑減小，過細(xì)的顆粒因逃逸而結(jié)束脫硫歷程。

密相區(qū)產(chǎn)生的SO2首先被長期處于湍動狀態(tài)的脫硫劑顆?！斑^濾”，加之二次風(fēng)的補入，改善了脫硫反應(yīng)條件，因此在該區(qū)域完成初步脫硫。此時殘余的SO2再與爐膛中上部較高反應(yīng)活性的細(xì)脫硫劑粉接觸反應(yīng)，實現(xiàn)深度脫硫。粗、細(xì)脫硫劑在爐膛內(nèi)的分布狀況如圖4所示。至于細(xì)石灰石粉與石灰石顆粒的比例，需針對不同鍋爐進行調(diào)整，以實現(xiàn)優(yōu)化配置。

3 多粒度多流態(tài)爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)的工程實踐

該技術(shù)于2013年10月在寧夏某發(fā)電有限公司1臺330 MWe亞臨界CFB機組上進行了驗證。鍋爐由東方鍋爐有限公司供貨，型號為DG 1177/17.5－Ⅱ3。該鍋爐是自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的π型汽包爐。鍋爐燃料為煙煤，燃料特性如表1所示。

表1 某330 MW e CFB鍋爐燃用煤種工業(yè)和元素分析

該機組入爐煤的含硫量在1.9%左右，SO2原始排放約1 300 ppm，約合3 800 mg/Nm3，改造前采用氣力輸送石灰石粉從前墻下二次風(fēng)給入。該廠使用的石灰石XRF成分分析結(jié)果如表2所示，可見該石灰石品質(zhì)優(yōu)良。然而，即使鈣硫比在2.5以上，脫硫效率也僅有70%左右。

表2 某330 MW e CFB鍋爐脫硫石灰石XRF分析%

利用多粒度爐內(nèi)脫硫技術(shù)，改造后在給煤中摻入1 mm～2 mm粒度的石灰石顆粒，同時維持部分石灰石粉經(jīng)氣力輸送進入下二次風(fēng)，嚴(yán)格控制細(xì)石灰石粉粒度在300μm～500μm。經(jīng)過一段運行后發(fā)現(xiàn)，在滿負(fù)荷條件下，以15 t/h(鈣硫比約為1.2)的流量單純加入石灰石顆粒就可以達(dá)到75%以上的脫硫效率，同時再以14 t/h(鈣硫比約2.3)的流量通過氣力輸送加入細(xì)顆粒，脫硫效率大幅度提高，最高可以達(dá)到95%以上，此時排放可以控制在45 ppm～60 ppm，脫硫效果優(yōu)異。鍋爐循環(huán)灰粒度分布曲線如圖5所示，該廠石灰石樣品在馬弗爐850℃下灼燒30 min后的粒度變化狀況如圖6所示，可近似表征其在爐內(nèi)的爆裂特性，在流化狀態(tài)下爆裂性能會進一步加強［12］，該粒度細(xì)石灰石粉經(jīng)煅燒爆裂后，其粒度會處于循環(huán)灰的峰值粒度附近，從而有效地增加其停留時間。

優(yōu)化的細(xì)石灰石粉理論上在系統(tǒng)內(nèi)無限循環(huán)，同時在二次風(fēng)給入條件下，O2充足，反應(yīng)速率很快;摻入給煤中的石灰石在爐內(nèi)流化風(fēng)速下處于湍動流化狀態(tài)，在爐膛中下部快速翻動形成內(nèi)循環(huán)，極大地延長了在爐膛內(nèi)的停留時間，從而克服了以往給煤中摻入過大顆粒時帶來的停留時間過短的問題。盡管在給煤口附近氣體的還原性較強，但顆粒在上下翻動過程中會遇到二次風(fēng)中的O2，因此可以依靠顯著增加停留時間來克服還原性氣體的負(fù)面影響。脫硫測試工況中部分鍋爐參數(shù)如表3所示，各測試工況下的脫硫效果如圖7所示，可見不同的技術(shù)方案下脫硫效率差異顯著，多流態(tài)爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)優(yōu)勢明顯。

圖5 某330 MW e CFB鍋爐循環(huán)灰粒度

圖6 某330 MW e CFB鍋爐脫硫石灰石爆裂特性

表3 某330 MW e CFB鍋爐脫硫測試工況中部分鍋爐參數(shù)

4 結(jié)論

在現(xiàn)有CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過分析石灰石粒度對脫硫效率的影響，提出了一種基于爐內(nèi)氣固流態(tài)的多粒度噴鈣脫硫技術(shù)。在保證床溫、石灰石品質(zhì)的前提下，使用氣力輸送向爐膛內(nèi)噴入石灰石粉，使其煅燒爆裂后的粒度接近循環(huán)灰峰值粒度，以增加其在爐內(nèi)的循環(huán)次數(shù);同時，在給煤中摻混一定粒度的石灰石顆粒，使其處于湍動流化狀態(tài)以延長停留時間。依托爐內(nèi)流態(tài)，多粒度石灰石的配置給入，避免了單純石灰石粉在空間分布不均導(dǎo)致效率不足，充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢，以實現(xiàn)CFB鍋爐的深度脫硫。該技術(shù)通過在某330 MWe CFB機組測試檢驗，證明了脫硫效果優(yōu)異。

圖7 某330 MWe CFB鍋爐脫硫測試效果

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