影响循环流化床炉内脱硫效率的因素及实例

影响循环流化床炉内脱硫效率的因素及实例

罗毅

（中石化长岭分公司热电部热电车间湖南岳阳414000）

摘要：循环流化床锅炉的燃烧属于低温燃烧（燃烧温度在850～950℃），比较大的热灰颗粒在燃烧系统内循环燃烧，携带密相区的热量，把热量传递给蒸发受热面或过热受热面。正是由于热灰的循环和燃烧生成SO2在850～900℃的条件下极易与CaO结合为锅炉提供廉价的脱硫措施创造了条件。

关键词：循环流化床锅炉；Ca/S摩尔比；脱硫效率

前言：循环流化床锅炉因其环保性能受到中小热电厂的青睐，但因影响脱硫的因素复杂，需要控制的因素较多，使用单位往往片面追求脱硫效率，导致锅炉运行和碱性灰渣处理增加成本以及热效率降低，下面根据循环流化床锅炉的特点具体分析影响脱硫效率的因素及具体计算实例。

一、影响循环流化床脱硫效率的因素

1．Ca/S摩尔比的影响

Ca／S摩尔比是影响脱硫效率和SO2排放的首要因素。不加石灰石时，燃料硫约有28．5％的硫分残留于灰渣中，71．5％则以气体的形式排放出来。采用添加石灰石进行脱硫，脱硫效率在Ca／S比低于2．5时增加很快，而继续增加Ca／S比或脱硫剂量时，脱硫效率增加很少，同时继续增加脱硫剂会增加灰渣热物理损失、增加灰渣处理成本、影响燃烧工况、富余的CaO将使N0x排放升高等。对循环流化床而言，较为经济的Ca／S比一般在1．5～2．5之间。

2．床温的影响

床温的影响主要在于改变了脱硫剂的反应速度、固体产物分布及孔隙堵塞特性，从而影响脱硫效率和脱硫剂的利用率。从燃烧效率、CO和氮氧化物的排放上考虑，循环流化床锅炉的最佳运行温度在900℃左右，并在900℃左右达到最高的脱硫效率。

3．粒度的影响

采用较小的脱硫剂粒度，脱硫效果较好，脱硫粒度越小，对NOX的刺激作用也越小，而且对于小的脱硫粒度，脱硫温度也可以较高。循环流化床锅炉的分离和返料系统保证了细颗粒的循环，故一般采用0～2mm，平均100～500μm的石灰石粒度。粒度太小或者太易磨损的石灰石会增大飞灰的逃逸量，增加静电除尘器负担，并使脱硫效率下降。太大的给煤粒度不利于燃烧，也不利于脱硫；反之，给煤粒度过小，或煤中细粒份额太大也都会使脱硫效率下降。

4．氧浓度的影响

循环流化床内氧浓度水平主要与过量空气系数、是否实施分段燃烧、给料方式、炉膛压力及给料点分布有关。过量空气系数单独对SO2并无多大影响，试验表明：当O2的分压力小于10Pa时，CaSO4是不稳定的，将发生还原反应。周期出现氧化和还原性气氛对脱硫效率影响不大。

5．床内风速的影响

对循环流化床锅炉，增加风速往往意味着循环量的增加和脱硫剂停留时间的延长，增加悬浮空间脱硫剂浓度，一般对脱硫效率有益。

6．循环倍率的影响

随循环倍率的升高，脱硫效率达到90％时所需的石灰石投料量也下降，也就是说，循环倍率越大，脱硫效率越高，因为飞灰的再循环延长了石灰石在床内的停留时间，提高了脱硫剂的利用率，尤其是对那些细小的颗粒。由于硫酸盐化反应速度较慢，当反应30min后，如果不考虑磨损，石灰石的利用率仅为0．2～0．4，故延长石灰石的停留时间（最好≥1h）可以提高其利用率，同时可以减少对NOx的刺激增长作用。提高循环倍率同时提高了悬浮空间的颗粒浓度，使脱硫效率升高，但悬浮空间颗粒浓度大于30kg／m3后进一步增加时，脱硫效率增加缓慢，因为此时细颗粒逃逸的可能性增加，密相区的颗粒浓度也稍有减少。

7．SO2在炉瞠停留时间的影响

在循环流化床锅炉中，悬浮段的利用增加了SO2的反应时间。延长脱硫时间对脱硫效率的增益与SO2停留时间呈指数衰减趋势。从设计角度，循环床炉膛高度应保证SO2的停留时间不少于3-4s。

8．负荷变化的影响

循环流化床锅炉的负荷在相当大的范围内变化时，脱硫效率基本是恒定的或略有升降。不过，在较为极端的情况下，如负荷率处于锅炉降负荷能力的极限时，由于床温、气速、流体动力因索及密相区烟气中SO2析出浓度变化较大，会造成脱硫效率的明显下降。

9．其它因素对脱硫效率的影响

煤种的影响。煤种的影响基本上体现在两个方面：硫的含量和组成、Ca和Mg等金属含量。煤中的灰分对脱硫没有影响。后来，又发现褐煤、泥煤和锅炉底渣都有脱硫能力。对一颗煤粒而言，煤的脱硫发生在两个阶段，即焦炭燃烧阶段和焦炭基本燃烬阶段，其中第一阶段的脱硫份额占3O％～70％，对一颗1-5mm的焦炭颗粒，最佳的自脱硫温度为900-950℃，而且大粒径时，最佳温度也较高。

脱硫剂品种的影响。由于脱硫剂（石灰石）煅烧后形成多孔结构（有利于贮集反应产物，使反应气体穿透至颗粒内部进行反应）和在硫酸盐化过程中易造成孔隙堵塞，不同品质的石灰石反应活性不同。应选用反应活性最高、脱硫性能好的脱硫剂品种。循环流化床常用的脱硫剂是天然钙基脱硫剂。床内脱硫的反应工况由温度、吸收剂孔隙结构和孔隙扩散特性、流体动力及气膜传质因素共同确定。

10．添加石灰石脱硫的同时应考虑降低NOx的污染

直接而廉价的降低SO2排放措施，是添加石灰石固定在稳定的CaSO4中；而降低NOx是通过还原和分解最终使NO和N2O转变为稳定的N2。降低SO2的措施往往导致NOx的排放升高，必须在降低SO2排放的同时，还应注意不刺激NOx的生成和减少NOx的生成。

首先将床温控制在850—900℃左右，将过量空气系数降至1．10—1．20之间，并实施分段燃烧。提高燃烧温度主要是降低N2O和CO的排放，同时提高燃烧效率；采用较小的过量空气系数能同时削减NO和N2O的排放，但过量空气系数的下限要由CO排放和燃烧效率来决定。提高床温对脱硫的不利影响可以通过仔细选择脱硫剂品种和粒度来抵消。采用150—300μm的脱硫剂粒径不仅可以增加承载脱硫反应的表面积，而且使脱硫对温度的敏感性和对NOx的刺激增长作用都会减弱。1．5～2．0的Ca／S比已能完全满足循环流化床脱硫效率的要求。

尽量提高悬浮段的颗粒浓度和混和扰动对脱硫和NOX的多相还原都十分有利。分离器气固扰动强烈，对降低N2O和CO浓度十分有利。

二、计算循环流化床脱硫效率的实例

为确定以上各因素对循环流化床脱硫效率的影响，把流化床锅炉的燃烧系统作一个简化模型如下：

（1）气相为平推流；

（2）循环床内固相充分混合；

（3）截面平均床层密度从二次风入口高度至炉膛顶部呈指数下降

（4）二次风以下的缺氧燃烧区内所俘获的二氧化硫量可忽略不计；

（5）硫酸盐化反应速度对二氧化硫浓度及吸收剂体积反应成正比；

（6）气固分离器的分离效率为Ef，其值可由相同结构的分离器的实测效率得到。

根据以上简化的模型，用下列条件求出一台给煤量为5t／h的循环流化床锅炉的脱硫剂消耗量：

（1）煤种：4．34％S，19％灰分，高位发热值24．4MJ／kg；

（2）H=30m，U=5m／s，ρb（x）：2+480exp（-0．328x）；

（3）SO2排放，L=0．52g/MJ或90％脱硫效率，取排放量较低者；

（4）石灰石中钙的重量份额：Cca=0．35；

（5）对于平均吸收剂粒径的分离器分离效率：99％；

（6）由TGA数据知：K=50．5（0．41-δ）／s，其中δ为平均硫酸盐化速度。

Xcaco3=0．875，Mcaco3=100。

计算过程如下：

（1）达到SO2排放标准所要求的等效煤含硫量

S’=L×高位发热量×100=（0．52／l000）×24．4×100=1．26％

（2）为达到SO2排放标准所要求的脱硫效率

Eso2=（S—S’）／S=（4．34—1．26）／4．34=0．71

故选取ESO2=90％=0．9

（4）吸收剂给料量为：0．359×投煤量=0．359×5=1．798t／h。

三、结论

以上计算的结果和实际运行有一定误差，但根据煤中的含硫量和国家环保要求（或脱硫效率）计算出的石灰石给料量，可完全满足实际运行的需要。如果煤中含硫量较少，较低的石灰石给料量可满足环保要求；但要达到较高的脱硫效率，需要较多的石灰石的给料量，增加了运行成本和灰渣的处理成本，同时降低了锅炉热效率。因此应根据煤中的含硫量和国家环保标准计算出合适的石灰石给料量，达到最佳的经济效益。