火电厂循环流化床锅炉炉内脱硫效率影响因素分析

【摘要】循环流化床(CFB)锅炉是近年来发展较快又得到广泛应用的清洁燃烧技术，具有高脱硫率和低氮氧化物排放的特点。CFB 锅炉采用炉内加钙脱硫工艺，但在实际运行过程中遇到了诸多问题。本文根据近几年从事火电厂环评工作经验和通过收集国内一些CFB 锅炉SO2排放资料，对CFB 锅炉的脱硫技术原理、影响炉内脱硫的主要因素进行了分析，并通过炉内改造工程实例说明了炉内脱硫的高效可达性。

0 前言

循环流化床锅炉是近年来发展较快又得到广泛应用的清洁燃烧技术，具有高脱硫率和低氮氧化物排放的特点[1][2]。目前国内CFB 锅炉均是通过向炉内直接添加石灰石粉来控制SO2排放的。其脱硫原理是通过把固硫剂(石灰石)和煤按一定比例由锅炉炉膛侧墙直接送入燃烧室，在燃烧过程中脱除SO2，实现低SO2排放[5]。为了解国内CFB 锅炉污染物SO2的脱除效率，本文收集了国内一些CFB 锅炉污染物SO2排放浓度和脱硫效率的监测资料，见表1。

从表1 中可以看出，根据电厂建设时段污染物排放要求，部分电厂实测SO2满足了机组排放时段的排放限值要求， 部分电厂超标;就脱硫效率而言，300MW 大机组由于引进国外先进技术，整体装备较为规范，SO2实测脱硫效率可达到或超出设计值要求， 而小机组的电厂由于装备差，配套设施不完善，锅炉实测脱硫效率则远低于设计脱硫效率要求，导致SO2排放量超出总量控制要求。

1 CFB 锅炉的脱硫机理

CFB 锅炉炉内脱硫方式是在流化床床层内加入石灰石(CaCO3)或白云石(CaCO3·MgCO3)，投入炉内的石灰石在800~850℃左右条件下煅烧发生分解反应生成CaO 和CO2，然后氧化钙、SO2和氧气经过一系列化学反应最终生成硫酸钙，达到脱硫目的[6]。

2 影响CFB 锅炉炉内脱硫效率的主要因素

CFB 锅炉炉内脱硫效率的高低，受到诸多因素的影响。主要因素有脱硫剂特性及粒度、床层温度和钙硫比，此外还有物料流化速度、循环倍率以及煤种、石灰石输送系统等。这些因素的综合影响决定了脱硫效果的大小，最终影响CFB 锅炉的脱硫效率[7][9][11][10]。下面就一些主要影响因素进行简要分析。

2.1 脱硫剂的特性

脱硫剂石灰石的特性主要包括：石灰石的反应活性、化学组成、煅烧产物CaO 的比表面积、孔隙率、孔径分布和孔隙结构等。在特性当中石灰石反应活性的高低对脱硫影响较大。

脱硫剂的反应活性是指吸收剂与二氧化硫进行表面化学反应的难易程度。脱硫吸收剂石灰石的脱硫性能与石灰石反应活性关系很大，而石灰石反应活性受石灰石的成分和内部微观结构等影响，例如晶体型与非晶体型结构、不同杂质含量与构成等，不同地区甚至同一地区不同石灰石矿的脱硫反应活性有很大差别。因此，在选择脱硫剂，应对其化学反应性能进行分析， 尽可能选取高反应活性的石灰石，以降低Ca/S 摩尔比。目前最可靠和有效的方法是通过在大型热态试验台上试烧来实现，西安热工院已开展了此方面的研究。

2.2 石灰石粒度

石灰石的粒径分布对炉内脱硫效率有着重要影响。如果粒径过小，投入锅炉的石灰石粉未经分离器捕集、一次通过锅炉直接进入尾部烟道形成飞灰的份额较多，而这部分细石灰石粉由于与烟气接触的时间过短，利用率偏低;如果投入锅炉的粒度过大，大部分石灰石不能参与循环，与高SO2浓度烟气接触时间与接触比表面积均较小， 而且由于CaO 与SO2和O2反应生成的CaSO4体积大于CaCO3，会堵塞烟气中SO2进入石灰石内部的通道，导致大部分石灰石未充分参与脱硫便从排渣口排出，使石灰石的利用率降低。因此，石灰石的最佳粒度分布为：大部分石灰石颗粒能够参与炉内循环，并经多次循环利用后随烟气或底渣排出炉膛。图1 给出了石灰石粒径与脱硫效率关系图。从图可以看出， 循环流化床锅炉脱硫剂石灰石粒径最佳粒径为0.15~0.5mm。

2.3 CFB 锅炉运行床温

锅炉运行床温对脱硫效率影响较大，这是由于床温的变化直接影响脱硫反应速度、固体产物的分布和孔隙堵塞特性，所以床温会影响脱硫反应的进行和脱硫剂的利用率。而CFB 锅炉床温的选择和运行控制又和锅炉设计尤其是受热面布置、运行负荷、灰渣燃尽、NOx 污染物排放等因素密切相关。

研究表明， 脱硫反应的反应速度一开始随温度升高而升高，在820~850℃时达到最佳值。之后随温度升高到870~1000℃，反应速度开始下降，CaO 内部分布均匀的小晶粒会逐渐融合成大晶粒， 随着温度升高， 晶粒越大，CaO的比表面积减小和表面结壳失去吸收SO2的活性，都使脱硫效率降低。在更高的床温下超过1000℃，CaSO4还会逆相分解放出SO2，进一步降低硫酸盐化的化学反应速度，降低脱硫效率。图2 是某电厂设计煤脱硫试验SO2排放与床温变化的关系曲线。

综合考虑灰渣的燃尽、SO2脱除以及NOx 排放控制等因素， 循环流化床锅炉设计床温一般选择为850~900℃。

2.4 钙硫摩尔比的影响

在流化床中，床温和其它工艺条件不变的情况下，随着钙硫摩尔比的增加，脱硫率明显提高，钙硫比从2.0 增加到4.0，脱硫率提高幅度很大。但随着脱硫剂的增加，脱硫率提高很少，不仅浪费了脱硫剂，影响锅炉燃烧效率，而且增加了灰渣的处理量。因而在保证一定脱硫率的前提下，尽可能降低钙硫比，一般经济Ca / S 比在1.5～2.5 之间。

2.5 流化速度的影响

一次风系统提供循环流化床所必需的流化风。增加流化风速，实际上增加了物料的携带速度，从而使循环回料量增加，相应的延长了脱硫剂在炉膛内的停留时间。但如果一次风速太大，使炉膛出口烟气速度超过旋风分离器的捕捉速度，造成循环回料量减少，反而会降低脱硫效率。在运行中，可通过调节风流量、一、二次风配比等，达到调节流化风速的目的。

2.6 循环倍率的影响

循环倍率指单位时间内通过床料回送装置返回炉膛的床料量与锅炉投入固体物料量的质量比。循环倍率越大，脱硫效率越高。因为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，但对循环流化床锅炉存在一个有利于脱硫的循环倍率范围。

2.7 燃料煤含硫量的影响

在相同钙硫比的情况下，含硫量越高的煤，其脱硫率也越高。这是因为高硫煤会使炉膛内产生较高的SO2浓度，因而提高了脱硫的反应速度。

2.8 石灰石输送系统的影响

由于石灰石粉具有硬度高、堆积密度大、离散性大、易吸水受潮结块、逸气性强和亲和力差等特性，因此石灰石粉属于较难输送的物料。因此在石灰石输送系统运行过程中，若设计不合理、设备质量本身不过关，就会影响石灰石输送系统的稳定运行，造成石灰石输送系统出力不足、下粉不畅、堵管、磨损及设备不可靠等问题，这些问题最终导致CFB 锅炉脱硫系统无法稳定运行。

3 CFB 锅炉炉内脱硫改造工程实例

某电厂工程建设规模为2×135MW 直接空冷发电机组，配2×480t/h 超高压循环流化床锅炉，采用炉内加钙脱硫工艺，工程已于2006 年投入运行。经过当地环保部门监测，该电厂SO2排放浓度可满足标准限制要求，但炉内脱硫效率偏低，未能达到设计值要求，导致SO2排放总量超出控制要求。

通过现场调研、运行资料分析、查阅影响炉内脱硫率的相关文献资料，并与西安热工院、电厂相关技术生产人员就电厂炉内脱硫存在的问题共同探讨，结合影响CFB 锅炉脱硫效率的主要因素，分析确定了该电厂CFB 锅炉脱硫效率低的主要原因有[8][12]：(1)电厂一直未对入厂的石灰石活性进行分析，也未对其粒度提出要求，因此使用的石灰石品质得不到有效保证;(2) 电厂实际运行过程中的床温超过900℃，不利于炉内脱硫;(3)石灰石添加输送系统存在出力不足、下粉不畅、堵管、磨损等问题，导致石灰石添加量不足，钙硫比不能满足要求，最终导致脱硫系统无法稳定运行，脱硫效率较低。

针对电厂炉内脱硫存在的问题，最终确定了相应的炉内脱硫系统改造方案。脱硫系统改造完工试运行正常后，环境监测站对电厂CFB锅炉炉内加钙脱硫设施进行了现场监测，投入石灰石前SO2实测浓度为1032~1142mg/Nm3，脱硫后SO2实测浓度为80~88mg/Nm3，脱硫效率均值达到了92.6%。可见电厂炉内脱硫系统改造完工后，SO2排放浓度较低，满足标准要求;炉内脱硫效率也达到了90%以上。

4 结语

通过对影响CFB 锅炉脱硫效率因素及CFB 锅炉进行炉内脱硫系统改造实例的分析，我们认为：

5.1 循环流化床锅炉炉内脱硫效率主要与石灰石粒度和性能、床层温度、钙硫摩尔比等因素有关，另外物料流化速度、循环倍率和石灰石输送系统等因素也对脱硫效率产生影响。造成煤矸石电厂炉内脱硫效率低的原因并不是完全一致的，通过进行有针性的、细致的调查、试验和分析，制定相应的解决方案，有的放矢地进行改造，可有效地提高炉内脱硫的脱硫效率。

5.2 电厂炉内脱硫系统改造的运行监测数据表明，CFB 锅炉在仅利用炉内脱硫系统的条件下， 脱硫效率可达到90%以上，SO2排放浓度和排放量可满足相应要求，而且改造投资较少。该电厂炉内脱硫系统改造的成功， 可为国内其余采用CFB 锅炉的电厂提高脱硫效率提供参考。

【参考文献】

[1]P.巴苏，S.A.弗雷泽.循环流化床锅炉的设计与运行.科学出版社，1994.

[2]岑可法,等.循环流化床锅炉理论设计与运行.中国电力出版社，1998.

[3]王斌.循环流化床燃烧脱硫技术[J].煤炭工程，2002(8)：19-20.

[4]林宗虎，魏敦崧，安恩科，李茂德.循环流化床锅炉. 化学工业出版社，2004，2.

[5]烟气脱硫脱硝技术手册.化学工业出版社，2007，01.

[6]某电厂炉内脱硫系统改造技术可行性报告.西安热工院，2008，09.

[7]薛建民，朱法华，陈德全.火电厂主流脱硫工艺的技术性能.环境影响评价动态，2009 年第九期.

[8]火电建材类环境影响评价工程师登记培训教材，2009.

[9]燃煤电厂污染防治最佳可行技术指南，2010，2.

[10]某煤矸石电厂环境影响报告书，2009，08.

循环流化床锅炉炉内脱硫原理及影响因素

循环流化床锅炉炉内脱硫原理及影响因素

炉内脱硫原理

循环流化床锅炉炉内脱硫是采用石灰石干法脱硫来实现的，即将炉膛内的CaCO3高温煅烧分解成CaO，与烟气中的SO2发生反应生成CaSO4，随炉渣排出，从而达到脱硫目的。

影响脱硫效率的因素：

① 床温对脱硫的影响：有关试验表明，床温对SO2的析出影响最大，SO2浓度随着床温的升高而单调增大，但是脱硫效率随着床温的升高会迅速下降，当床温低于800℃时，脱硫剂孔隙数少，孔径小，反应速度低，而且SO2析出速度慢，脱硫效果差；当床温高于950℃时，CaO内部的孔隙结构会发生部分烧结而减少，降低CaO与SO2的反应速度，导致脱硫效率降低。

② Ca/S摩尔比对脱硫的影响：循环流化床锅炉运行实践表明，随着炉内添加石灰石量的增加，脱硫效率逐渐提高，在Ca/S摩尔比小于2.5范围内，脱硫效率随Ca/S摩尔比增加提高很快，当继续增加Ca/S摩尔比时，脱硫效率增加速度会明显减慢。

③ 石灰石入炉粒度对脱硫效率的影响：脱硫剂的粒径分布对脱硫效率也有较大的影响。理论上讲，脱硫剂越小，炉内脱硫效果越好，因为减少石灰石粒径能增加其表面积，从而提高反应面积。但脱硫剂并非越小越好，如果脱硫剂太小，就会有很大部分随着烟气逃逸，增加尾部烟道的飞灰量，从而使除尘器负担加大。最佳的脱硫剂粒径分布与锅炉设计参数有关，一般在0~2mm属于比较合理的范围，平均为100~200um。

④ 石灰石品质对脱硫效率的影响：石灰石品质对脱硫效率影响十分敏感，不同品质的石灰石反应性能差异很大，在CaCO3含量、晶体结构和孔隙特征上也有所不同。一般应对石灰石做热重分析（TGA），测定其反应率指标，从而准确推算出Ca/S摩尔比。

⑤ 煤种特性对脱硫的影响：循环流化床炉内脱硫效率的高低，直接取决于煤中含硫量的高低。一般来讲，供热燃煤中含硫量越高，脱硫效率就越高，但这并不代表SO2排放浓度低。在燃用高硫煤时，脱硫效率能达到90%甚至更高，但SO2排放浓度仍然不能达到国家排放标准的要求。

⑥ 石灰石投放方式对脱硫效率的影响：传统的石灰石投放方式为，与煤混合一起通过给煤口进入到炉膛内，这种投放方式虽然方法简单容易操作，但是有很大的弊端：煤中含有的外部水分与石灰石接触后，使石灰石粉末结块，影响了它在炉内的煅烧效果，大大降低了石灰石孔隙面积，从而使石灰石的固硫能力受到很大限制。石灰石投放点也可以设置在二次风口，通过特设的风力管道输送系统将石灰石粉末送至二次风支管，随二次风一起进入炉膛，其优点是投放点分散均匀，在炉膛内沸腾扰动强烈，反应速度快程度高，从而使脱硫效率提高，缺点是系统复杂。近几年，我们经在流化床返料管上设置石灰石投放点，并在几个电厂中试验，收到了良好的效果，需要解决的一个问题就是返料管开孔处的密封。

结论：循环流化床锅炉炉内脱硫，根据煤种的含硫量不同，只要能达到SO2国家排放标准要求，脱硫效率在70~90%都是合理的；在煤种已经定下的前提下，通过调节运行床温、合理设置Ca/S摩尔比、控制石灰石粒度等措施，能够有效提高脱硫效率；燃用高硫煤时，若脱硫效率在90%都无法达到SO2国家排放标准时，则必须进行尾部烟气脱硫