內江高壩發(fā)電廠循環(huán)硫化床鍋爐脫硫系統(tǒng)的探討2004-7-28 |
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【摘要】論述了流化床鍋爐脫硫原理及影響脫硫效率的主要因素，包括鍋爐床溫的影響；鈣硫比的影響；石灰石粒徑的影響；加入脫硫劑后對現(xiàn)有鍋爐及輔助設備系統(tǒng)的影響；脫硫系統(tǒng)的組成及控制方式；其他因素的影響；循環(huán)倍率的影響。給出流化床鍋爐脫硫改造中應注意的一些關鍵問題，詳細分析了脫硫系統(tǒng)對脫硫效率的影響。 【關鍵詞】流化床 脫硫 改造 1流化床鍋爐原理及影響脫硫效率的因素流化床鍋爐所采用的脫硫劑一般為石灰石(CaCO3)。鍋爐床料大約90%是反應后的石灰石，2%左右是燃料，未反應石灰石和灰也分別占3%左右。新的石灰石進入爐膛后，在正常溫度下去被作用燃燒，并釋放出二氧化碳。燃燒過程中，燃料使石灰石硫化，其中的二氧化硫被石灰石吸收，石灰石也就轉變成石膏。在石灰石燃燒階段，石灰石的物理性能下降，容易被擠壓成粉末，并由爐膛引風帶走。如果燃料中的硫含量為2.5%或更大,則在燃燒過程中將產生足夠的二氧化硫以使石灰石容易受到硫化。這樣就加強了石灰石的物理性能，減少了由于石灰石被擠壓成粉末而被抽出爐膛帶來的石灰石損失。如果含硫量太低，就會增加這種由于研壓造成的石灰石損失。為了保持適當?shù)拇擦狭亢兔摿蚵�，就必須加大石灰石投入量，以補償這種損失。反應后石灰石(即硫酸鈣)和一些未反應的過量石灰石在爐膛中被不斷磨碎，然后離開爐膛，并在下游的煙氣凈化設備中被捕捉下來。脫硫劑投入流化床內受熱分解產生CaO，在氧氣含量充裕的情況下，CaO與燃燒中產生的SO2反應生成CaSO4，反應方程式下：CaCO3=CaO+CO2 (1)CaO+SO2+1/2O2=CaSO4 (2)(1)式為煅燒過程，把石灰石煅燒成生石灰，是吸熱反應；(2)式是硫酸鹽化過程，把煤燃燒后產生的SO2通過與CaO、O2反應，而合成為CaSO4，通過此種方式達到脫硫的目的，這個反應為放熱反應。流化床脫硫的效率受多方面的因素影響，但主要是以下幾個方面：(1)鍋爐床溫的影響硫酸鹽化反應的速度隨溫度的變化而變化，對流化床床溫在850-900℃范圍內脫硫效果最佳。如果溫度進一步升高，氧化鈣內的空隙被生成的硫酸鈣迅速堵住，阻止了吸收劑的進一步利用。同時床溫升高又會使硫酸鈣分解成二氧化硫，降低脫硫效率。溫度未達到850-900℃，石灰石與二氧化硫的反應速度會隨著溫度的降低而降低，使二氧化硫未能與氧化鈣反應就被帶出爐膛，如果要達到脫硫效果，就只有增加石灰石的投入量。這樣不但使成本增加，同時也加大了底灰系統(tǒng)的負荷。(2)鈣硫比的影響脫硫反應的鈣硫摩爾比為1，但由于床內氧化鈣和二氧化硫接觸時間較短，二氧化硫的分壓力低，而氧化鈣顆粒表面反應生成的硫酸鈣致密層又阻止二氧化硫與氧化鈣進一步接觸，所以氧化鈣在脫硫反應中只有部分被利用。脫硫效率隨鈣硫比增加而增加，但增加得緩慢。對循環(huán)硫化床鍋爐達到90%的脫硫效率所需鈣硫比為1.5-2.0，鼓泡床需2.5-3甚至更高才能達到這樣的脫硫效果。(3)石灰石粒徑的影響有關實驗表明，石灰石粒徑對脫硫效率有影響，顆粒較小(小于0.5mm)的石灰石脫硫效果好，表現(xiàn)在脫硫反應維持的時間長。這是因為小顆粒石灰石能提供更多的外表面與二氧化硫進行反應。小顆粒硫酸鹽化后，剩下的未反應核較小，石灰石利用率較高。石灰石粒徑較大，剩下的未反應核較大，石灰石利用率較低。但粒徑過小又會使石灰石在床內停留時間縮短，脫硫效率下降。對特定的循環(huán)流化床燃燒裝置，采用特定的石灰石，應選用一個最佳的石灰石粒徑，這要視石灰石的孔隙特性和分離器特性而定。以達到一個最佳的脫硫效率。如果石灰石顆粒太大，超過了300mm，綜合起來有如下危害：1、石灰石耗量增加；2、鍋爐床溫高于正常值；3、降低爐膛傳熱，從而增大減溫水水量，并提高了排煙溫度；4、鍋爐效率降低；5、底灰量超過設計值；6、為了床溫恢復到正常值，不得不增大布風板的風量；7、由于燃燒空氣的分級燃燒效應下降，并提高了排煙溫度，使NOX生成量上升。8、加劇設備磨損。而如果石灰石太小，其結果也將使石灰石耗量上升，這是由于石灰石顆粒不能按照要求的停留時間在高溫循環(huán)回路中進行循環(huán)。另一個不利影響就是飛灰系統(tǒng)和飛灰輸送系統(tǒng)超負荷運行，同時由于未反應的石灰石在濕式除灰系統(tǒng)與水混合后產生大量的熱，使除灰工作遇到困難。(4)循環(huán)倍率的影響脫硫劑在脫硫反應中只有部分被利用，對于循環(huán)流化床鍋爐隨著循環(huán)倍率的增加，石灰石在床內的停留時間加長，增加了反應時間，提高了石灰石的利用效率，從而提高了脫硫效率。(5)其他因素的影響脫硫劑在脫硫反應，不同種類的石灰石分解后產生的氧化鈣孔隙直徑分布是不一樣的，小孔能在單位吸收重量下提供較大的空隙面積，但其如口處容易被硫酸鹽堵塞，影響石灰石的利用率；大孔可提供向吸收劑內部的便利通道，卻相比小孔隙直徑的氧化鈣反應表面有所減少。另外，煤質對脫硫效果也有影響，不同的煤質中堿金屬、氧化鈣含量不同，固硫能力也不相同。(含硫量較高的煤，脫硫性也較好)。(6)高壩發(fā)電廠的石灰石系統(tǒng)運行中，出現(xiàn)了諸如石灰石緩沖倉因震打造成的緩沖倉法蘭裂紋、輸送空氣管道堵塞等問題。這兩樣問題的出現(xiàn)對我廠的石灰石正常運行造成了一定的威脅，必須加以及時解決。后來，經過高壩發(fā)電廠技術人員的集體努力，通過加裝法蘭處橡皮膨脹節(jié)；輸石空壓機及干燥系統(tǒng)改造等方式，有效的解決了上述問題。2脫硫系統(tǒng)的組成及控制方式脫硫系統(tǒng)通常包括脫硫劑的設備、廠外運輸、廠內運輸、爐前給料等幾部分。這幾個部分有機的配合在一起，成為連續(xù)、穩(wěn)定的石灰石系統(tǒng)。如圖為高壩電廠鍋爐脫硫劑輸送系統(tǒng)圖。 1、輸石皮帶2、石灰石一級破碎機3、輸石皮帶4、石灰石顆粒倉5、石灰石二級破碎機6、氣力輸送倉泵7、石灰石粉倉8、石灰石輸送絞龍9、爐膛在高壩發(fā)電廠，石灰石開采后經一級破碎成小于25mm、平均粒徑15mm石灰石顆粒，輸送進入石灰石倉，然后在石灰石二級破碎機破碎成為小于1mm，平均粒徑為500μm的顆粒，用力輸送倉泵輸送至石灰石粉倉。此粉倉的儲藏量為48小時滿負荷發(fā)電時的石灰石用量，最后再經過石灰石緩沖倉進入石灰石輸送絞龍內，由專門的石灰石輸送風機送入爐膛內(旋風分離器回料腿上)。由此進入爐膛后同煤一起燃燒。爐前給料也有采用機械系統(tǒng)的，如安裝在錦州熱電股份有限公司的75噸循環(huán)流化床鍋爐的脫硫系統(tǒng)原理為，刮板給料機將石灰石由爐前石灰石送入循環(huán)灰入口管道，與循環(huán)物料一起進入爐膛(該爐實際沒有脫硫系統(tǒng))。石灰石的給料量應按一定的公式以及實際煤種、石灰石的情況來決定，加入過多或過少都對除硫或爐膛燃燒產生影響，其給料量的大小應由如下公式決定：石灰石給料量=(100/32)*(Ca/S)*(Sar/Xcaco3)*Bj其中Ca/S——石灰石中鈣總量與煤中硫總量之比Sar——燃煤含硫量，%Xcaco3——脫硫劑中碳酸鈣的含量，%Bj——計算燃料量，Kg/h石灰石給料量通常采用單回路控制，根據(jù)設定的鈣硫比(鈣硫比通常由鍋爐設計單位根據(jù)排放指標或脫硫效率，考慮影響脫硫效率的各種具體因素確定)、燃煤含硫量、鍋爐負荷的變化調整石灰石給料量，考慮煤質、鍋爐床溫等因素的影響通過檢測煙氣中二氧化硫含量變化來校正石灰石的給料量。 3脫硫系統(tǒng)改造需注意的問題 3.1脫硫劑用量及粒徑分布的確定脫硫反應與脫硫劑的活性有很大的關系，應盡量選擇活性較好的石灰石。影響最佳脫硫率的對應的石灰石粒徑分布的因素是多方面的。鍋爐制造廠、鍋爐設計單位給出的分布不同，法國通用電氣阿爾斯通公司認為d50=120-150μm；美國ABB-CE公司認為小于1mm，平均粒徑500。針對我國煤種寬篩分特性，浙江大學熱能工程系提出石灰石粒徑為0-2mm，鼓泡床則應更大些。石灰石用量由鈣硫比確定。在工業(yè)發(fā)達國家，因其環(huán)保要求很高，其鈣硫比是按滿足排放要求和脫硫率90%取嚴格值，高壩發(fā)電廠循環(huán)流化床鍋爐是從芬蘭引進的機組，其設計已按照脫硫率90%進行設計和設備制造。當然我國的排放標準同發(fā)達國家相比還有一定的差距，不區(qū)分燃煤含硫量一味滿足90%的脫硫率是不合適的，因此建議鈣硫比應取滿足我國現(xiàn)行標準，同時考慮鈣硫比的發(fā)達國家鈣硫比標準，使用時考慮一定的富裕量。對于脫硫系統(tǒng)改造更應如此，因為脫硫系統(tǒng)改造，遠鍋爐在設計時可能沒有考慮脫硫的影響，過多加入石灰石不僅影響燃燒，而且會增加排渣量和漂塵排放量，對除塵、除灰系統(tǒng)帶來不利影響，還可能使漂塵排放超標。在1996年高壩發(fā)電廠循環(huán)流化床鍋爐投產以來，為了起到真正的循環(huán)流化床鍋爐示范的作用，一直堅持以脫硫率90%來確定鈣硫比。鍋爐的脫硫系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)等經受住了這樣脫硫率加入石灰石帶來的考驗，各個系統(tǒng)運轉正常。 3.2加入脫硫劑后對現(xiàn)有鍋爐及輔助設備系統(tǒng)的影響(1)在設計中不但要考慮加入石灰石帶來的物理熱和脫硫反應生成物帶走的物理熱損失，也應考慮煅燒反應的吸熱和硫酸鹽化反應的放熱。可將石灰石加入后物理損失統(tǒng)一在q6損失中考慮，單獨考慮脫硫反應熱。此項由下面兩部分構成，即：碳酸鈣煅燒的熱損失應下一個公式計算：qcaco3= (Bcaco3Xcaco3*1.83*103)/ (Bj*Qar,net,p)%硫酸鹽化放熱損失”qcaso4=(Sar*ηm*1.5*104)/ (Qar,net,p其中Bcaco3——石灰石的給料量，Kg/hXcaco3——脫硫劑中碳酸鈣的含量，%Sar——燃煤的含硫量，%Qar,net,p——燃料的低位發(fā)熱量kj/kgBj——計算燃煤量，kg/ hηm——脫硫率，%(2)由上述公式我們可以知道，脫硫反應消耗氧。這必然使鍋爐燃燒理論空氣量增加。煅燒1mol碳酸鈣產生1mol二氧化碳，反應中部分氧化鈣吸收煙氣中的二氧化硫，1mol氧化鈣吸收1mol二氧化硫�？偟膩碚f，使煙氣流量增加，對引風機，送風機的工作負荷產生了變化，這樣就應該對引風機、送風機風量進行校核。(3)脫硫反應的固體產物包括硫酸鈣、氧化鈣及石灰石中惰性物質。這些反應物增加了鍋爐的排渣量、煙氣中的含塵量，需要對分離器、回料裝置、除塵器、除塵系統(tǒng)的容量進行較核，同時應考慮鍋爐受熱面的傳熱變化和磨損的問題，對引風機，送風機的壓頭也應進行較核。(4)在高壩發(fā)電廠410T/h循環(huán)流化床鍋爐除塵系統(tǒng)采用干式除塵系統(tǒng)，但在除灰到灰車上時。采用水來冷卻及防止下灰時的環(huán)境污染，這樣灰渣中的氧化鈣遇水生成Ca(OH)2造成熱污染，同時對除灰絞龍產生了較大的堿腐蝕，絞龍的使用年限教干除灰有所降低。在電除塵器，因煙氣中二氧化硫的含量減少，使煙氣比電阻變化，這樣，就有可能使電除塵器的除塵效率下降。3.3脫硫系統(tǒng)的可能形式采用氣力輸送系統(tǒng)布置靈活、可靠性高、便于控制、易于實現(xiàn)多點給料但由于國內的流化床多是燃用劣質燃料，呈現(xiàn)寬篩分特性。即使是循環(huán)流化床，要求的石灰石的粒徑也較大，這樣氣力輸送不僅投資大而且能耗也高，尤其是爐前石灰石氣力輸送國產設備可靠性差，進口設備又價格昂貴。因此在進行脫硫系統(tǒng)改造或技術創(chuàng)新時，應考慮到脫硫系統(tǒng)的性價比。脫硫系統(tǒng)的種類有很多種，在選擇石灰石的種類時，要本著經濟實用的原則來進行，不能一成不變的照學其他電廠的石灰石情況，要根據(jù)自身的情況和煤及石灰石的情況來決定石灰石系統(tǒng)的安排及具體的設備等。在高壩發(fā)電廠循環(huán)流化床鍋爐，使用的是氣力輸送系統(tǒng)，從1996年發(fā)電以來，出現(xiàn)過緩沖倉裂紋泄漏、石灰石入爐粉管堵塞等問題。但通過，在緩沖倉法蘭處加裝橡皮緩沖膨脹節(jié)，較好的解決了因震打時造成的法蘭連接處泄漏；通過對空壓機的干燥系統(tǒng)的改造和空壓機的改造，有效的解決了壓縮空氣帶水的問題，也就解決了石灰石入爐粉管因帶水而堵塞的問題。4結束語流化床鍋爐脫硫系統(tǒng)的技術改造應貫徹安全、可靠、經濟的原則，在充分考慮現(xiàn)有條件限制的同時，還要注意到改造對鍋爐及其輔助設備系統(tǒng)的影響。脫硫系統(tǒng)的改造求全責備是沒有意義的，應根據(jù)我國現(xiàn)有的環(huán)保標準、鍋爐的運行水平，因地制宜選擇適當?shù)娜霠t方式、輸送系統(tǒng)及控制方式，不應追求過高的脫硫效率和控制水平。建議改造首先選擇在容量較大、運行穩(wěn)定、燃煤含硫量較高的循環(huán)流化床上進行，這樣可以用相對較小的投資和運行費用取得良好的環(huán)保效益�！緟⒖嘉墨I】1、芬蘭奧斯龍公司：《循環(huán)流化床鍋爐脫硫》內江發(fā)電總廠1995-42、岑可法等：《循環(huán)流化床鍋爐脫硫》中國電力出版社1998-43、毛健雄等：《煤的清潔燃燒》科學出版社2000-5【作者簡介】吳林，男，1997年畢業(yè)于重慶大學熱能動力工程系。從1997年至今，在內江高壩發(fā)電廠從事410t/h循環(huán)流化床鍋爐的維護與大小修的技術工作。 來源：內江發(fā)電總廠 |
| 編 輯：蘭天 |