正交法在CFB锅炉脱硫工艺优化中的应用

任 杰，李世明，任 飞

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.神华准格尔矸石发电公司，鄂尔多斯 010030）

影响循环流化床锅炉（CFB）脱硫效率因素很多，钙硫摩尔比（Ca／S）、锅炉床温、炉膛内氧浓度、脱硫剂的颗粒度、原煤含硫量、床内风速、SO2在炉膛内停留时间、负荷变化、炉膛压力等对脱硫效率均有影响。这些因素之间的协同作用也会影响脱硫效率，因此最佳的脱硫条件不能用简单的方法确定，需要对不同取值的这些因素进行组合，然后通过试验从脱硫结果的比较中找到最佳工况。锅炉实际运行经验表明，钙硫摩尔比（Ca／S）、石灰石粒径和锅炉床温是影响脱硫效率的主要因素，本文将对每个因素安排3个水平，并通过正交设计来安排试验。

1 试验主要设备

CFB锅炉采用单汽包自然循环、单炉膛、固态排渣，锅炉热效率为90%。过热蒸汽最大连续蒸发量为1 177t／h，压力为17.4MPa，温度为540℃。再热器给水温度为282.8℃ （高加切除后的给水温度为173.5℃），再热蒸汽流量为969.3t／h；再热器进口蒸汽压力为4.02MPa，出口蒸汽压力为3.84MPa；进口蒸汽温度为335.5℃，出口蒸汽温度为540℃。采用卧管式空气预热器，进风温度为22.5℃，一次风热风温度为297℃，二次风热风温度为297℃，排烟温度为145℃。

锅炉采用石灰脱硫，石灰石耗量18.33t／h，钙硫比2.5，脱硫效率90%。试验期间采集电厂所用石灰石样，用化学分析法分析石灰石中CaCO3含量为90.0%，石灰石纯度较高。采用该种石灰石进行脱硫，能够很好地满足循环流化床锅炉脱硫的要求。

试验期间先后采集入炉煤2份，入炉煤硫收到基分别为0.45%和0.38%。

2 试验工况及结果

300MW CFB锅炉钙硫摩尔比（Ca／S）、石灰石粒径和锅炉床温3个因素变动对锅炉脱硫效率影响效果明显，在进行正交试验方案时，每个因素分别取高、中、低3个值，按照正交法开展试验，正交试验目的是通过尽可能少的试验次数寻求这三个因素的最佳参数组合，使锅炉排烟中SO2的体积含量最低，并希望得出各因素在水平变化时试验指标的变化趋势。

根据CFB锅炉实际运行参数，确定各因素的试验水平汇总见表1。

表1 各因素的试验水平汇总表

根据因素个数与各因素的水平数，确定试验的正交表见表2。

按照正交表确定的试验工况开始试验后，每个工况均进行了锅炉排烟SO2浓度测量，测量地点为除尘器入口烟道。通过计算将原烟气和净烟气的SO2浓度转换为标准状态、干烟气、空气过剩系数为1.4时浓度。

表2 试验的正交表

对试验结果的直观分析结果见表3。

表3中，K1、K2、K3三行数据分别是各因素同一水平结果之和。例如，K1行A因素列的数据488是A因素3个1水平试验值的和，而A因素4个1水平分别在第1、2、3号试验。所以，K1＝165＋152＋171＝488，K2、K3的计算方式与其相似。

然后，对K1、K2、K3这3行分别除以3，得到AVG（K1）、AVG（K2）、AVG（K3），表示各因素在每一水平下的平均试验值。例如，K1行A因素列值为488，则K1行A因素列值为488除以3，为163。

最后一行S是极差，即AVG（K1）、AVG（K2）、AVG（K3）各列3个数据的最大数减去最小数，例如A因素的极差SA＝163－139＝24，其它因素极差算法同此。通过求和数据处理，对于每一因素（如A因素），其同一水平结果之和（K1、K2、K3）及平均值（AVG（K1）、AVG（K2）、AVG（K3）），由于其它因素在A因素不同水平的和与平均值（K1、K2、K3和AVG（K1）、AVG（K2）、AVG（K3））中同等体现，效应相互抵消，使A因素各个水平间具有了可比性，可以选出最好试验指标值对应的A因素水平。

从直观分析结果可以看出：因素A（Ca／S）的极差最大，符合Ca／S对试验指标（SO2排放浓度）影响最大的一般结论，其次是石灰石粒径。按对试验指标影响大小排序为ABC，对于A因素A3最优，B因素B1最优，C因素C2最优。因此，按直观分析，A3B1C2为试验最优方案。对比实际试验方案，试验序号为7的试验工况接近最优方案，但与最优方案仍有一定差别（床温）。这也说明，由正交试验得出的试验最优方案可能是并没有进行试验的工况，这也体现了正交试验的优越性。

表3 直观分析表 mg／m3

根据正交试验直观分析结果，追加最优A3B1C2工况的试验3次，测量锅炉排烟SO2浓度，得到SO2排放平均值为117mg／m3。

3 结论

正交试验、极差分析是一种科学地安排多因素多水平试验的数学方法，它具有信息量丰富、试验工作量小、试验费用低等特点。

1）在CFB锅炉脱硫工艺优化试验中，通过选择钙硫摩尔比（Ca／S）、石灰石粒径和锅炉床温3个因素3个水平进行脱硫优化正交试验，结果钙硫摩尔比影响最大，其次是石灰石粒径。

2）对于钙硫摩尔比（Ca／S）的设置的三水平试验中，Ca／S越大时脱硫效果最优；对于石灰石粒径设置的三水平试验中，石灰石粒径取越小脱硫效果最优；对于锅炉床温设置的三水平试验中，锅炉床温为900℃时脱硫效果最优。

3）通过正交试验直观分析，当Ca／S为2.5、石灰石粒径为0.5mm、锅炉床温为900℃时脱硫效果最佳。通过追加试验，在某300MW的CFB锅炉测试中，SO2排放浓度最低达到117mg／m3。

4）只要在运行中正确、合理地控制各种运行参数，就能有效地提高脱硫效率，减少污染物的排放。