循环流化床燃烧在回收硫资源中的应用

孙美枝，王 凯

（太原锅炉集团有限公司技术中心，山西 太原 030021）

1 流化床燃烧技术

循环流化床锅炉以其较强的煤种适应性，在燃烧过程中控制二氧化硫及氮氧化物的排放，较广的负荷调节范围成为电站锅炉的投运方向。循环流化床燃烧是在鼓泡流化床燃烧的基础上发展起来的，二者可统称为流化床燃烧。在流化床燃烧中，流化床内进行着一种剧烈的类似于流体沸腾运动的燃烧。在燃烧的锅炉中有着大量的高温颗粒流在炉内循环。正是循环流化床的这一特点，使其能够在回收硫资源时发挥强有力的优势。

2 常见电厂脱硫方式及其产物

为达到国家大气污染物排放标准，电站锅炉都在系统中布置了脱硫设备。而常规的电厂脱硫方式多为烟气湿法脱硫和半干法脱硫。

2.1 湿法脱硫

石灰石/石灰——石膏湿法，锅炉烟气经增压风机增压，通过气－气热交换器交换热降温后进入脱硫塔，自下而上流经脱硫塔，与自上而下的石灰石/石灰浆液形成逆向流动，同时发生热量交换和化学反应，除去烟气中的SO2。净化后的烟气经除雾器除去烟气中携带的液滴，通过气－气热交换器升温后从烟囱排出。反应生成物亚硫酸钙（化学式为CaSO4）进入脱硫塔底部的浆液池，被通过增氧风机鼓入的空气强制氧化，生成CaSO4，继而生成石膏。通过增氧风机鼓入空气进行让亚硫酸钙强制氧化这一过程中存在如下状态：1）要使亚硫酸钙充分氧化，增氧风机电耗大；2）增氧风机鼓入的空气若不能使亚硫酸钙充分氧化，生成的石膏中必定亚硫酸钙含量高。

2.2 半干法脱硫

喷雾干燥烟气脱硫。经破碎后石灰在消化池中经消化后，与脱硫副产物和部分煤灰混合，制成混合浆液，经浆液泵升压送入旋转喷雾器，经雾化后在塔内均匀分散。热烟气从塔顶切向进入烟气分配器，同时与雾滴顺流而下。雾滴在蒸发干燥的同时发生化学反应吸收烟气中的SO2。半干法脱硫的脱硫产物主要成分为亚硫酸钙。亚硫酸钙在堆放的过程中会缓慢的氧化，会吸收水体中的氧，成为新的威胁环境的污染源。因为目前的大部分电厂都为烟气半干法或湿法脱硫，所以会有很大量的亚硫酸钙生成，并对环境造成污染[1，2]。

3 分解亚硫酸钙回收二氧化硫的原理

亚硫酸钙在环境温度达到699 ℃以上会被分解为氧化钙和二氧化硫。在高温条件下生成的二氧化硫经冷却后可直接回收，而且生成的氧化钙也可以回收并可作为很好的脱硫剂用于电站锅炉炉内，用化学反应方程式简单的表达为：CaSO4→CaO+SO2。该反应对发生反应的环境有要求：一定要避免氧化，再者要求环境中其他气体量要少。这样该反应才能有效分解，产生高浓度的二氧化硫。二氧化硫气体可以直接冷却后液化。利用循环流化床锅炉中的高温固体流作为固体热载体可以为该反应创造良好的温度及反应环境[3]。

图1 循环流化床燃烧系统结构组成

4 流化床技术用于回收硫资源的优势

典型的循环流化床燃烧系统由三部分组成：炉膛、分离器、返料装置，如图1 所示。循环流化床的主要特点是气固两相流。炉膛是实现燃烧的主要部位，炉膛由下部密相区和上部稀相区组成。密相区是颗粒密集区，它起着稳定燃烧和床温的作用。分离器是循环流化床锅炉的核心部件，是循环流化床锅炉区别于煤粉锅炉的重要部分[4]。分离器的主要作用就是实现气固分离，将烟气和热循环物料分离开。返料装置，阻断炉膛下部床层与分离器的气路连通并有效地回送物料。流化床技术用于回收硫资源的优势突出表现为亚硫酸钙的分解反应创造无比良好的环境。

4.1 适合反应的温度

循环流化床锅炉系统是一个闭式循环系统，能保证有足够的循环物料有效地进行上部传热和稳定下部床温。循环流化床的炉膛温度高达850~900 ℃,产生的固体热载体完全能够满足分解反应的温度要求。

4.2 大量的高温循环灰颗粒

设计用于分解亚硫酸钙的循环流化床锅炉时，我们完全可以采用高的固气比，这有些接近早期的鼓泡流化床燃烧技术。采用这种方式可以创造出更多的固体热载体（高温循环灰颗粒），并且可减少气体含量。

4.3 少量的杂质气体

从炉膛出来的高温烟气在分离器高速旋转运动,密度大的颗粒被甩到筒壁面,实现了与密度小的气体的分离；将大部分气体分离带出分离器带去尾部与受热面进行换热，因此分离器中尤其下部的返料装置中烟气带来的气体量极少。

4.4 避免氧化的环境

我们利用密封的回料装置，阻断了炉膛下部床层与分离器的气路连通，有效防止烟气反窜，加之分离器的气固分离，而且在返料装置的返料风配风上用以惰性气体或者还原性气体，就确保了亚硫酸钙的反应环境，绝对地避免了氧化氛围[5]。

流化床燃烧中，锅炉内大量的循环灰颗粒经过流化床锅炉的重要部件分离器气固分离后高温颗粒流中含的气体量很小，且含氧量很低。这就为亚硫酸钙的分解反应创造了杂质气体少避免氧化环境的条件，也彰显了循环流化床锅炉的优势。

5 结束语

我国现有硫资源不足，每年需要大量进口硫磺，从2009 年01~10 月就进口约1 200 万t 硫磺，而硫磺价格高达550 美元/t。分解亚硫酸钙回收二氧化硫不仅解决了污染环境的问题，还能够实现可观的经济效益，而且湿法脱硫工艺可以省去用鼓风机强制氧化工序，直接产出亚硫酸钙，将节省大量的电耗。

虽然循环流化床锅炉以其较强的煤种适应性，清洁燃烧以成为很多电站锅炉的投运方向，但是我们仍需不断地开拓市场。循环流化床技术在回收硫资源中的应用，就为循环流化床锅炉找到了新的市场方向，其意义不同于在电站锅炉中的运用，主要利用的是循环流化床锅炉所独特具有的高温循环灰。

[1] 李守信，纪立国，于军玲，等.石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺原理[J].华北电力大学学报，2002(4)：91-94.

[2] 杨柳春.半干法烟气脱硫技术在我国的应用[J].江西能源，2005(3)：24-26.

[3] 朱强，芮新红.循环流化床锅炉设备及系统[M].北京：中国电力出版社，2008.

[4] LIFAC Nearing Marketability.CleanCoalToday[R].US Depart⁃ment of Energy Report DOE/FE-0215P-21,1996：1-21.

[5] FEHsu,BBBhagat,SKMarchant,VMNorwood,etal.The Clean Coal Technoloty Program.10-MWe Demenonstration of Gas suspension Absorprion for Flue Gas Desulfurization [R]. US Department of Energy Report.1997：1-68.