循环流化床锅炉多粒度多流态炉内喷钙脱硫技术

李竞芨，杨欣华，张思海，杨振森，杨海瑞，刘青

(1.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084;2.神华宁夏国华宁东发电有限公司，宁夏银川750408)

根据最新颁布实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223－2011)，大部分现役火电机组需达到100 mg/Nm3(以NO2计，折算为干基、6%O2浓度)的SO2排放标准。循环流化床(CFB)锅炉作为一种清洁高效的燃煤技术，在我国劣质煤利用领域得以大规模推广［1］。而且，其通常采用向炉内添加廉价的钙基脱硫剂(以石灰石为主)的脱硫方式，相比于炉外脱硫，具有占地面积少、初投资和运行成本低、不耗水、无副产品、系统简单等优势，通过优化运行后，炉内脱硫效率可达到90%［2］。

然而面对严格的排放标准，尤其针对高硫煤的燃用，必须对现有CFB锅炉炉内喷钙脱硫技术加以有效的改进与优化，以进一步提高脱硫效率。否则过度增加钙硫比，即使可以满足排放要求，也一定程度地降低了锅炉的燃烧效率，且增加了脱硫成本，削弱了炉内脱硫的竞争优势。在影响炉内脱硫效率的诸多因素中，石灰石粒度作为最重要因素之一，往往并未得到足够的重视，各电厂对其选取也存在较大的随意性。清华大学在总结前人成果的基础上，结合多年对CFB锅炉气固流态研究的积累，提出了一种多粒度多流态炉内喷钙脱硫技术，并在某330 MWe CFB机组上成功进行了工程验证。

1 CFB锅炉炉内脱硫原理及影响因素

燃烧过程中，燃料中的可燃硫会与氧化合生成SO2，硫酸盐中的硫可能分解产生SO2。以最普遍使用的脱硫剂——石灰石为例，一定粒度的石灰石给入炉膛后，被迅速加热并发生煅烧反应［3］:

从而产生多孔疏松的CaO，SO2扩散到CaO的表面和内孔，在有O2参与的情况下，CaO吸收SO2并生成CaSO4:

与CaO相比较，CaSO4的比体积增加，一定程度地阻塞了原有的微孔结构，抑制了SO2与内部CaO的接触，造成脱硫剂的浪费。

CFB锅炉炉内脱硫效果优良，其主要原因是:锅炉床温均匀且较低(一般在850℃～950℃)，恰好处于固硫反应的最佳温度范围内;同时，炉内气固流动特性决定了颗粒具有较长的停留时间，使得脱硫剂颗粒与烟气中SO2接触更为充分，提高了脱硫反应程度;炉膛内强烈的气流扰动促进了气体向CaO内部微孔的穿透，从而增加了气固反应速率［4］。

影响CFB锅炉炉内脱硫效率的因素很多，包括床温、钙硫比、石灰石品质、炉膛气氛分布、石灰石给入位置等［5－8］。经过综合分析，以上各因素基本都可归结为脱硫剂在有效反应区域内的停留时间问题。在保证较高的石灰石反应活性前提下，通过延长其在适宜脱硫的温度、气氛等条件下的停留时间，必然可以增强脱硫反应的效果。钙基脱硫剂在不同温度、氧化还原气氛下的相图，如图1所示。

图1 CaS、CaSO4和CaO的相［9］

石灰石粒度也是影响脱硫效率的重要因素之一，其作用机制也可以进行类似的解释:较细的石灰石颗粒经煅烧后比表面积较大，具有更为发达的微孔结构，反应活性较高，然而其喷入炉膛后被迅速夹带上升，尽管处于温度、氧化气氛均较为适宜的条件下，但它远离SO2初始大量生成的密相区，降低了与SO2接触并发生固硫反应的几率。相反，较粗的石灰石尽管反应活性略差，且在喷入炉膛后长期处于欠氧的密相区，但在避免被快速排渣的情况下，可以与SO2长时间充分接触，以此换取较高的石灰石利用率。

在以往的工程实践中，无论是细石灰石粉，还是较粗的石灰石颗粒，均有所应用，但对其粒径的选取较为随意，缺乏相应的理论指导。为满足一定的脱硫效率，往往一味增大钙硫比，不仅影响了炉内的物料平衡，且造成飞灰中残余CaO过量，降低了飞灰品质。与此同时，也加重了电厂的经济负担。因此，在总结了现有CFB锅炉气固流态研究成果的基础之上，提出了一种基于炉内流态的多粒度炉内喷钙技术，对脱硫石灰石粒径进行优化选取，充分发挥粗细石灰石颗粒各自的比较优势，从而显著提高了CFB炉内脱硫效率，降低了脱硫成本。

2 多粒度多流态炉内喷钙脱硫技术介绍

由于CFB锅炉的给煤粒度具有宽筛分特性，因此炉膛内床料也呈现较宽的粒度分布。根据流态化理论，炉膛内流态可视为不同粒度颗粒流态的叠加，由无法参与循环的粗大颗粒在炉膛底部形成的鼓泡床流动以及参与外循环的细颗粒构成的快速床流动组成，如图2所示。

图2 CFB锅炉的典型复合流态［10］

图3 颗粒粒径与停留时间的典型相关曲线

在CFB锅炉中，物料在循环回路的停留时间与其粒径紧密相关。过细的颗粒难以被旋风分离器捕集，从而被携带并离开循环回路成为飞灰，过粗的颗粒则通常以炉渣的形式由底部排出。因此，只有粒度适中的颗粒可以在循环回路中获得较长的停留时间，形成所谓的“循环灰”。随着锅炉运行时间的推移，循环灰的粒度呈现显著的单峰分布，越接近于其尖峰粒度的颗粒，长时间留存在循环回路中的几率就越大。构成有效循环的物料对CFB锅炉的高效稳定运行具有重要意义，这部分物料决定了炉膛内和循环回路中的燃烧分配和受热面布置，是CFB锅炉满负荷运行的必要条件［11］。而对于较为粗大的颗粒，对传热的贡献很小，但大颗粒燃尽所需的停留时间较长，颗粒粒径与停留时间的典型相关曲线如图3所示。

图4 粗、细脱硫剂在炉膛内的分布

石灰石在投入CFB锅炉炉膛后，作为外加床料参与炉内物料循环。石灰石在煅烧过程中发生爆裂，形成疏松多孔的CaO颗粒，其粒径与原始入炉粒径相比也发生了变化。针对特定的CFB锅炉炉膛截面风速，不同粒度的煅烧石灰石与相应的煤、灰颗粒一起，构成了炉内的物料平衡。因此，石灰石的分布状态也是炉内流态的体现。

所谓多粒度多流态炉内喷钙脱硫技术，即首先通过气力输送，向炉内喷入细石灰石粉，并通过在给煤中掺混较大粒径的石灰石颗粒，实现多粒度石灰石的共同给入，以发挥各自的优势，协同实现深度脱硫。在该技术方案中，无论是细石灰石粉还是粗石灰石颗粒，均在炉内具有较长的停留时间，但2者在炉内的分布状态存在明显的差异。选取细石灰石粉的粒径范围应接近锅炉循环灰的尖峰粒度，该值与锅炉分离器效率、排渣效率等密切相关，通常在200μm～500μm之间。选取粗石灰石颗粒的粒度应使其在该风速下处于湍动流动状态，既不被携带出循环回路形成飞灰，也较难从底部排出形成底渣，通常在1 mm～2 mm之间。在此过程中，需考虑石灰石的爆裂特性，以保证煅烧后的石灰石不致偏离该粒径范围。当然，随着时间的推移，石灰石颗粒由于磨耗导致粒径减小，过细的颗粒因逃逸而结束脱硫历程。

密相区产生的SO2首先被长期处于湍动状态的脱硫剂颗粒“过滤”，加之二次风的补入，改善了脱硫反应条件，因此在该区域完成初步脱硫。此时残余的SO2再与炉膛中上部较高反应活性的细脱硫剂粉接触反应，实现深度脱硫。粗、细脱硫剂在炉膛内的分布状况如图4所示。至于细石灰石粉与石灰石颗粒的比例，需针对不同锅炉进行调整，以实现优化配置。

3 多粒度多流态炉内喷钙脱硫技术的工程实践

该技术于2013年10月在宁夏某发电有限公司1台330 MWe亚临界CFB机组上进行了验证。锅炉由东方锅炉有限公司供货，型号为DG 1177/17.5－Ⅱ3。该锅炉是自然循环、一次中间再热、单炉膛平衡通风、紧身封闭、全钢构架的π型汽包炉。锅炉燃料为烟煤，燃料特性如表1所示。

表1 某330 MW e CFB锅炉燃用煤种工业和元素分析

该机组入炉煤的含硫量在1.9%左右，SO2原始排放约1 300 ppm，约合3 800 mg/Nm3，改造前采用气力输送石灰石粉从前墙下二次风给入。该厂使用的石灰石XRF成分分析结果如表2所示，可见该石灰石品质优良。然而，即使钙硫比在2.5以上，脱硫效率也仅有70%左右。

表2 某330 MW e CFB锅炉脱硫石灰石XRF分析%

利用多粒度炉内脱硫技术，改造后在给煤中掺入1 mm～2 mm粒度的石灰石颗粒，同时维持部分石灰石粉经气力输送进入下二次风，严格控制细石灰石粉粒度在300μm～500μm。经过一段运行后发现，在满负荷条件下，以15 t/h(钙硫比约为1.2)的流量单纯加入石灰石颗粒就可以达到75%以上的脱硫效率，同时再以14 t/h(钙硫比约2.3)的流量通过气力输送加入细颗粒，脱硫效率大幅度提高，最高可以达到95%以上，此时排放可以控制在45 ppm～60 ppm，脱硫效果优异。锅炉循环灰粒度分布曲线如图5所示，该厂石灰石样品在马弗炉850℃下灼烧30 min后的粒度变化状况如图6所示，可近似表征其在炉内的爆裂特性，在流化状态下爆裂性能会进一步加强［12］，该粒度细石灰石粉经煅烧爆裂后，其粒度会处于循环灰的峰值粒度附近，从而有效地增加其停留时间。

优化的细石灰石粉理论上在系统内无限循环，同时在二次风给入条件下，O2充足，反应速率很快;掺入给煤中的石灰石在炉内流化风速下处于湍动流化状态，在炉膛中下部快速翻动形成内循环，极大地延长了在炉膛内的停留时间，从而克服了以往给煤中掺入过大颗粒时带来的停留时间过短的问题。尽管在给煤口附近气体的还原性较强，但颗粒在上下翻动过程中会遇到二次风中的O2，因此可以依靠显著增加停留时间来克服还原性气体的负面影响。脱硫测试工况中部分锅炉参数如表3所示，各测试工况下的脱硫效果如图7所示，可见不同的技术方案下脱硫效率差异显著，多流态炉内喷钙脱硫技术优势明显。

图5 某330 MW e CFB锅炉循环灰粒度

图6 某330 MW e CFB锅炉脱硫石灰石爆裂特性

表3 某330 MW e CFB锅炉脱硫测试工况中部分锅炉参数

4 结论

在现有CFB锅炉炉内脱硫技术的基础上，通过分析石灰石粒度对脱硫效率的影响，提出了一种基于炉内气固流态的多粒度喷钙脱硫技术。在保证床温、石灰石品质的前提下，使用气力输送向炉膛内喷入石灰石粉，使其煅烧爆裂后的粒度接近循环灰峰值粒度，以增加其在炉内的循环次数;同时，在给煤中掺混一定粒度的石灰石颗粒，使其处于湍动流化状态以延长停留时间。依托炉内流态，多粒度石灰石的配置给入，避免了单纯石灰石粉在空间分布不均导致效率不足，充分发挥了各自优势，以实现CFB锅炉的深度脱硫。该技术通过在某330 MWe CFB机组测试检验，证明了脱硫效果优异。

图7 某330 MWe CFB锅炉脱硫测试效果

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