燃烧福建无烟煤CFB锅炉石灰石炉内脱硫试验

摘 要

摘要：在一台燃烧福建无烟煤CFB锅炉上进行了炉内添加石灰石脱硫的工业热态试验，分析了Ca/S比(物质的量比)、炉床温度、二次风率、脱硫剂粒径等对锅炉炉内脱硫效果的影响，以及炉
摘要：在一台燃烧福建无烟煤CFB锅炉上进行了炉内添加石灰石脱硫的工业热态试验，分析了Ca/S比(物质的量比)、炉床温度、二次风率、脱硫剂粒径等对锅炉炉内脱硫效果的影响，以及炉内脱硫对锅炉氮氧化物排放浓度、飞灰和炉渣含碳量、飞灰比电阻、电除尘器除尘效率等的影响。试验表明：在Ca/S比较小时，脱硫效率随着Ca/S比的增大而迅速提高；当Ca/S比达到一定值后，脱硫效率提高缓慢，且趋于一稳定值。石灰石的平均颗粒粒径越小，脱硫效率越高；随着炉床温度的上升，脱硫效率线性下降。脱硫效率随着二次风率的增大先缓慢提高后急剧下降，呈开口向下的抛物线分布特征，存在一个最佳二次风率。炉内添加石灰石脱硫对锅炉氮氧化物排放的影响很微弱。飞灰含碳量随着Ca/S比的增大而有所下降，但当Ca/S比达到较高值以后，飞灰含碳量不再明显变化，反而有上升的趋势；炉渣含碳量随着Ca/S比的增大而上升，总体控制在1.5%以下。随着Ca/S比的增大，飞灰比电阻增加，电除尘器除尘效率基本保持不变。
关键词：CFB锅炉；福建无烟煤；Ca/S比；石灰石炉内脱硫
Desulfurization Experiment with Limestone in CFB Boiler Burning Fuj ian Anthracite
HONG Fangming
Abstract：An industrial thermal state experiment using limestone for desulfurization is conducted in a CFB boiler burning Fujian anthracite.The influences of Ca/S ratio，bed temperature，secondary air rate，particle size of defulfurizing agent on the desulfurization efficiency in the boiler as well as the influenees of desulfurization on the emission concentration of N0x，the carbon content in fly ash and slag，the specific resistance of fly ash and the efficiency of electric precipitator are analyzed.The experiment shows that when the Ca/S ratio is smaller，the desulfurization efficiency is rapidly increased with the rise of Ca/S ratio，but it is slowly increased and tends to be a steady value when the Ca/S ratio reaches a certain value.The average particle size of limestone is smaller，the desulfurization efficiency is higher.With the rise of bed temperature，the desulfurization efficiency is linearly increased.With the inerease of secondary air rate，the desulfurization efficiency is first slowly increased，and then is shaqoly decreased，as a parabola opening downward，there is an optimal secondary air rate.The desulfurization with limestone in the boiler has little influence on emission of N0x.With the increase of Ca/S ratio，the carbon content in fly ash in reduced，but it does not change and has a rising trend when the Ca/S ratio reaches a higher value.With the increase of Ca/S ratio，the carbon content in slag has a rising trend，and it is generally controlled within 1.5%.With the increase of Ca/S ratio，the specific resistance of fly ash is increased，but the efficiency of electric precipitator remains unchanged.
Key words：CFB boiler；Fujian anthracite；Ca/S ratio；desulfurization with limestone in hoiler
1 概述
    循环流化床(CFB)锅炉[1～2]以其流化燃烧、物料循环的特点，让燃料在炉内通过物料循环系统循环反复燃烧，使燃料颗粒在炉内的滞留时间大大延长，燃烧效率显著提高。此外，CFB锅炉还具有燃料适应性强、负荷调节性能好、氮氧化物排放低、低成本石灰石炉内脱硫、灰渣便于综合利用等一般常规锅炉所不具备的优点。近年来CFB锅炉在国内外得到迅速发展和普及，也成为燃烧福建无烟煤的首选炉型，在福建省得到较广泛的应用。
    由于福建无烟煤具有独特的燃烧性质和颗粒特性，比如碳化程度高、着火点高、燃尽困难、挥发分极低、煤质脆易爆裂、热稳定性差、灰熔点低、易结焦、细粉含量大等特点[3]，使得燃烧福建无烟煤的CFB锅炉有着不同于其他煤种CFB锅炉的特点，如采取高炉膛、低烟速、高炉膛燃烧温度、敷设长卫燃带等设计方案和运行方式[4]，以保证较高的燃烧效率。
    为检验燃烧福建无烟煤的CFB锅炉添加石灰石的炉内脱硫效果，获得同时满足高效脱硫和高效燃尽要求的最佳运行参数，笔者在一台DG75/3.82-11型CFB锅炉上进行了脱硫热态试验，测试Ca/S物质的量比(以下简称Ca/S比)、炉床温度、二次风率、石灰石粒径等参数对锅炉运行和脱硫效果的影响以及脱硫对锅炉氮氧化物排放浓度、飞灰和炉渣含碳量、飞灰比电阻、电除尘器除尘效率等的影响。
2 试验装置、方法及过程
    DG75/3.82-11型CFB锅炉的主要技术参数见表1。锅炉整个炉膛采用全悬吊结构，受热时向下自由膨胀，其四壁由膜式水冷壁组成，炉膛下部前后墙水冷壁呈倒锥形，炉膛横截面尺寸(长×宽)由4645mm×5905mm缩小为布风板截面尺寸(长×宽)2501mm×5905mm。布风板处的设计烟速为3.8m/s，炉膛设计烟速为4.0m/s，布风板至炉膛出口的距离为25.9m。采用中温旋风分离器，分离器在水平烟道出口对称布置，设计物料循环倍率为18.22。采用BE55-4B-G型电除尘器，除尘器有效收尘面积为55m2，设有3个电场，标况下处理烟气量为(11000±1100)m3/h，保证除尘效率不小于99.3%。
    试验选用典型的福建无烟煤，其工业分析见表2，试验用石灰石的成分分析及粒径分布见表3、4。粒径分布1、粒径分布2、粒径分布3的平均粒径分别为103.6、82.6、54.3μm。
表1 DG75/3.82-11型CFB锅炉的主要技术参数
项目
数据
额定蒸发量/(t·h-1)
75
过热蒸汽压力/MPa
3.82
过热蒸汽温度/℃
450.0
排烟温度/℃
138.5
锅炉设计热效率/%
85.0
表2 试验用福建无烟煤的工业分析
空气干燥基水分/%
空气干燥基灰分/%
空气干燥基挥发分/%
空气干燥基固定碳含量/%
空气干燥基硫分/%
收到基低位发热量/(kJ·kg-1)
4.36
27.99
4.89
64.76
0.45
22274
表3 试验用石灰石成分分析
烧失量/%
化学成分含量/%
Si02
Al203
Fe203
CaO
MgO
其他
41.87
1.64
0.51
0.27
52.57
2.03
1.11
表4 试验用石灰石的粒径分布
粒径/μm
粒径分布1
质量分数/%
粒径分布2
质量分数/%
粒径分布3
质量分数/%
＞160
14.2
5.5
0.3
74～160
37.6
30.8
5.7
51～74
26.4
35.5
38.7
43～51
12.3
12.1
33.3
38～43
6.9
11.4
13.6
＜38
2.6
4.7
8.4
    试验用锅炉采用分级燃烧技术，燃烧空气包括播煤风、一次风和二次风，其中一次风分成左右两股从炉膛底部等压水冷风室进入燃烧室，二次风分为上、下两层通过32个喷嘴(每层16个，前后墙各8个，对称布置)从前后墙高速射入炉膛，播煤风从前墙落煤管(前墙单侧给煤方式，给煤口2个)进入炉膛。试验过程中，播煤风、一次风和二次风的风量以及锅炉蒸汽参数、给煤量、炉床温度、炉膛出口温度、炉膛出口氧浓度等参数均可以通过中央控制室的仪表直接读出。
试验采取炉内添加石灰石混烧的脱硫工艺。试验前，先对变频控制的石灰石给料机进行标定，计算给料机在不同频率下运行时的石灰石给料量。试验分4组进行，分别在保持其他运行参数不变的情况下，测试了Ca/S比变化(分别为0、1.5、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6)、炉床温度变化(分别为930℃、940℃、960℃、1000℃、1010℃)、二次风率变化及石灰石粒径变化(石灰石平均粒径分别为103.6μm、82.6μm和54.3μm)对脱硫效率的影响。试验中，每种工况条件下石灰石的添加时间均为3～4h。试验中，约每45min取一次飞灰样和炉渣样，其中飞灰样分别取自电除尘器前的水平烟道和电除尘器后的竖直烟道，由3012H型自动烟尘测量仪抽取，每次抽取时间为10min；炉渣样在锅炉排渣口进行人工采取，每次取样量约为5kg。烟气成分测量在电除尘器后面的竖直烟道处进行，分别采用与该锅炉配套的YDZX-01型烟气排放连续检测仪和3012H型自动烟尘测量仪测量，每5min存储记录一组数据，包括S02、氮氧化物和氧的浓度、排烟温度等。为使测量结果具有可比性，分析时把烟气测量值折算到烟气含氧量为6%条件下(过剩空气系数为1.4)进行比较。灰渣成分采用DHF81多元素快速分析仪进行分析，飞灰比电阻采用德国MSW-2型比电阻测定仪进行检测。
3 结果与分析
① Ca/S比对脱硫效率的影响
保持运行参数(负荷约为72t/h、过剩空气系数为1.27、二次风率为0.38、炉床平均温度为980℃、石灰石平均粒径为103.6μm)不变，Ca/S比变化对脱硫效率的影响见图1。
 

由图1可知，燃烧福建无烟煤CFB锅炉自脱硫效率较高，达40.86%。这是因为：a.福建无烟煤收到基全硫含量(不大于1.0%)较低，其中部分以硫酸盐形式存在；b.福建无烟煤的灰渣中Mg0和CaO含量较高，起到了固硫作用。飞灰和炉渣的成分含量见表5。
锅炉炉内脱硫效率随着Ca/S比的增大而提高。在Ca/S比较小时(小于2.4)，脱硫效率随着Ca/S比的增大而迅速提高；当Ca/S比达到一定值(约为2.4)以后，脱硫效率提高得很缓慢，且趋于一稳定值。这是由于CaC03一旦煅烧生成Ca0，会很快反应变成CaS04，CaS04体积大于CaC03，Ca0表面的细孔很容易被覆盖而堵塞，使Ca0失去与SO2反应所必需的多孔性表面，因此Ca/S比应大于1，即需投入较多的石灰石。但是，投入石灰石过多时，脱硫效率提高较慢，并产生一些副作用，如灰渣物理热损失增大、飞灰量增加、锅炉效率下降、脱硫成本增加等。
表5 飞灰和炉渣的成分含量    %
成分
飞灰
炉渣
未脱硫
脱硫
未脱硫
脱硫
Fe203
4.78
4.94
4.40
3.09
MgO
1.30
2.87
1.15
1.53
CaO
3.41
15.19
0.77
18.44
Ti02
0.79
1.50
0.81
0.74
Al203
20.09
23.32
20.93
21.42
Si02
40.84
38.35
60.48
58.32
K20
2.72
3.04
6.34
4.13
Na20
0.01
0.55
0.61
0.33
S03
0.89
1.23
0.20
0.30
燃烧福建无烟煤CFB锅炉炉内脱硫效率整体并不高，即使Ca/S比达到3.6，脱硫效率也仅为81.99%。与许多CFB锅炉炉内脱硫的相关研究或实验结果[5]相比，本试验所得的脱硫效率偏低，其主要原因可能为：a.在相同Ca/S比情况下，煤中的含硫量越高，脱硫效率越高。本试验燃用的福建无烟煤本身含硫量较低(实测弹筒含硫量为0.3%～0.6%)，远低于相关研究所用煤的含硫量。b.由于福建无烟煤的燃烧反应性较差，为了安全稳定和高效运行，锅炉运行温度一般较高。本试验中炉床温度较长时间维持在950～1000℃，偏离了理论最佳脱硫温度(850～900℃)[6]，影响了脱硫效率。c.本试验所用的石灰石成矿较早，分解后孔隙率偏低，导致CaC03利用率不高。
② 炉床温度对脱硫效率的影响
炉床温度变化直接影响脱硫剂的反应速度、固体产物的分布以及孔隙堵塞特性，对CFB锅炉炉内脱硫有重要影响。CFB锅炉的理论最佳脱硫温度为850～900℃，但最佳脱硫温度不是一个常数，它与脱硫剂的品种、粒径、煅烧条件和炉内压力水平有关。保持其他运行参数(锅炉负荷约为72t/h、过剩空气系数为1.27、二次风率为0.38、石灰石平均粒径为103.6μm、Ca/S比为2.4等)基本不变，改变炉床温度，试验得出炉床温度变化对脱硫效率的影响，见图2。
 

由图2可知，随着炉床平均温度的上升，脱硫效率几乎呈线性下降。这是因为虽然过高的燃烧脱硫反应温度会使反应速率很高，但在扩散孔条件下，炉床温度过高会导致脱硫剂烧结，孔隙被生成的CaS04堵塞更加严重，影响脱硫剂利用率；炉床温度过高还会使脱硫产物CaS04分解重新生成S02，脱硫效率下降。因此，对燃烧福建无烟煤的CFB锅炉，在保证燃烧效率的前提下，建议适当降低炉床温度以提高脱硫效率。
③ 二次风率变化对脱硫效率的影响
在锅炉负荷约为72t/h、过剩空气系数为1.27、炉床平均温度为980℃、石灰石平均粒径为103.6μm、Ca/S比为2.4的条件下，改变二次风率对脱硫效果的影响见图3。
 

由图3可知，二次风率为0.344～0.386时，脱硫效率随二次风率的增大而提高，但是变化很缓慢；当二次风率大于0.386后，脱硫效率随其增大而快速降低。整条曲线呈现开口向下的抛物线型。由此可以推断，对于燃烧福建无烟煤CFB锅炉，当其他运行参数确定时，存在一个最佳二次风率，使炉内脱硫效率最大。
显然，在总空气量保持不变的情况下，随着二次风率的增大，分段燃烧的作用更加明显，二次风的穿透深度和混合扰动能力得到增强，增加了炉膛上部稀相区氧气的浓度和扩散能力，被烟气扬析和夹带出炉床的细小颗粒减少，在一定程度上延长了石灰石颗粒在炉内的停留时间，强化了稀相区的燃烧及脱硫反应，提高了脱硫剂的利用率，进而提高了脱硫效率。但是，在总空气量保持不变的情况下，二次风量增加意味着一次风量减少，使密相燃烧区缺氧情况更加严重，且相应的炉膛密相区流化速度变小，被烟气从炉床扬析和夹带的物料及脱硫剂变少，更多的物料和脱硫剂将停留在炉床高温区，脱硫反应主要集中在炉床高温区进行，因此脱硫效率反而变低。
④ 脱硫剂粒径对脱硫效率的影响
当锅炉负荷约为72t/h、过剩空气系数为1.27、二次风率为0.38，炉床平均温度为980℃、Ca/S比为2.4时，脱硫剂(即石灰石)平均粒径变化对脱硫效率的影响见图4。
 

由图4可知，脱硫剂的平均粒径越小，脱硫效率越高。显然，脱硫剂的平均粒径越小，其比表面积越大，气固接触面积也就越大，S02和Ca0的反应机会就越多，因此脱硫反应速度较快，脱硫效率也较高。但脱硫剂粒径太小时，更多的脱硫剂颗粒会被烟气扬析和夹带出炉床，在炉膛内的停留时间较短，如不能被分离器捕捉送回炉膛进行利用，则增大了飞灰形式的逃逸量，影响脱硫剂的利用效率。
理论上，为保证较好的脱硫效果，一般CFB锅炉采用的石灰石粒径为0.1～2.0mm、平均粒径为0.1～0.5mm[6]。本试验中石灰石颗粒较小，平均粒径为103.6μm时，50μm以下颗粒质量占总质量的22%左右，这些细小颗粒在炉膛内停留时间太短，许多无法被分离器捕捉送回，得不到充分利用，在一定程度上影响了脱硫效率，也使得本试验所得的脱硫效率偏低。
⑤ 炉内脱硫对N0x排放质量浓度的影响烟气中N0x排放质量浓度随Ca/S比的变化情况见图5。
 

    由图5可知，Ca/S比变化对烟气中N0x排放质量浓度的影响不明显。在CFB锅炉的工作温度区域内，其N0x主要来自燃料氮的转化。由于燃烧温度较低，燃料氮向N0x的转化率也较低，因此，CFB锅炉燃烧无烟煤时，其总的N0x排放质量浓度较低。本试验中，N0x排放质量浓度维持在200～240mg/m3。
    ⑥ 炉内脱硫对飞灰和炉渣含碳量的影响
    保持其他运行参数不变，Ca/S比变化对飞灰和炉渣含碳量的影响见图6。
 

    由图6可知，飞灰含碳量随着Ca/S比的增大而有所下降，但当Ca/S比达到较高值以后(大于2.8)，飞灰含碳量却不再随Ca/S比的变化而发生明显变化，反而有上升的趋势。飞灰的主要成分包括煤粉灰、少量残碳、脱硫产物CaS03(或CaS04)，以及一定比例的未反应的游离Ca0及极少量的CaC03。影响飞灰含碳量的主要因素是残碳、脱硫产物CaS03以及少量CaC03。添加石灰石后，由于炉内物料浓度增加使得炉膛温度场分布更加均匀，强化了传热，炉内燃烧更充分，降低了飞灰含碳量；同时，因炉内物料浓度增加，颗粒之间的碰撞磨损加剧，也促进了碳颗粒的燃尽；此外，添加石灰石后使飞灰量明显增加，对飞灰中的残碳起到一定的稀释作用，也使得飞灰含碳量下降。因此，在Ca/S比较小时，飞灰含碳量随着Ca/S比增大而明显下降；但当Ca/S比增大到一定值后，飞灰碳含量下降幅度变小，而飞灰中其他可分解无机物(如CaS03和CaC03)的含量增加，使得飞灰含碳量有上升趋势。
    炉渣含碳量随着Ca/S比的增大而上升。这是因为随着Ca/S比增大，虽然炉渣中CaS03和CaC03及未反应的游离Ca0的含量增加而稀释了残碳，但炉渣量明显增加，炉渣在炉内的平均停留时间缩短，且极少量的碳颗粒未来得及燃烧就随炉渣一起排出，使炉渣含碳量略微上升。
    ⑦ 炉内脱硫对飞灰比电阻的影响
    保持其他运行参数不变，Ca/S比变化对飞灰比电阻的影响见图7。
 

    由图7可知，飞灰比电阻随Ca/S比的增大而增加。这是因为加入石灰石脱硫剂后，由于飞灰中的Ca0等碱性物质大幅增加，同时S03小幅增加(见表5)，使得飞灰比电阻大大增加。
    ⑧ 炉内脱硫对电除尘器效率的影响
    当其他运行参数不变时，Ca/S比变化对电除尘器效率的影响见图8。
 

    由图8可知，炉内添加石灰石后，电除尘器入口、出口质量浓度同步增长，但除尘效率基本保持不变。电除尘器保持了较高的效率，这是囚为电除尘设计有效断面积裕量较大，电场内实际烟速小于0.65m/s，建议新建电除尘器也选用较低的烟速，并在设计中重点考虑防止二次扬尘，以达到保持电除尘器高效的目的。
4 结论
    ① 锅炉炉内脱硫效率随着Ca/S比的增大而提高。在Ca/S比较小时，脱硫效率随着Ca/S比的增大而迅速提高；当Ca/S比达到一定值以后，脱硫效率提高得很缓慢，并且趋于一稳定值。
    ② 炉床温度对脱硫效率影响显著。随着炉床温度的上升，脱硫效率几乎呈线性下降。
    ③ 随着二次风率的增大，脱硫效率曲线呈现出开口向下的抛物线型，先缓慢升高，然后急剧下降。对于燃烧福建无烟煤CFB锅炉，当其他运行参数确定时，存在一个最佳二次风率，使得炉内脱硫效率最大。
    ④ 石灰石的平均颗粒粒径越小，炉内脱硫效率越高。但石灰石粒径过小时，会在炉膛内停留时间太短，且无法被分离器捕捉送回，从而影响其利用率及脱硫效率。
    ⑤ 石灰石脱硫对烟气中N0x的排放质量浓度影响不明显。本试验中N0x的排放浓度维持在200～240mg/m3，有很小的上升趋势。
    ⑥ 飞灰含碳量随着Ca/S比的增大而有所下降，但当Ca/S比达到较高值以后，飞灰含碳量不再随Ca/S比的变化而发生明显变化，反而有上升的趋势；炉渣含碳量随着Ca/S比的增大而上升，总体控制在1.5%以下。
    ⑦ 加入石灰石后，飞灰中的Ca0等碱性物质大幅增加，同时S03小幅增加，使得飞灰比电阻随Ca/S比的增大而增加。
    ⑧ 加入石灰石后，电除尘器入口、出口质量浓度同步增长，但除尘效率基本保持不变。建议新建电除尘器选用较低的烟速，并考虑防止二次扬尘，以达到保持电除尘器高效的目的。
    ⑨ 对于燃用低硫福建无烟煤的CFB锅炉，当石灰石平均粒径为0.1～0.5mm，Ca/S比为2.0～2.8，炉床平均温度约为950℃时，可达到较好的炉内脱硫和燃烧综合运行效果。
参考文献：
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[5] 马林转，宁平，卿春.循环流化床锅炉脱硫的试验研究[J].环境工程，2005，23(5)：47-50.
[6] 岑可法，姚强，骆仲泱，等.燃烧理论与污染控制[M].北京：机械工程出版社，2004：403-408.
 
(本文作者：洪方明 福建省石狮热电有限责任公司 福建石狮 362700)