300MW循环流化床锅炉炉内脱硫探讨.pdf

第 6期 2 0 1 4年 1 1月 锅炉制造 BOI LER MANUFACTURI NG NO ． 6 NO V ． 2 01 4 3 0 0 MW 循 环流化床锅炉炉 内脱硫探讨 张 勇 云南大唐国际红河发电有限责任公司， 云南 开远 6 6 1 6 0 0 摘要 随着 大型循环 流化 床 锅炉 在我 国的成 功 应用 ， 掀 开 了大型 锅 炉 炉 内脱硫 技 术 的新 篇 章。介绍 了 3 0 0 MW循环流化床锅炉炉内燃烧脱硫的原理及火电厂脱硫设备的运行状况， 阐述了3 0 0 MW循环流化床锅炉 环保排放的优点。分析了影响 s 0 的排放量的各种原因， 针对原因提出了提高炉内脱硫效率的控制方法 ， 并 对如何降低烟气 S O 的排放量提出了指导性建议。 关键词 炉内脱硫 ； 原理 ； 优 化控 制 ； 环保排放 中图分类号 X 7 0 1 ． 3 文献标 识码 A 文章编号 C N 2 31 2 4 9 2 0 1 4 0 6 0 0 2 5 0 4 Pr o b e o f De s u l f u r i z a t i o n i n Fu r n a c e o f 3 0 0 M W CF B Bo i l e r Zh a n g Y u n n a n D a t a n g I n t e r n a t i o n a l H o n g h e P o w e r G e n e r a t i o n C o ． ， h d ， K a i y u a n 6 6 1 6 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t I t i n t r o d u c e s t h e p rin c i p l e o f d e s ul f u r i z a t i o n i n f u rn a c e o f 30 0MW CFB b o i l e r a n d t h e o p c r a t i n g c o n d i t i o n o f t h e r ma l p o we r p l a n t g d e s u l f u r i z a t i o n e q ui p me n t s， d e mo n s t r a t e s t h e a d v a n t a g e s o f l o w wa s t e e mi s s i o n o f CFB b o i l e r，a n a l y s e s a l l k i n d s o f r e a s o n f o r a f f e c t i ng e mi s s i o n o f S O2， p ut for - wa r d s c o n t r o l l i n g me t h o d s o f i n c r e a s i n g e f fic i e n c y o f d e s ul f ur i z a t i o n i n f u rna c e a n d o f f e r s c o n s t r u c t i v e p r o p o s a l s o f de c r e a s i n g S O2 e mi s s i o n． Ke y wor ds d e s u l f u r i z a t i o n i n f u rna c e；p r i n c i p l e； o p t i mi z a t i o n c o n t r o l ； l o w wa s t e e mi s s i o n 0 引 言 我国是一个 以煤炭为 主要 能源 的发展 中国 家 ， 随着社会经济的发展 ， 去年我国的煤炭消耗量 达 3 6 ． 1 亿吨 ， 而火电行业的用煤量 占煤炭总消耗 量的 5 0 ％以上。我 国 S O 排放量 的 9 0 ％来 自燃 煤 ， 而火 电行业 s O 排放量又 占全 国总排放量 的 5 0 ％以上 ， 所以火 电厂是我国二氧化硫减排 的关 键行业 。为了控制污染 ， 还子孙以碧水蓝天 ， 我们 必须防治 S O 的排放污染。2 0 0 6年 O 6月在我厂 诞生的首台 3 0 0 M W 循环流化床锅炉机组的成功 并 网发 电， 并在之后 的多年时间里一直安全稳定 运行。随我 厂 之后 国 内新 上 并 投 产 了很 多 台 3 0 0 MW循环流化床锅炉机组 ， 此种大型循环流化 床锅炉在我国的成功应用 、 掀 开了大型锅炉炉 内 脱硫技术 的新篇 章。炉 内脱硫 就是利用脱硫剂 C a O、 M g O等碱金属化合物 与煤炭 中的硫份燃 烧生成 的s O 发生化学反应生成 C a S O 或 Mg S O 固定在灰渣中的原理进行脱硫。 1 3 0 O MW 循环流化床锅 炉炉 内脱 硫 的原理 1 ． 1 煤中硫份燃烧的化学反应原理及影响燃烧 产物 S O 生成的各种因素 硫份以有机硫煤 、 硫酸盐硫 、 元素硫及硫化物 硫 以黄铁矿流为主 F e S 等形态存 于煤 中。其 中可燃硫有 有机硫 、 元素硫 和硫化物硫 ， 可燃硫 占煤中总硫份的 9 0 ％左右 。煤 中硫 份经过燃烧 收稿 日期 2 0 1 4 0 82 8 作 者简介 张勇 1 9 8 0一 ， 男 ， 云南昭通人， 工程 师， 技 师， 从事 3 0 0 MW 循环流化床机组运行管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 锅炉制造 总第 2 4 8期 的化学反应原理如下 有机硫 的燃烧反应方程式为 RS202 S 02R H2 O 元素硫的燃烧反应方程式为 SO2S O2 硫化物硫的燃烧反应方程式为 4 F e S 21 1 022 F e 2 038 S O2 影响硫份燃烧产物 S O 生成的原因有燃煤特 性与锅炉运行参数两类 ， 但燃煤特性是煤种 固有 的， 在建厂设计之初就确定好 了燃烧煤种 ， 燃煤特 性短期内不会有较大的变动。影响硫份燃烧产物 S O 生成 的主要 运行参 数有 过量 空气 系数 、 床 温 、 停留时间、 原煤粒径、 配风方式 。而过量 空气 系数和床温对 S O 生成速度 的影响最大 ， 过量空 气系数越大 S O 越容易生成 、 燃烧反应越彻底 ； 床 温越高 S O 生成速度越快 。 1 ． 2 炉 内燃烧脱硫原理 炉 内脱硫就是利用 C a O、 Mg O等碱金属 固体 化合 物 与硫 份 的燃烧 产 物 S O 气体 反 应 生成 C a S O 、 M g S O 等 固态物质 被 固定在 渣 中的原理 进行脱硫。 自然界石灰石资源很丰富且取材方便 经济 ， 主要成分是 C a C O ， 经过高温煅烧后分解生 成 C a O和 C O ， 所 以脱硫剂采用生石灰不但很经 济而且没有附加有害物质生成。但炉 内燃烧脱硫 氧量对脱硫反应速度及脱硫 产物 C a S O 的生产 影响很大。在氧量充足的情况下硫份 的燃烧产物 为 S O ， 脱硫反应如下 2S O22Ca CO3O22 Ca S O42CO2 2 SO22 Ca O O22 Ca SO4 但在燃烧所需的氧量不足时煤中的硫份会先 生成 H S， 脱硫化学反应如下 Ca CO3H2 S Ca S H2 O CO2 Ca O H2 S Ca S H2 O C a S 是一种不稳定的物质遇到氧气则根据氧 量的浓度大小发生不 同的反应 富氧 时 C a S与 O 反应 直接 被 固定 C a S 202 Ca S O4 厌氧时 C a S与 O 2 反应生产 S O 2 C a S3 0 2 2Ca O S O2 综上所述 炉 内脱硫就是上想办法创造 出 良 好脱硫反应环境使煤中所含的硫份快速燃烧生产 S O ， 尽量减少不必要的中间反应环节 ， 并有 足够 的脱硫材料和氧量与之接触 ， 从而提高化 学反应 速度使煤中硫份快速生产 C a S O 被固定， 提高脱 硫效率增加脱硫材料利用率 ， 降低烟气 s 0 的排 放量 。 2 我厂炉 内脱硫 系统概况 2 ． 1 原 始设 计 我厂的 1 号 2号锅炉均是 国产化后哈尔滨锅 炉厂生产的 3 0 0 MW 循环流化床锅炉 ， 单炉膛采 用裤衩腿 、 双布风板结构。一次风分别从左右布 封板水 冷风 室 分 两路 进 入 炉膛 下部 裤 衩腿 炉 膛 ， 二次风分上下两 层从炉膛下部进入 炉膛 ， 炉 膛外侧二次 风管全 部布置 在上 二次 ， 内侧 二次 风分上 下两 层 从裤 衩 腿 内侧 和 前 后墙 进 入炉 膛。设计燃用煤种为小龙潭 褐煤 、 低 位发热量 1 2 ． 4 3 5 MJ ／ k g ， 收到基硫份 0 ． 7 3 ％， 额定给煤量 2 2 6 ． 5 t ／ h ， 脱硫设备设计时使用两套石灰石系统 一运一备 从锅炉回料阀处靠气力输送将 1 mm 的石灰石加入炉内， 每套设计 出力 2 7 ． 5 t ／ h ， 但实 际出力只有 1 0 t ／ h左右 ， 而且运行不稳定经 常出 现堵管。另外 、 由于我厂后来 的燃煤煤种 与设计 煤种偏差很大 ， 硫份大幅高于设计煤种 、 煤 的发热 量大幅低于设计煤 种 ， 满负荷 时的总给煤量有时 高达 3 5 0 t ／ h ， 长期在 3 1 0 t ／ h左右 ， 入炉煤硫份长 期高于2 ． 0 ％ 以上 ， 有时高达 3 ． O ％， 原有 的脱硫 系统无法满足脱硫需求。 2 ． 2 针对 问题技改后的现有系统 针对实际燃用煤种大幅偏离设计煤种 、 硫份 大幅高于设计煤种硫份 、 且石灰石系统的出力达 不到设计 出力 的实际情况 ， 我们对系统进行了改 造。我厂的输煤皮带分为甲乙两路皮带 一运一 备 ， 在每路皮带 的 1号皮带上各 自增加两套石 灰石添加系统 一运一备 。将原有 的石灰石 系 统命 名为炉 内二级 石灰石 系统 ， 添加粒 径小 于 1 m m的细石灰石粉 ； 将输煤皮带处新增加的石灰 石 系统命名 为一级石 灰石 系统 ， 添加粒 径小 于 3 m m以下粗石灰石粉。 3 S O ， 优 化控制策 略 3 ． 1 我厂 目前环保排放要求和控制方法 我厂从 2 0 1 4年 0 5月 1 5日开始执行环保新 标准 S O 2排 放小 于 2 0 0 m g ／ i n ； N O x排 放小 于 2 0 0 m g ／ I n ； 粉尘小 于 3 0 m g ／ 1 T I 。 控制方法 通过煤场配煤 控制人炉煤硫份不 大于 2 ． 5 ％ ， 低位发热量在 1 0 ． 5 MJ ／ k g 左右， 且掺 配必须均匀、 硫份 和热值稳定不 波动 。按照人炉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 张勇 3 0 0 MW循环流化床锅炉炉内脱硫探讨 2 7 煤硫份在输煤皮带上加入石灰石粗粉粗调 S O ， 排 放量。经过二级石灰石细粉的添加量和增减送风 量控制烟气含氧量来细调 S O 排放量 。调整入炉 煤硫份的滞后性最大 ， 其次是根据硫份调整一级 石灰石粗粉 ， 调整二级石灰石粉的滞后性较小 ， 滞 后性最小的是增加送风量提高过量空气系数 ， 此 方法最及时也是 目前 运行人员采用 的最 基本方 法 ， 但采用此方法不经济 。此外 、 在石灰石添加量 与风量充足的情况下通过调整锅炉床温与控制上 下二次风 比能将 S O 控制在较为稳定理想的排放 值内。 3 ． 2 S O ， 控制策略探讨 影响 S O ，的排放量 因素有 石灰石粉的粒径 和入炉煤 的粒径 ； 分 级配风分段 燃烧 ； 脱硫剂特 性 ； C a ／ S摩尔比； 床 温； 床压 ； 风速和过量空气系 数 ； 物料循环倍率 ； 给料方式等等。 1 降低石灰石粉的粒径 ， 增大 了脱硫气固反 应的表面积 ， 减短 了微孔内的等效孔长度、 减小了 扩散 阻力 ， 可以提高钙的利用率提高脱硫效率。 但石灰石粒度太小飞灰逃逸量将会显著增加 ， 增 大静电除尘器负担 ， 部分石灰石粒度还未反应就 随烟气排出， 钙 的利用率 降低脱硫效率下降。另 外 、 石灰石粒度太小流动性不好在输煤皮带处靠 机械添加的石粉容易堵塞设备。入炉煤粒径较大 时， 颗粒破碎加剧 、 不利于燃烧 、 也不利于脱硫 ， 而 且床压将增加 ， 给排渣系统增加了负担 ， 排渣损失 增加。给煤粒度过小或煤中细颗粒份额太大会造 成锅炉床温升高使脱硫效率下降。 2 分级配风分段燃烧是 3 0 0 MW 循环流化床 裤衩腿型锅炉的一大特点， 它的好处是能够降低 N O 的排放 ， 但对炉 内脱硫来说是不利的。这是 因为分段配风将会使炉膛密相区下部有一段区域 在设计上就将此段 区域设计 为厌氧燃烧 ， 在氧量 不足的情况下煤 中硫份燃烧先生成 H S， H S与 C a O反应生成 C a S再和 0 反应生成 C a S O 被 固 定 ， 这样延长了反应时间， 而硫份 的燃烧产物 S O 在炉 内的停 留时间是当锅炉工况稳定后就已基本 确定 ， 延长脱硫化学反应 时间直接导致部 分 S O ， 还未被反应紧固就 随烟气排出， 增大了烟气 中的 S O 排放量 ， 从 而降低 了脱硫效率 。在氧量充足 的情况下硫份燃烧直接生成 S O ， S O 与 C a O反 应直接生成 C a S O ， 提 高了整个脱硫化学反应速 度， 从而提高脱硫效率 。另外 、 C a S O 在还原性气 氛中、 当 0 分压力小于 1 0 P a时会与煤 的燃烧产 物 C O 发生反应从新生成 S O C a S O 4CO 2 C a O S 0 2C O 所以， 从对脱硫有利的方 面考虑应该尽量加 大锅炉下二次风量 的配 比、 减少还原性气氛区域 的缺氧程度 ， 可以提高脱硫效率。 3 脱硫剂特性对脱硫效率也有很大影 响， 参 烧 C a C O 纯度高 、 煅烧之后形成的 C a O具有多孔 隙结构 、 比表面积 、 空径分布空隙率大、 反应活性 好的石灰石 ， 脱硫效率高 ， 反之则脱硫效率较低。 4 C a ／ S摩尔 比的高低直接反应炉 内脱硫所 需的材料是否 充足 ， 理论 上 C a ／ S摩尔 比为 1就 行 ， 但实际上 由于各种 因素 的影响很 多钙分子还 未与硫分子结合就被排除炉外。部分 S O ， 也会还 未反应被固定就随烟气排 出造成污染 。经过我厂 大量的脱硫试验数据得出 以下结论 燃烧煤种的 硫份不同脱硫所需 的最佳 C a ／ S摩尔 比也不 同， 每个煤种都有一个最佳 C a ／ S摩尔 比， 一般情况 下 ， 随著燃煤硫 份 的增加最佳 C a ／ S摩 尔 比也会 增加 。当 C a ／ S摩尔 比低 于最佳 C a ／ S摩尔 比时 ， 增加 C a ／ S摩尔 比将会 提高脱硫 效率 ， 烟气 S O 的排放会 明显 降低 ； 但 当 C a ／ S摩 尔 比高于最佳 C a ／ S摩尔比后再增加 C a ／ S摩尔 比， 烟气 S O 的 排放值变化就不明显 了， 且这 时会造成脱硫材料 的使 用率降低 ， 不但 不经济对资源也是种浪费。 但 C a ／ S摩 尔 比低 了又满足 不 了炉 内脱硫 的需 求。 5 床温对循环流化床脱硫效率的影 响 锅炉 的床温越高脱硫化学反应速度越快 ， 但 由于脱硫 产物 C a S O 的单位摩尔体积 比 C a O的大很多 ， 当 温度太高时将在 C a O颗粒表面快速生成脱硫产 物 C a S O 堵塞 C a O颗粒表面的孔 隙， S O 气体难 以到达 C a O颗粒 内部与之反 ， 应使脱硫剂失效 ， 造成钙的利用率降低脱硫效率下降。因此 、 循环 硫化床锅炉 的床温不能太高 。但 床温也不能太 低 ， 床温低了脱硫化学反应的速度也低 ， 这样部分 S O 还未反应被 固定就 随烟气排 出， 这也会导致 脱硫效率下降钙的利用率降低。 6 床压对循环流化床脱硫效率的影响 锅炉 床压越高、 脱硫材料 C a O随床料 留在炉 内的数量 就越多 ， 燃烧产物 s 0 就越容易与之结合反应被 固定 ， 但床压上升后一次风机的出力将会大幅上 升 、 从而导致机组厂用 电率上升 ， 这是不经济的。 降低锅炉床压 、 部分脱硫材料 C a O颗粒还未被利 用就被排除锅炉， S O 气体与 C a O结合的几率降 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 锅炉制造 总第 2 4 8期 低 ， 造成脱硫材料的利用率降低 、 烟气 S O ， 排放量 将增加 。而且床压降得太低后锅炉燃烧不稳定 、 会酿成不安全事件 。 7 风速和过量空气系数影响 过量空气 系数 对 S O 析出的影响很大 ， 从而影响到 2 S 0 2 C a O O 2 C a S O 的反应时间。过量空气系数高有 利于 S O 的析出， 而且氧化性气氛区域增加 ， 脱硫 效率将提高。但随着过量空气系数的提高锅炉的 排烟损失和飞灰损失将增大、 厂用电率将上升 ， 锅 炉的经济性下降 、 不利于节能降耗 。过量空气系 数低不利于 S O 的析 出、 而且还原性气氛 区域增 加 ， 脱硫效率将降低 。当机组负荷一定时 ， 风速就 基本确定了 ， 要改变风速只能改变锅炉过量空气 系数 。 8 循环倍率对脱硫效率的影 响 循环倍率在 锅炉设计时就已确定 ， 另外循环倍率和机组负荷 有很大联系 ， 要改变只有大幅调整风量 ， 所 以可操 作性不大。 9 给料方式的影响 石灰石和煤先掺配好一 起进入锅炉这样掺配比较均匀 、 有助于提高脱硫 效率 ， 给煤与石灰石粉分开分别进人炉膛脱硫效 率将降低； 二级石灰石粉直接进入炉膛由于石粉 的颗粒很小飞灰逃逸量加大 ， 加至在 回料 阀或给 煤线刮板 内与煤和物料混合后进人炉膛 ， 这样混 合 比较均匀 ， 且在 回料阀就已经开始了预热 ， 脱硫 效率会提高。 3 ． 3 提出的建议 1 建议在输煤一级石灰石系统处添加 3 m m 以下的石灰石粉 ， 且必须控制粒径分布 0～1 m m 的比例 为 8 0～9 0 ％ ； 1～3 mm 的 比例 为 1 O～ 2 0 ％ ； 平均粒径应在 3 0 05 0 0 m之间 ， 这样 就 能保证脱硫效率 、 又能防止添加系统堵粉。二级 石灰石系统添加 1 m m 以下 的石灰石粉 ， 平均粒 径 1 0 0～ 3 0 0 m之 间。如燃 用褐煤给煤粒径 应 控制在 5 0 mm以内， 有利于脱硫效率的提高同时 还能将锅炉的床压控制在理想值 内。 2 将锅炉床压降低至 6 7 K P a ， 同时降低一 次风压 、 适 当加大一次风量 ， 加大下二次风 比、 降 低上二次风比； 适当降低外侧二次风的比例， 加大 内侧二次风的比例 ， 达到提高锅炉下部和炉膛 中 心的供氧量、 减小还原性气氛区域的缺氧程度 ， 增 大氧化性区域 ， 达到提高脱硫效率的 目的。 3 掺烧纯度高 ， 煅烧之后形成 的 C a O具有多 孔隙结构、 比表面积 、 空径分布空隙率大 ， 反应活 性好的石灰石。 4 C a ／ S摩尔比控制在 1 ． 52之间 ， 入炉煤 硫份高时 C a ／ S摩尔 比按 上限控制 ， 人 炉煤硫份 低时 C a ／ S摩尔 比按下 限控制。这样既能达到脱 硫的要求又不造成资源浪费。 5 我厂经过大量 的试验、 3 0 0 M W 循环流化床 裤 衩腿 型锅 炉 燃用 褐煤 时 的最 佳脱 硫 床 温是 8 1 0 q C。而且低床温运行还 有助于 降低 N O 的 排放。 6 将炉膛 出口的含氧量控制在 1 ． 5～ 2 ． 5 ％ 之间 ， 既能保证脱硫效率又能满足锅炉经济运行 ， 发挥循环流化床锅炉能低氧运行的优势。当 S O ， 排放控制不下来时及时增加一级石灰石粉添加量 或降低入炉煤硫份， 不能长期使烟气含氧量高于 2 ． 5 ％以上运行 ， 这样对锅炉经济运行不利。 4 结 语 煤炭是我国最主要 的一次能源 ， 且大多数 煤 都是热值较低的贫煤， 而循环流化床锅炉的适用 煤种广 ， 它有不灭火和能在炉 内脱硫的优点 ， 不再 需要进行烟气脱硫、 减少了投资， 最近几年在我国 相继投产了不少 国产化后 的 3 0 0 MW 循环流化床 锅炉 ， 在四川 I 白马投产 了首 台 6 0 0 M W 循环 流化 床锅炉。另外 、 随着国家对环保要求的提高， 循环 硫化床锅炉炉内脱硫 的优点更加显现 ， 而且循环 流化床锅炉 的运行温度低 ， 可设计成分段燃烧 、 这 样大大降低 了 N O 排放。但如何优化控制好循 环流化床锅炉的环保排放是我们从事这方面工作 的所有人员必须研究 的课题 。 参考文献 [ 1 ] 陈克仁． 循环流化床锅炉设计 、 调试 、 运行与检修维 护技术实用手册、 当代中国音像出版社 、 2 0 0 4 ． [ 2 ] 张海生、 火力发电厂节能减排标准参照与节能技术 监督导则及指标 评价 管理 实施 细则 、 电力 出版社 、 2 01 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m