循环流化床锅炉脱硫的试验研究.pdf

循环流化床锅炉脱硫的试验研究 马林转 宁 平 卿 春 昆明理工大学环境工程学院, 云南 650093 摘要 本研究是在1 台75 t h CFB锅炉上进行炉内添加石灰石脱硫工业实验, 得出燃烧高硫无烟煤时Ca S、床温、煤中 含硫等对脱硫效率的影响。 在对实验结果进行分析的基础上, 提出了燃用高硫煤的循环流化床 CFB 锅炉实际应用 炉内脱硫最佳 Ca S 和最佳控制参数。 关键词 脱硫 Ca S CFB 锅炉 无烟煤 1 前言 1. 1 概述 循环流化床锅炉由于其燃料适应性广、 可调节性 能好、高效清洁燃烧, 近些年来得到了飞速的发展。 云天化股份公司于 2003 年 1 月建成了第 3 台 BT-75 4. 4- M 循环流化床锅炉。 云天化一直以来使用的都是硫含量 20 MJ kg 和较高含硫量 约 2～ 4 的煤炭作 为燃料。使SO2排放超标, 因此 SO2在循环流化床燃 烧过程中的脱除成了锅炉清洁燃烧达标排放的关键。 为了降低 3 炉烟气中二氧化硫, 特进行锅炉脱 硫的工业实验 , 以得到燃烧含硫量为 2～ 4的高 硫无烟煤时的最佳 Ca S 。在对实验结果分析的基础 上,提出锅炉在燃烧过程中脱硫最佳的Ca S 、 床温 、 床 压等控制参数, 使锅炉能在燃烧过程中进行脱硫并达 标排放, 保障锅炉安全、稳定 、长周期、清洁 、优质的 运行 。 1. 2 锅炉系统流程 锅炉设有两套给煤、给料系统, 均为密封型。原 煤仓下来的煤经一级给煤机、二级给煤机 ,最后与回 料系统返灰混合 ,各分两路,从 4 个给料口进入炉膛。 一级给煤机为变频调速控制, 在进入炉膛的混合物料 中,煤占 9份额 , 返料占 91份额。未设石灰石粉 添加系统 。 2 脱硫系统设计方案 2. 1 脱硫系统流程简介 本脱硫系统采用“正压稀相气力输送技术”输送 石灰石粉, 如图 1 所示 。 图1 云天化CFB 锅炉脱硫系统流程简图 输送的工艺路线为 石灰石粉料自料仓出料口的 插板阀落入电动旋转给料机以及喷射加速器内,罗茨 风机提供动力气源 风量约为 8. 7 m 3 min; 风压约为 54 kPa 。该气力输送系统以平均约 2 t h 的能力, 通 过 DN80 的管道, 将石灰石粉料输送至水平距离约 30 m 、 垂直提升约 15 m 的锅炉炉膛内, 电动旋转给料 机配以变频调速装置 ,根据锅炉出口烟气二氧化硫含 量的高低相应动态地改变石灰石粉的输送量 。 2. 2 实验主要设备和实验用煤及石灰石 2. 2. 1 实验主要设备 本次炉内脱硫工业性实验在云天化 3 锅炉上进 行,该型号为 BT-75 4. 4 - M 循环流化床锅炉 。 2. 2. 2 实验用煤和石灰石 实验时锅炉燃用煤炭为盐津煤、 磨盘石煤、镇雄煤 和绥江煤的混合煤,其煤炭的成分分析如表1 所示。 表 1 实验时 3炉入炉煤的工业分析及含硫量 水分 低位发热量 MJkg - 1 灰分 含硫量 7 . 316 . 83844. 543 . 68 在进行煤炭含硫量对二氧化硫的脱除的影响实 验时 , 煤炭的含硫量分别为 0. 78、2. 55、3. 68 47 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 和4. 13。实验用燃料的特点是热值低 、高硫 、高 灰、 高水份 。 实验用脱硫剂为云南水富县石灰石粉厂生产的 天然石灰石 ,石灰石中 CaCO3纯度为 93. 66。石灰 石粉的平均粒度 ≮100 μ m , 大部分在 0～ 2 mm, 平均 粒径为1. 47 mm 。 2. 3 实验方法 实验 根 据 不同 的 Ca S 床 温 稳 定在 850 ～ 920 ℃ 、不同的床温 Ca S 2. 5 各分为 4 组进行。 实验进行过程中锅炉负荷稳定在 75 t h 左右, 床层压 力10 200 Pa,炉膛负压在 - 500～ -200 Pa 。石灰石粉 采用气力输送到锅炉炉膛内, 并根据SO2在线分析仪 的分析结果,变频调节石灰石粉的给入量。石灰石加 入速度根据 Ca S 分别为 Ca S 1. 8, Ca S 2. 2, Ca S 2. 5,Ca S 3. 0 锅炉床温稳定在 850 ℃ ; 当锅 炉床温在 800、 850、 900、950 ℃时 Ca S 2. 5 进行实 验。在锅炉尾部垂直烟道处用M-2000 型烟气分析连 续检测SO2浓度 、 氧含量等参数, 在 DCS 操作台上显 示并控制 ,操作人员每 5 min记录一组数据。 实验用CFB 锅炉布风板至炉膛烟气出口高度有 18 m ,沿炉膛高度从下到上布置有 8 处测温截面, 分 别测量锅炉床层温度 、 炉膛下部、中部 、 蒸发管 、 高温 过热器 、 低温过热器 、高温省煤器及炉膛烟气出口温 度。每组实验时在控制室 DCS 操作台上同步记录上 述各温度、 锅炉负荷、床层压力 、一次风量 、 二三次风 量等运行参数, 记录时间间隔 10 min。 M-2000 型烟气分析仪测定的 SO2浓度是在不同 的氧含量下的数据, 分析时均需折算成氧含量为 5 即过剩空气系数 α 1. 4 的数据 。实验工况下给煤 量和石灰石粉给料机变频器输出不变, 保证入炉物料 量保持稳定,使实验具有可比性。 3 实验结果和分析 3. 1 实验结果 实验数据见表 2。 3. 2 实验分析 石灰石脱硫反应过程为 CaCO3CaO CO2 CaO SO20. 5O2CaSO4 反应速率按下式计算 Saraiva et al . ,1993 KSO20. 167πd 3K VCSO2 KV4. 9 10 5exp - 17 500 RT p SRλ SR5. 6 10 4 - 38. 4TpTp≥1 253K SR- 36. 7 10 4 35. 9TpTp≤1 253K 其中 λ 石灰石活性系数 ; KSO2 单个石灰石颗粒反应速度 ; KV 反应系数 ; SR 石灰石比表面积; TP 炉膛温度 。 表 2 实验数据 实验条件Ca SSO2排放量 mgNm- 3脱硫效率 温度850℃1. 81 07382. 5 2. 277487. 3 2. 572490. 6 3. 077590. 1 锅炉热效率86 . 48 实验条件温度 ℃ SO2排放量 mgNm- 3脱硫效率 Ca S 2. 580091186. 4 85072390. 5 90078588. 7 9501 03485. 2 锅炉热效率88 . 73 3. 2. 1 SO2浓度随石灰石加入时间的变化 由图 2 可以看出 , 石灰石进入炉膛后, SO2浓度 在 短 时 间 内 即 有 明 显 的 降 低, 5 min 内 从 1 213. 6 mg Nm 3降至 772 mg Nm3 , 说明石灰石分解和 硫酸盐化反应的速度很快 ,这是因为炉内温度高使反 应速率快。当石灰石加入后约经过 100 min 后, SO2 浓度达到某一相对稳定的值, 也就是说, 当 Ca S 2. 5 时,石灰石在炉内停留100min 左右 ,石灰石的转化率 基本不再改变,此时的脱硫效率约为 89. 9,接近此 工况平均脱硫效率 89. 7。 图 2 SO2浓度随石灰石加入时间变化曲线 3. 2. 2 床温对脱硫率的影响 如图 3,锅炉床温控制在 800～ 870 ℃ 左右有较高 48 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 的脱硫率 。当高于或低于此温度时 ,脱硫率下降。当 床温 1 000 ℃,CaSO4还会分解为 SO2, 进一步降低 了脱硫率 。故床温选择在 830～ 870 ℃间, 可有最好 的脱硫率 。 床温对脱硫效率有较大影响。因为脱硫反应有 其最佳的化学反应温度为 850 ℃, 超过此温度 ,脱硫 效率下降 。经多方面综合考虑 ,床温选择一般对燃用 高挥发分煤时选为 850 ℃ 左右, 燃用低挥发分煤时为 900 ℃。 图 3 床温与脱硫效率的关系 3. 2. 3 Ca S 摩尔比与脱硫效率的关系 不同 Ca S 比时的脱硫效率如图 4 所示 。可以看 出,随着Ca S 比的增大, 脱硫效率有明显的提高。当 Ca S 2. 2 时, 脱硫效率仅为 79. 7; 而当 Ca S 2. 5 时,脱硫效率达到了 89. 6; 当 Ca S 3. 0 时, 脱硫效 率却只有 88。实验所取得的最佳 Ca S 摩尔比为 2. 5。脱硫效率可达到90 以上。脱硫效率比燃用烟 煤低的原因是 在燃用混合无烟煤时, 锅炉床温维持 在850～ 920 ℃ 左右以提高炭粒的燃尽率和锅炉的热 效率; 而脱硫反应的最佳温度是 800 ～ 870 ℃, 温度过 高 900 ℃ 虽然使脱硫反应的速率很高, 但会导致 脱硫效率的降低和脱硫剂利用率的降低 ,主要原因是 多孔结构的 CaO 表面孔隙的过早堵塞而内孔中心 CaO 还未得到利用, 此外还有颗粒表面 O2的耗竭产 生低氧和还原性气氛 ,使已经生成的 CaSO3重新分解 为CaO 并释放出SO2。 3. 2. 4 煤中含硫量的影响 在相同的 Ca S 摩尔比下 ,含硫量越高的煤 ,其脱 图 4 Ca S 摩尔比对 SO2分布的影响 硫率也越高 。这是因为高硫煤会使炉膛内产生很高 的SO2浓度 ,因而提高了脱硫的反应速度 。如图 5 所 示 温度 900 ℃ 。 图 5 煤中S 含量对脱硫率的关系 1煤样 D , S 4. 13, CaCO3 13 mm; 2煤样 C, S 3 . 68, CaCO3 13 mm; 3煤样 B, S 2 . 55, CaCO3 13 mm; 4煤样 A ,S0. 78,CaCO3 13 mm 燃用高硫煤 ,烟气中 SO2的浓度就高, 石灰石与 SO2的反应速度较快 ; 若为低硫煤, 反应速度较慢, 此 时需要的 Ca S 就大 ,消耗石灰石也多,才能保证锅炉 相应的脱硫效率 。 3. 3 炉内添加石灰石脱硫对锅炉效率的影响 CFB锅炉炉内石灰石脱硫对锅炉效率会造成何 种影响一直是研究者和许多 CFB 锅炉运行单位所关 注的问题。根据实验中不同 Ca S 比时脱硫效率和计 算出的锅炉效率的变化见表 3。 表 3 不同 Ca S 比时锅炉效率的变化值 Ca SΔ η Ca SΔ η 1 . 8-0 . 162. 5-0 . 33 2 . 2-0 . 243. 0-0 . 40 由表 3 中数值看出 ,添加石灰石脱硫会引起锅炉 效率的降低, 但降低的数值是较小的。随着 Ca S 的 增加 , 降幅略有增加 , 当 Ca S 3. 0 时, 效率仅降低 0. 40, 并逐渐趋于缓和。由此可知炉内脱硫对锅炉 效率影响较小。 4 结论 1 CFB 锅炉炉内添加石灰石脱硫时, 其脱硫效 49 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 率随 Ca S 的增大而显著增加 ,但当 Ca S 2. 5达到最 佳的脱硫率 ηMAX89. 7 后, 再增加 Ca S , 其脱硫 率反而呈下降趋势。床温对脱硫效率影响很大,对于 云天化CFB 锅炉 ,如果床温控制较高 ,在 950 ℃以上 时,炉内的脱硫效率不高 ,在 Ca S 3. 0 时, 脱硫效率 只有 87。 2 石灰石在炉内停留一定时间 Ca S2. 5时约 100 min 后, 其转化率基本趋于稳定, 脱硫效率接近 平均值。 3 CFB 锅炉采用炉内添加石灰石的脱硫工艺引 起的热效率的降低是有限的, 其影响较小。 4 提高 Ca S 可增加脱硫效率, 但会使床温下 降。对于云天化 CFB 锅炉, 当 Ca S 2. 5 时, 不仅有 最佳的脱硫效率 , 也具有较好的温度下降率 。维持 Ca S2. 5, 可使锅炉各项运行指标在综合范围内 最佳 。 5 含硫量越高的煤,其脱硫率也越高 。 6 与常规锅炉的尾部烟气脱硫 FGD 相比, 循 环流化床锅炉炉内加钙脱硫具有设备投资省 、 占地面 积小 、 能耗低、 操作简单、无水污染等优点 。 参考文献 1 林宗虎, 徐通模主编. 实用锅炉手册. 北京 化学工业出版社, 1997. 436～ 488. 2 于临杰主编. 锅炉运行. 北京 中国电力出版社, 1998. 262～ 338. 3 冯俊凯, 沈幼庭主编. 锅炉原理及计算. 北京 科学出版社, 1998. 263～ 269. 4 刘德昌. 流化床燃烧技术的工业应用. 北京 中国电力出版社, 1999. 42～ 58. 5 邹峥, 俞建洪等. 钙硫比对循环流化床锅炉炉内脱硫影响的工业实 验. 工业锅炉,2003. 81 20～ 22. 6 P. 巴苏 S. A. 弗雷泽著. 循环流化床锅炉的设计与运行. 北京 科学 出版社, 1994. 214～ 263. 7 岑可法等. 循环流化床锅炉理论设计与运行. 北京 中国电力出版 社, 1998. 288～ 312. 作者通讯处 马林转 650093 昆明理工大学莲华校区 5 栋412 E -mail zhuanzhuan2001163. com 2005- 02-01 收稿 上接第 46页 但粉尘浓度很低, 不会增加单位时间内粉尘的排放 量。所以这种流型实现了斜向气流分布 ,能有效提高 电收尘器的效率 。 6 结论 通过 CFD 方法可以弥补模型实验的不足, 方便 地调整气流分布板参数, 实现电场内斜向气流分布, 有效提高电收尘效率 ,减小粉尘排放量 。 参考文献 1 H. J. White , 王成汉译. 工业电收尘. 北京 冶金工业出版社, 1984. 2 S. Oglesby ,G . B. Nichols, 王励前译. 电除尘器. 北京 水利电力出版 社, 1983. 3 高瑞生. 烟尘浓度分布对二次扬尘影响的探讨. 电力环境保护, 2001. 17 3 . 4 杜震宇. 电收尘器出入口气流分布对效率影响的初探. 太原理工 大学学报, 2002. 33 4 . 5 W. T. Sproull. Minimizing Rapping Losses in Precipitators at a 2000 Megawatt Coal-Fired Station. JAPCA, 1972. 22 8 . 6 L. Lind. Influence of gas distribution on precipitator perance .6th Symp. on the Transf. and Utiliz. of Partic. Contr. Techn. , 1982. 7 M. Boyd. The uation of Skewed Gas Flow Technology.Proceedings 8th International Conference on Electrostatic precipitation, May. 2001. 8 J. Lockhart ,O . Weiss. The Application of Skewed Gas Flow Technology at the Israel Electric Corp.MD -A Station.Proceedings 8th International Conference on Electrostatic Precipitation,May. 2001. 9 A. G. Hein.DustReentrainment, Gas Distrbution and Electrostatic Precipitation Perfor mance. JAPCA, 1989. 39 5 . 10 M. Sarna , E. Grys. Some Modifications of a Gas Flow in an ESP For Efficiency Improvement.Proceedings 8th International Conference on Electrostatic Precipitation,May . 2001. 11 史万明. 数值分析. 北京 北京理工大学出版社, 2002. 12 吴子牛. 计算流体力学基本原理. 北京 科学出版社,2001. 13 金忠青. N- S 方程的数值解和湍流模型. 南京 河海大学出版社, 1994. 作者通讯处 党小庆 710055 西安市雁塔路 13 号 西安建筑科技 大学环境与市政工程学院 2005- 01-04 收稿 50 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 THE COOPERATIVE EFFECT OF Fe3CATALYSIS AND MICROOGANNISM METABOLISM ON FLUE GAS DESULFURIZATIONLiu Qiwang et al 42 Abstract Under the acid condition pH 2. 0～ 2. 8, Fe3has a good catalysis oxidation to SO2; whereas Fe2 has inhibition to this reaction. DYB1 Dian Yuan Bacteria 1 in the course of breeding it with Fe2as the energy can turn Fe2 into Fe3 effectively. Combining this functionwith the above -mentioned reaction can keep on the constant concentration of Fe3and maintain circulation of desulfuration. Keywords flue gas desulfurization, Fe3catalysis, microoganism and coordinate effect STUDY ON SKEW GAS FLOW DISTRIBUTION OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR WITH CFD Dang Xiaoqing et al 45 Abstract On the basis of discussing effect of electrostatic precipitation gas flow distribution on dedusting efficiency, it is introduced skew gasflow technology which can reduce reentrainment and improve the efficiency effectively;and the gas flow distribution in electric field is simulated numerically using CFD, which provides a adjusting and parameters of distribution devices that realizing skew gas distribution in electric field. Keywords electrostatic precipitator, gas flow distribution, skew gas flow technology and CFD EXPERIMENTAL STUDY ON CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER DESULFURATION Ma Linzhuan et al 47 Abstract It was conducted that an industrial test of adding limestone to a circulating fluidized bed CFBboiler 75 t h. The effects of Ca S ratio, bed temperature and suphur content of the coal etc on the desulfuration efficiency were obtained when high -sulphor hard coal was combusted. The optimal Ca S ratio and control parameter of desulphuration under actual operation of CFB boiler were also proposed based on the analysis of the test results. Keywords desulphuration, Ca S ratio, CFB boiler and hard coal DEVELOPMENT AND APPLICATION OF AXIAL FAN AT HIGH TEMPERATURE IN WET ARRESTING DUST OF SHAFT CEMENT KILNLiu Jianshou et al 51 Abstract The article introduces a new axialfan used athigh temperature and high moisture and high dust. Itmakes use of structure ofwater cooling and lubrication and protected belt and clean dust door and so no. It features huge diameter, enormous wind and low pressure. Keywords axial fan used in high temperature, shaft cement kiln, wet arresting dust, water cooling and lubrication ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF VERTICAL WELLS AND HORIZONTAL COLLECTORS USED IN LANDFILLZhu Yan et al 53 Abstract Characteristics of two different suction systems for landfill gas in the largest landfill site of Europe are investigated. Based on field testing and data analyzing, the characteristics such as quality and quantity of the landfillgas, the suction pressure, construction and operation costs are discussed. The advantages and disadvantage of the two systems and their applicability are also summarized. The results are helpful to researchers and engineers in developing countries for their new landfill design and construction. Keywords landfill gas LFG, suction system, verticalwell and horizontal collector EXPERIMENTAL STUDY ON SOLIDIFYING FLY ASH FROM REFUSE INCINERATION BY FUEL MELTINGZhao Guangjie et al 56 Abstract Fly ash from refuse incineration is solidified in a melting furnace that takes diesel fuel as its fuel, the solidifying effect is examined. The influence of different environments on the solidifying effect is also explored. The results show that the fly ash has no toxicity after its melt solidification; acidic pH≤4. 5and alkaline pH≥11. 5environments have a greater effect on the solidification, whereas a wet one hasno obvious effect on the solidification. Keywords fly ash from refuse incineration, melt, solidification and leach toxicity RESEARCH ON THE EFFECT OF LEACHATE RECIRCULATION TECHNOLOGY ON GAS PRODUCTIONBY SEMI-AEROBIC LANDFILLHuang Qifei et al 59 Abstract A simulated large scale landfill was established according to the semi -aerobic landfilling theory. A tracer monitoring for the landfill gas concentration variation on the condition of leachate recycling as compared with that of the un-recycling in semi -aerobic landfill. The results shows that leachate recycling in semi-aerobic landfill reduces the amount of leachate, and does not cause the accumulation of NH 4-N concentration. On the other hand, leachate recycling in semi -aerobic landfill can cause the velocity of methane production faster. The methane concentration in leachate recycling system doubled than the un -recycling one. So it does good to accelerate the stabilization of landfill. Keywords semi -aerobic landfill, leachate recycling, municipalwaste solid and methane THE DESIGN AND APPLICATION OF FLY ASH -SLAG PAVEMENT CONCRETE WITHOUT 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 5,Oct. , 2005