循环流化床(CFB)锅炉燃烧温度较低,可有效控制煤燃烧过程中产生NOx ,还可直接将石灰石加入炉膛内进行脱硫,且具有燃料适应性广、燃烧效率高等优点,因而得到广泛应用。但CFB锅炉的传统干法脱硫方式是将石灰石粉直接掺入燃煤中,随同燃料一起进入炉膛进行脱硫,或者向炉膛密相区加入粒径约1mm的石灰石粉进行脱硫,脱硫效率很低,难以达到环保要求。
1 CFB锅炉脱硫工艺分析
1. 1 脱硫工艺流程
兖矿国宏化工公司锅炉原设计脱硫系统流程为:石灰石粉先送到受料坑,经电磁振动喂料机送入斗式提升机垂直提升29m,然后转入水平方向的铸石刮板机,再通过电液推杆平板闸门进入石灰石仓。石灰石仓内的石粉通过圆盘给料机进入锅炉给煤机,随同燃料煤进入锅炉炉膛。
1. 2 石灰石成分
兖矿国宏化工公司脱硫用石灰石入炉粒度要求不大于1mm,设计石灰石成分见表1。
2 系统缺陷分析
2. 1 石灰石输入方式及设备缺陷分析
石灰石粉通过给煤机随同燃煤一起进入炉膛。当锅炉为正压给煤,石粉进入给煤机的手动插板阀打开时,热烟气会从炉膛内反串出来经插板阀缝隙喷出,使大量石粉及细小煤粉外泄,不仅污染环境, 且浪费原料;即使插板阀密封严实,由于给煤机内呈正压状态,石灰石粉下料不畅,造成脱硫系统调节困难,达不到预期的脱硫效果。
煤中水分在锅炉反串热烟气的烘烤下蒸发,与细煤粉一起形成煤泥状,粘结在下料管内壁,严重影响石灰石下料,甚至堵塞管道。再者,炉前给石灰石的脱硫系统大量采用刮板、链条,如斗提机链条长度约85m且垂直安装,所以,运行中极易发生断链或卡链等设备事故。该厂石灰石系统的斗提机在连续运行不到48 h就发生过2 次断链及链条磨损导致轴承不传动等事故,检修频繁、操作难度大。
2. 2 脱硫反应部位不适宜
由于锅炉自身燃烧风量、负压等因素影响,直接将石灰石掺入燃煤进入锅炉炉膛密相区内,石灰石无法形成很好的流场,不能充分与SO2 接触并发生反应,而且,炉膛密相区也不能提供最佳的脱硫反应条件(温度、流场、接触面积等) 。
对炉膛内烟气成分分析发现,在密相区,固态硫反应产生的主要是H2 S,而SO2 主要是在O2 充足的二次风上部至炉膛出口区域产生。同时,由于加入的石灰石粒径较大,脱硫气固反应的表面积减小,导致炉膛下部密相区的脱硫效果非常差。此外,该区域反应温度高,石灰石与SO2 反应生成的CaSO4 会重新分解成CaO和SO2 ,使得脱硫效果变差。
2. 3 石灰石耗量大,运行成本高
首先,从国内同类型循环流化床锅炉脱硫效果看,如果要达到一定的脱硫效果,必须长时间连续不断地添加石灰石粉。大量的石灰石会在料层中分解,造成床温下降,影响锅炉负荷,并且石灰石耗量大,会使Ca /S摩尔比增大,运行成本增加。
其次,大量的石灰石粉直接进入密相区发生反应生成CaSO4 ,锅炉放渣量会增大,增加了灰渣物理热损失,影响燃烧工况。该厂锅炉满负荷运行时石灰石给料量设计值为1. 8 t/h,在达到设计钙硫摩尔比2. 5、脱硫效率90%的情况下,与不加石灰石相比,锅炉要多放渣1. 5 t/h左右,由此加大了运行人员的劳动强度,加快了锅炉辅机(冷渣、输渣系统) 的磨损,同时也加剧了锅炉受热面的磨损,影响了循环流化床锅炉的运行周期。
3 系统改进
3. 1 技改方案
(1)改变石灰石输入方式及输入部位。将石粉通过气力输送方式加入炉膛密相区上部烟气侧。此种输入方式可以达到以下效果:一是保证了石粉的均匀输入,便于脱硫系统的调节控制;二是保证石粉与烟气充分混合以达到较高的脱硫效率。根据炉膛内温度场的分布,石粉输入点设在锅炉前后墙二次风支管部位最为合适,此点温度一般在900 ℃左右, 处于石灰石与SO2 最佳反应温度区域,且从二次风口气力输入的石粉,进入炉膛后能与烟气充分混合, 并有充足的反应时间。
(2)减小脱硫剂粒径。由试验结果得知,脱硫剂粒径在200～250目时,可以有效增大脱硫气固反应的表面积,提高脱硫效率。
3. 2 试验过程
2008年6月,我们在2号炉上进行技改试验。 6月4日16 ∶30,烟气在线检测显示SO2 质量浓度 540mg/m3 ,此时开始向2号炉内输送石灰石粉,大约5min后,烟气SO2 质量浓度为450mg/m3 ; 10min 后为386mg/m3 ,同时在2 号炉尾部烟道引风机入口处就地检测SO2 质量浓度为356mg/m3 ,达到排放标准。17 ∶30, 在线检测显示烟气中SO2 为 248mg/m3 ,就地实测为120mg/m3。18 ∶40 停止石灰石供料,试验结束。试验期间,我们对锅炉的运行参数进行了检测,结果表明,试验未对锅炉运行造成较大影响。
4 结语
从本次技改试验结果看,基本消除了循环流床锅炉传统干法脱硫工艺的缺陷。
(1)减少了石灰石的消耗量,同时降低了锅炉运行人员的劳动强度。
(2)减少了锅炉辅机(冷渣、输渣系统)和锅炉受热面的磨损,延长了锅炉运行周期,同时也降低了锅炉维修费用。
(3)提高了锅炉烟气脱硫效率,实现了达标排放,取得了较好的经济效益和社会效益。
1 CFB锅炉脱硫工艺分析
1. 1 脱硫工艺流程
兖矿国宏化工公司锅炉原设计脱硫系统流程为:石灰石粉先送到受料坑,经电磁振动喂料机送入斗式提升机垂直提升29m,然后转入水平方向的铸石刮板机,再通过电液推杆平板闸门进入石灰石仓。石灰石仓内的石粉通过圆盘给料机进入锅炉给煤机,随同燃料煤进入锅炉炉膛。
1. 2 石灰石成分
兖矿国宏化工公司脱硫用石灰石入炉粒度要求不大于1mm,设计石灰石成分见表1。
2 系统缺陷分析
2. 1 石灰石输入方式及设备缺陷分析
石灰石粉通过给煤机随同燃煤一起进入炉膛。当锅炉为正压给煤,石粉进入给煤机的手动插板阀打开时,热烟气会从炉膛内反串出来经插板阀缝隙喷出,使大量石粉及细小煤粉外泄,不仅污染环境, 且浪费原料;即使插板阀密封严实,由于给煤机内呈正压状态,石灰石粉下料不畅,造成脱硫系统调节困难,达不到预期的脱硫效果。
煤中水分在锅炉反串热烟气的烘烤下蒸发,与细煤粉一起形成煤泥状,粘结在下料管内壁,严重影响石灰石下料,甚至堵塞管道。再者,炉前给石灰石的脱硫系统大量采用刮板、链条,如斗提机链条长度约85m且垂直安装,所以,运行中极易发生断链或卡链等设备事故。该厂石灰石系统的斗提机在连续运行不到48 h就发生过2 次断链及链条磨损导致轴承不传动等事故,检修频繁、操作难度大。
2. 2 脱硫反应部位不适宜
由于锅炉自身燃烧风量、负压等因素影响,直接将石灰石掺入燃煤进入锅炉炉膛密相区内,石灰石无法形成很好的流场,不能充分与SO2 接触并发生反应,而且,炉膛密相区也不能提供最佳的脱硫反应条件(温度、流场、接触面积等) 。
对炉膛内烟气成分分析发现,在密相区,固态硫反应产生的主要是H2 S,而SO2 主要是在O2 充足的二次风上部至炉膛出口区域产生。同时,由于加入的石灰石粒径较大,脱硫气固反应的表面积减小,导致炉膛下部密相区的脱硫效果非常差。此外,该区域反应温度高,石灰石与SO2 反应生成的CaSO4 会重新分解成CaO和SO2 ,使得脱硫效果变差。
2. 3 石灰石耗量大,运行成本高
首先,从国内同类型循环流化床锅炉脱硫效果看,如果要达到一定的脱硫效果,必须长时间连续不断地添加石灰石粉。大量的石灰石会在料层中分解,造成床温下降,影响锅炉负荷,并且石灰石耗量大,会使Ca /S摩尔比增大,运行成本增加。
其次,大量的石灰石粉直接进入密相区发生反应生成CaSO4 ,锅炉放渣量会增大,增加了灰渣物理热损失,影响燃烧工况。该厂锅炉满负荷运行时石灰石给料量设计值为1. 8 t/h,在达到设计钙硫摩尔比2. 5、脱硫效率90%的情况下,与不加石灰石相比,锅炉要多放渣1. 5 t/h左右,由此加大了运行人员的劳动强度,加快了锅炉辅机(冷渣、输渣系统) 的磨损,同时也加剧了锅炉受热面的磨损,影响了循环流化床锅炉的运行周期。
3 系统改进
3. 1 技改方案
(1)改变石灰石输入方式及输入部位。将石粉通过气力输送方式加入炉膛密相区上部烟气侧。此种输入方式可以达到以下效果:一是保证了石粉的均匀输入,便于脱硫系统的调节控制;二是保证石粉与烟气充分混合以达到较高的脱硫效率。根据炉膛内温度场的分布,石粉输入点设在锅炉前后墙二次风支管部位最为合适,此点温度一般在900 ℃左右, 处于石灰石与SO2 最佳反应温度区域,且从二次风口气力输入的石粉,进入炉膛后能与烟气充分混合, 并有充足的反应时间。
(2)减小脱硫剂粒径。由试验结果得知,脱硫剂粒径在200～250目时,可以有效增大脱硫气固反应的表面积,提高脱硫效率。
3. 2 试验过程
2008年6月,我们在2号炉上进行技改试验。 6月4日16 ∶30,烟气在线检测显示SO2 质量浓度 540mg/m3 ,此时开始向2号炉内输送石灰石粉,大约5min后,烟气SO2 质量浓度为450mg/m3 ; 10min 后为386mg/m3 ,同时在2 号炉尾部烟道引风机入口处就地检测SO2 质量浓度为356mg/m3 ,达到排放标准。17 ∶30, 在线检测显示烟气中SO2 为 248mg/m3 ,就地实测为120mg/m3。18 ∶40 停止石灰石供料,试验结束。试验期间,我们对锅炉的运行参数进行了检测,结果表明,试验未对锅炉运行造成较大影响。
4 结语
从本次技改试验结果看,基本消除了循环流床锅炉传统干法脱硫工艺的缺陷。
(1)减少了石灰石的消耗量,同时降低了锅炉运行人员的劳动强度。
(2)减少了锅炉辅机(冷渣、输渣系统)和锅炉受热面的磨损,延长了锅炉运行周期,同时也降低了锅炉维修费用。
(3)提高了锅炉烟气脱硫效率,实现了达标排放,取得了较好的经济效益和社会效益。
