循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫的研究

循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫的研究

D iscu s si on on the add i ng li m e s tone de s u l fu r iza t ion in CF B bo i le r

于树辉

(山东电力工程咨询院有限公司,山东济南250013 )

摘要:分析了循环流化床锅炉的特点和脱硫原理,探讨了循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫系统中存在的问题

及影响脱硫效率的因素,提出提高循环流化床锅炉炉内脱硫效率的措施。

关键词:循环流化床锅炉;石灰石;脱硫效率;影响因素;对策措施

Abs trac t: The p rincip le s and cha racte ristic s of Circula ting Fluidized Bed(CFB)bo ile r we re ana lyzed. The p rob 2lem s existed in the CFB bo ile r de sulfuriza tion sys tem tha t added lime s tone in the bo ile r we re discus sed. The fac 2to rs influenced the de sulfuriza tion effic iency we re ana lyzed. Some counte rmea sure s to imp rove the de sulfuriza 2tion effic iency of CFB bo ile r we re p ropo sed.

Key wo rds: CFB bo ile r; lime stone; de sulfuriza tion effic iency; influencing facto r; counte rmea sure

中图分类号: X701. 3文献标识码: B 文章编号: 1674 - 8069 ( 2010 )01 - 045 - 04

循环流化床( C F B )燃烧技术是最近几十年发展起来的一种新型燃烧技术,由于循环流化床锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、高效脱硫的特点,因此近年来有了很大的发展。其应用范围从小型工业流化床锅炉发展到大型电站锅炉,投入运行的最大容量为300MW。截至2008年底,已有与300MW 机组配套的18 台循环流化床锅炉投入运行。流化床燃烧技术也从第一代鼓泡床(俗称沸腾床) 发展到第二代循环床。

1循环流化床燃烧特点和脱硫原理

1. 1 循环流化床燃烧优点

循环流化床燃烧技术具有一些常规的煤燃烧技术(如层燃和煤粉燃烧)所不具备的优点,如具有脱硫、脱硝功能,燃料适应性强,可燃烧劣质煤,负荷调节性能强等。

( 1 )具有脱硝功能。循环流化床的燃烧特点是任何时候流化床内惰性热物料都占全部床内固体物料的97 %～98 % , 因而, 可以将温度控制在800 ～

900 ℃的范围内, 并保证稳定和高效的燃烧。这种低温燃烧方式可以有效地抑制NO

x

的生成和排放,

循环流化床锅炉NO

x

的生成量很小,仅占煤粉锅炉燃烧的1 /3～1 /4。

( 2)具有脱硫功能。由于循环流化床燃烧温度正好是石灰石/石灰脱硫反应的最佳温度,因而在床内加入石灰石或白云石可有效地脱除在燃烧过程中生成的S O

2

。

( 3 )燃料适应性强。由于循环流化床床内惰性物料的巨大热容量,以及流态燃烧过程中十分良好的传热、传质和混合过程,因此循环流化床虽然是一种低温燃烧方式,但它却可以燃用一切种类的燃料并达到较高的燃烧效率,其中包括高灰分、高水分、低热值、低灰熔点的劣质燃料(如泥煤、褐煤、油页岩、木屑、洗煤厂的煤泥、洗矸、煤矿的煤矸石等) ,以及难以点燃和燃尽的低挥发分燃料(贫煤、无烟煤、石油焦和焦炭等) 。

( 4 )负荷调节性能强。负荷可在30 % ～115 % 之间进行调节。可以在锅炉负荷40 %以上的情况下,使蒸汽温度正常; 锅炉负荷调节速率也快,一般每分钟可达4 %的调节速率。

1. 2 循环流化床锅炉存在的问题

( 1 )初投资大。由于循环流化床的炉膛内传热系数与炉内沿炉膛高度的气固浓度比密切相关,炉膛上部稀相段的传热系数远小于下部浓相段的传热系数,再加上温度低、烟气流速高、床截面小,因而必须增加炉膛高度,否则四周墙面不足以满足受热面面积要求,从而增加了锅炉的初投资。

( 2 )耗电量大。循环床的分离循环系统比较复杂,且布风板及系统阻力较大,使锅炉自身耗电量增大,约为机组发电量的7 %左右, 导致运行费用增

45

加,耗电量增大。

( 3 )磨损及腐蚀。由于床内流速高、固体颗粒浓度大以及为控制NO

x

排放而采用分级燃烧使炉膛内存在还原性气氛的区域等因素,会造成进风风帽等部位的磨损及受热面与吊挂管的磨损与腐蚀, 导致循环流化床锅炉检修率较高。

综上所述,循环流化床由于能在低温下燃烧等一系列特点,它虽然存在一定的问题,但仍不失是当前在燃烧中脱硫的最佳燃烧方式。

1. 3 循环流化床锅炉的脱硫原理

循环流化床燃烧脱硫技术是指在循环流化床锅

炉中将石灰石(石灰) 等原料粉碎成与煤粉同等细度,参入煤中在炉内同时燃烧,在800 ～900 ℃时,石

灰石受热分解成CO

2

,及多孔CaO , CaO 与S O2 发生

反应生成CaS O

4

。由于循环流化床锅炉带有高温除尘器(旋风分离器) ,可使飞出去的未完全反应的脱硫剂又返回炉膛循环利用,同时,循环流化床较低的燃烧温度确保CaO 不会烧结, 从而提高了脱硫效率。其化学反应式如下:

C a CO

3 C a O + CO

2

( 1)

C a O + 1 /2O

2 + S O

2

C a S O

4

( 2)

( 1 )式为吸热反应,石灰石CaCO

3

分解为CaO

和CO

2

的热分解温度为880 ℃左右。( 2 )式中CaO

与S O

2

反应的最佳温度是800～850 ℃。由于循环床内的烟气流速为4. 5 ～7. 0 m / s,可

以把相当数量的固体颗粒带出炉膛。安装在炉膛出口处的高效分离器能将被气流带出的固体颗粒分离出来,再将其送回炉膛底部,以维持炉膛内床料总量不变的连续工作状态。

在循环床运行工况下,整个炉膛内除了气体向上流动外,固体颗粒亦向上流动,此时气、固两相之间存在的相对速度称为滑移速度。气、固两相混合物的密度不单纯取决于流化速度,还与当时颗粒的质量流率有关。在一定的气流速度下,质量流率越大,则床料密度越大;固体颗粒的循环量越大,则气、固间滑移速度也越大。固体颗粒的聚集和团聚作用是循环床内颗粒运动的一个特点。研究表明,当床料密度为8 ～10 kg /m3 时, 床内细颗粒就会团聚成大粒子团。粒子团由于重量增加、体积加大,具有较大的自由沉降速度。在一定的气流速度下,大粒子团不是被吹上去, 而是逆着气流沿炉墙向下运动。这些粒子团在沿着炉墙向下运动过程中,气、固间产

46 生较大的相对速度,然后被上升的气流打散成细颗粒,再有气流带动向上运动,又聚集成粒子团,再沉降下来,这种粒子团不断聚集、下沉、吹散、上升又再聚集的物理过程,使循环床内发生强烈的热量和质量交换。由于粒子团沿炉墙沉降和边壁效应,循环床中气、固流动形成近炉壁处很浓的粒子团以旋转状向下运动,炉膛中心则相对较稀的气固相向上,产生一个强烈的炉内循环运动,大大强化了炉内的传热和传质过程,使刚进入炉内的新鲜燃料和脱硫剂颗粒在瞬间即被加热到850 ℃的炉膛温度,并保证了在整个炉膛内纵向和横向都具有十分均匀的温度分布,从而使脱硫剂和S O

2

的脱硫反应能够在整个炉膛内和分离器内进行。

由于循环流化床锅炉中被烟气带出的细颗粒能在旋风分离器中被分离出、来并被送回炉内再利用, 因而大大延长了脱硫剂的停留时间。在炉膛内的内循环和整个物料通过旋风分离器的外循环过程中, 脱硫剂的颗粒会被磨碎而出现新的反应表面,而在整个固体物料的循环系统内有着均匀的温度分布, 这一切大大地改善了脱硫性能,提高了脱硫剂的使用效率。

2循环流化床燃烧脱硫的影响因素及对策循环流化床燃烧脱硫一般采用添加石灰石的方法。其脱硫效率的影响因素主要是石灰石输送添加方式、钙硫比( Ca / S) 、石灰石的颗粒度、石灰石的品质(活性) 、煤中硫分、燃烧温度、循环流化床锅炉循环倍率等。

2. 1 石灰石输送系统对脱硫效率的影响及其对策

石灰石输送系统一般分两级料仓石灰石输送系统和单级料仓石灰石输送系统两种。

两级料仓石灰石输送系统分为石灰石粉库(锅炉房外)至中间粉仓的前置段输送和中间粉仓至锅炉炉膛的后置段输送两个部分。前置段输送采用空压机做为输送用气动力源进行定容间断输送; 后置段输送采用罗茨风机做为输送用气动力源进行可定量调整的连续输送。

两级料仓石灰石输送系统主要是由储料仓、正压气力输送系统、炉前仓、喷吹系统、电气控制系统等组成。物料采用罐车压送到储料仓,再由正压气力输送系统输送至炉前仓,最后经喷吹系统吹送入炉膛。整个系统采用P LC 程序控制。输送系统是