福建无烟煤循环流化床锅炉炉内脱硫探讨

第8卷　第2期集美大学学报(自然科学版)Vol.8　No.2 2003年6月Journal of Jimei University(Natural Science)J un.2003 [文章编号]1007-7405(2003)02-0167-05福建无烟煤循环流化床锅炉炉内脱硫探讨邹　峥(集美大学机械工程学院,福建厦门361021)[摘要]针对福建无烟煤的燃烧特性,探讨循环流化床锅炉炉内脱硫中涉及的若干问题,着重对温度匹配,脱硫剂的选取,以及钙硫比和脱硫剂粒径的选取几个问题提出看法,促进此种廉价高效脱硫工艺在福建省的推广应用.[关键词]脱硫;福建无烟煤;循环流化床锅炉[中图分类号]X701.3[文献标识码]A0　引言福建省煤炭资源品种单一,多数属挥发分2%～4%的Ⅱ类无烟煤,其着火和燃尽非常困难,而循环流化床(CFB)锅炉则因其具有燃料适应性广、燃烧效率高等优点成为燃用福建Ⅱ类无烟煤的首选炉型.该炉型近几年在福建省发展很快,目前已运行的大约有46台,总蒸发量达1008t/h.另外,还有10多台正在筹建,其中以蒸发量75t/h和35t/h的占多数,这些锅炉多用于发电或热电联产,对福建省能源供应和工业发展发挥越来越大的作用.目前,在福建省计委支持下,CFB锅炉正向大型化发展,采用蒸发量460t/h CFB锅炉的1.34×105kW发电机组也已经立项并在工程招标中,计划在2005年上网发电.CFB锅炉是国内外公认的洁净燃烧设备,可以通过炉内添加石灰石,在燃烧过程中脱硫,相比采用煤粉炉尾部烟气净化装置进行烟气脱硫,这种脱硫方法系统简单,投资及运行费用低,脱硫效果好,还可以减少NO x排放.福建省属于SO2排放浓度和排放总量都要控制的所谓“两控区”,国家环保总局规定福建省每年SO2排放总量不得超过20万t,2000年已经超标.同时,随着经济发展,福建省2005年后将出现电力短缺,若建设新的大型燃煤电厂,SO2排放势必继续强劲上升.此外,这些燃煤电站将不得不投巨资建设脱硫设备,并且脱硫成本很高.为了充分利用本省无烟煤资源又达到SO2两控目的,采用炉内脱硫的CFB锅炉无疑是最好的选择,而新建电站的CFB锅炉运行时则必须采用廉价的炉内脱硫技术.但是,由于国内可借鉴的实例几乎没有,福建省CFB锅炉用户担心采用炉内脱硫会影响炉子的可靠运行和经济性,故目前已运行CFB锅炉都还没有开展炉内脱硫.笔者针对福建无烟煤的燃烧特性,探讨CFB锅炉炉内脱硫中涉及的若干问题,以促进此种廉价高效脱硫工艺在福建省的推广应用.1　福建无烟煤的燃烧特性福建省无烟煤已探明储量为1.37×109t[1],占全省煤炭资源的98.3%.福建省具有代表性的无 [收稿日期]2003-04-25[基金项目]福建省自然科学基金资助项目(E9910027)[作者简介]邹峥(1970-),女,讲师,硕士,从事能源转换与环境保护研究.烟煤与国内其它一些煤种的挥发分[1,2]比较如表1所示.表1　煤的挥发分煤种扎赉诺尔煤大同煤焦作无烟煤龙岩煤天湖山煤永安加福煤V daf /%42.3027.607.66 3.58 2.84 3.69福建无烟煤有如下特性:1)挥发分(V daf )很低,一般为2%～4%;2)挥发分析出时间长,着火难,一般着火温度在900～950℃;3)燃尽时间长;4)煤的细颗粒含量大,小于1mm 的煤粒占50%左右,0～3mm 的煤粒占70%左右;5)煤质脆,强度很低,在燃烧过程中具有强烈的爆裂特性;6)灰熔点较低,灰的变形温度(t 1)一般在1100℃左右;7)发热量较高;8)煤的含硫量很低,一般在1%以下,属于低硫煤.煤的着火和燃尽可以用燃烧特性指数S [2]反映,S 表示为:S =[(d w /d t )max c ×(d w /d t )mean c ]/(T i 2×T h )式中:(d w/d t )max c 为最大燃烧速度;(d w/d t )mean c 为平均燃烧速度;T i 为着火温度;T h 为燃尽温度.各种煤燃烧特性的优劣,与S 值的大小是相联系的,S 值越大,煤的燃烧特性也越佳.表2列出了一些煤种的S 值.表2　燃烧特性指数煤种扎赉诺尔煤龙口北皂煤平顶山煤资兴煤邵武电厂煤永安电厂煤S (×10-9)61.7324.5610.328.44 5.98 5.36鉴于福建无烟煤的上述特性,燃用该煤种的煤粉炉大都存在燃烧稳定性差、燃烧效率低、难达额定出力等问题,而实践证明,该煤种采用CFB 燃烧方式,则解决了上述问题.由于福建无烟煤的特殊性,燃用此煤种的CFB 锅炉在设计和运行操作上也有别于燃用其它煤种的CFB 锅炉,比如:需要较高的床温及炉内温度,需要较高的炉膛高度,更适合燃烧粗颗粒煤[3]等.因此,CFB 锅炉燃烧福建无烟煤时采用炉内脱硫应考虑这些特性并在实际设计运行中对相关参数进行调整.2　循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫机理CFB 锅炉炉内脱硫通常采用向炉内添加石灰石等脱硫剂在燃烧的同时实现脱硫.天然石灰石是一种致密的不规则结构,主要成份是CaCO 3.石灰石在炉内经过煅烧后分解,颗粒中CO 2析出,Ca 2CO 3颗粒就变成多孔的CaO 颗粒,孔隙率和比表面积均有极大增加.CaO 颗粒中由于大量气孔的存在,以及表面积的大大增加,一方面有利于贮集反应产物,另一方面可以使反应气体穿透至颗粒内部进行反应,因此大大加速了CaO 与SO 2反应生成CaSO 4的机会,于是原煤中的硫分就被固化为硫酸钙进入灰渣中,最后排出床层.一般而言,CaCO 3在炉温高于600℃后开始分解生成CaO [4],并随着温度的升高,分解速度加快,且CaCO 3直接与SO 2发生反应,及CaO 与SO 2发生反应的能力逐渐增强,脱硫反应速度逐渐变快.但当反应温度超过一定的数值后,尽管脱硫反应速度很快,其逆向反应速度也逐渐加快.主要反应方程式如下:分解反应:CaCO 3→CaO +CO 2↑脱硫反应(硫酸盐化反应):CaCO 3+SO 2+1/2O 2→CaSO 4+CO 2↑;CaO +SO 2+1/2O 2→CaSO 4.脱硫逆向反应:CaSO 4→CaO +SO 2+1/2O 2CFB 锅炉是使物料循环利用的流化燃烧方式,其在炉内脱硫方面有两个明显的优点:一是炉内正常运行的温度与石灰石煅烧分解温度(约为850℃左右)相符合,有利于石灰石的分解,同时正在・861・集美大学学报(自然科学版)第8卷运行的CFB 锅炉炉膛具备了硫酸盐化过程所需的富氧条件,因此,CFB 锅炉为炉内添加石灰石脱硫提供了极有利的外部条件.其二,因脱硫剂参与了物料循环,使未被利用或利用得不充分的脱硫剂可以在炉内被反复循环使用,延长了反应时间,提高了脱硫剂的利用率.3　炉内脱硫的相关问题讨论3.1　温度匹配问题目前,我国CFB 锅炉的设计床温一般在870～900℃之间,其主要考虑在这样的温度水平,炉内脱硫效率最佳[5].对于我国大多数燃烧贫煤和无烟煤的CFB 锅炉,只要床温在800℃以上,是可以保证其着火和燃烧的.但挥发分含量极低的福建无烟煤,其着火温度在900～950℃之间,因此,要保证其着火和充分燃烧,CFB 锅炉的设计床温为950℃左右,在实际运行时床温则一般为950～1050℃,文献[6]中给出了福建某热电厂75t/h CFB 锅炉实际运行中“沿炉膛高度的燃烧温度分布图”,该炉燃烧福建无烟煤,图中显示沿炉膛高度温度分布均匀,介于950～1030℃[6].而石灰石最佳分解温度为850℃左右,硫酸盐化反应的最佳温度则为850～900℃,当温度高于920℃[5]时将影响石灰石的利用率,进而影响脱硫效率.所以福建无烟煤的燃烧和脱硫在温度匹配上存在较大矛盾.要解决这一矛盾,在保证燃烧效率的前提下,可以适当降低床温,将运行床温控制在950℃左右,同时结合影响脱硫效率的主要因素(钙硫比、脱硫剂颗粒分布等),给出合适的脱硫参数,只要保证脱硫效率达到70%以上,加上煤在炉内燃烧时的自脱硫能力,则总的脱硫效率可达85%以上,基于福建无烟煤的含硫量在1%以下,其SO 2的排放浓度完全可以满足国家的环保要求.3.2　脱硫剂的选取CFB 锅炉炉内脱硫一般采用石灰石做脱硫剂,福建省的石灰石资源丰富,已探明储量有7×108t ,居全国前五位,多分布在矿产资源丰富的龙岩、三明等地区,现已开发的石灰石矿主要用于生产水泥,可供本省生产水泥200年.因此,采用经破碎的天然石灰石作为脱硫剂无疑是最简便的方法,对于需要采用炉内脱硫的CFB 锅炉用户,近期可利用周边水泥厂现有设备对石灰石进行简单的破碎和筛分,得到合用的石灰石颗粒.由于天然石灰石的内部结构和脱硫反应的温度特性,决定了它们的钙利用率较低,同时,如本文3.1节所述,对于燃用福建无烟煤的CFB 锅炉,采用炉内加石灰石脱硫,存在最佳燃烧温度和石灰石最佳分解、脱硫反应温度差距大的矛盾,因此,寻找适合福建无烟煤的脱硫剂对CFB 锅炉炉内脱硫技术的推广应用具有现实意义.福建省海域辽阔,海岸线超过3300km ,海洋里贝壳类产品资源丰富,对贝壳的成分分析表明,其与石灰石的化学成分非常相似,含有大量的CaCO 3和少量其它碱性金属氧化物,可以作为脱硫剂使用,其脱硫机理与石灰石类似.此外,据路春美等人的研究表明:1)贝壳与石灰石相比,具有更理想的硫化反应特性,相同条件下其钙利用率可高出12%～34%;2)绝大多数贝壳的最佳脱硫温度范围较宽,钙利用率都比较高,并且,贝壳的最佳脱硫温度在850～1050℃,比石灰石高出100℃,这个温度就可以与福建无烟煤的最佳燃烧温度相匹配,为福建省CFB 锅炉用户进行炉内脱硫解决了一个关键性问题;3)贝壳不仅有较大的比表面积和孔隙率(是石灰石的1.5～3倍),且煅烧后内部气孔平均尺寸也大,有利于贝壳外表面及内部晶粒都能进行较完全的脱硫反应,提高了钙的利用率[4].由此可见,贝壳作为脱硫剂,不仅具有高效的脱硫特性,而且来源广,价格低廉,易于破碎加工,非常适合在燃用福建无烟煤CFB 锅炉炉内脱硫技术中使用.但是,长期以来贝壳多作为垃圾被抛弃掉,如果能开发出适合工业应用的贝壳类脱硫剂,达到以废治污,无疑会带来可观的社会经济效益和环境效益.除了贝壳以外,还可以通过添加某些物质,改善石灰石脱硫活性,得到适合于福建无烟煤的石灰・961・　第2期邹峥:福建无烟煤循环流化床锅炉炉内脱硫探讨石脱硫剂,研究和开发这一类添加剂需要科技工作者和企业的共同努力.对于脱硫剂的加工生产,从长远发展而言,可以借鉴国外的做法,将脱硫剂产品生产标准化、产业化,成立专业公司按不同热电企业要求,既可为CFB 锅炉炉内脱硫,又可为煤粉炉炉内喷钙脱硫提供不同组分、不同颗粒级配、不同型号的脱硫剂产品,不仅可开辟新的行业领域,而且其市场前景广阔,商业和经济价值可观.3.3　钙硫比(Ca/S 摩尔比)的选取Ca/S 比是影响脱硫效率的首要因素,Ca/S 比越大,脱硫效率越高.根据国内外的研究表明,随着Ca/S 比的增加,脱硫效率在Ca/S 比低于2.5时增加很快,而继续增加Ca/S 比时脱硫效率的增加变缓[5].同时,加入过多的脱硫剂还会带来其它副作用,比如,由于煅烧分解反应是吸热反应,会引起床温降低,影响燃烧;会增加灰渣物理热损失,增加灰渣沥滤物的p H 值从而增大灰渣处理成本;富裕的CaO 还将提高NO x 的排放等等.因此,存在一个合理的Ca/S 比,一般推荐在1.5～3.0之间.对于燃用福建无烟煤的CFB 锅炉,如果采用经破碎的天然石灰石做脱硫剂,由于本文3.1和3.2节所分析的原因,石灰石的利用率较低,则脱硫效率也不高.因此,需要适当提高Ca/S 比,即增加石灰石量,以提高脱硫效率.Ca/S 比建议可取2.5～3.5之间.考虑到增加石灰石量引起的床温降低问题,对福建无烟煤的着火和燃尽影响较大,可以采用将含有未与SO 2完全反应的CaO 的灰渣经过再破碎后,与石灰石混合再送入炉内,或由返料系统与循环灰一起进入炉膛,这样,一方面增大了Ca/S 比,另一方面这部分物料不会发生分解吸热反应,而硫酸盐化反应则是放热反应,就减少了床温的降低值.燃用福建无烟煤的CFB 锅炉在设计时,已经考虑了在磨损严重部位采用防磨措施[6],因此,虽然增加Ca/S 比使灰量增多,加大了对受热面和分离器的磨损,但影响不会太大.如果采用贝壳类作脱硫剂,Ca/S 比可以低一些,建议取2.0～3.0之间.3.4　脱硫剂粒径的选取脱硫剂粒径及粒径分布对脱硫效率也有较大影响.若采用石灰石作脱硫剂,在通常的煅烧温度下煅烧过程在不到200ms 就基本完成了,煅烧后形成多孔的CaO 颗粒,如果粒径较大,煅烧后石灰石碎块之间的表面很快与SO 2反应形成CaSO 4的硬质表面,包覆未完全反应的CaO 内核,阻止SO 2与内部CaO 的进一步反应,造成气窒息现象,导致石灰石利用率较低.由于外表面积相对于内表面积是一个小量,所以粒径影响最终反映在孔的结构上,颗粒越细煅烧越快,SO 2与CaO 反应也越充分,同时随着粒径的减小,石灰石在煅烧时由于受破碎的燃烧机械力和热应力作用产生机械孔,其比孔体积迅速增加,孔深缩短,有利于SO 2和O 2的扩散,从而提高了石灰石的利用率.CFB 锅炉的流体动力特性使得该炉型可使用较小粒径的石灰石颗粒,因为分离和返料系统保证了细颗粒的循环.但是,石灰石粒径并不是越小越好,过细的颗粒会增大其以飞灰形式的逃逸量,即发生扬析现象,反而降低了石灰石利用率,并增加分离器和电除尘器的负担,加重粉尘污染.对特定的CFB 锅炉采用特定的石灰石时,存在一个最佳的石灰石粒径以使达到最大的利用率,最佳粒径要视石灰石的孔隙特性和分离器的分离特性而定.最佳粒径分布则应与通过热循环回路的热物料典型颗粒分布相对应,并且还应考虑所用煤种的粒径分布和燃烧特性.由于福建无烟煤细粉多,煤又易于爆裂,则炉膛内燃煤粒径分布中细颗粒比例很大,即使是炉膛上部稀相区也具有相当的颗粒浓度,并且福建无烟煤反应活性较低,着火和燃尽时间长,细颗粒在稀相区还在燃烧,文献[6]中的炉膛内燃烧温度分布中也反映了这一点.因此,对于福建省CFB 锅炉用户炉内脱硫,可以采用较细的石灰石粒径,一方面,保证稀相区也有足够的石灰石颗粒,从而提高脱硫效率,另一方面,较细的粒径也使脱硫反应对温度的敏感性减弱,可适应燃烧福建无烟煤所需的较高床温.此外,燃烧福建无烟煤的CFB 锅炉炉膛一般设计・071・集美大学学报(自然科学版)第8卷得较高,物料颗粒一次性经过炉膛所需的时间较长,使大量细颗粒在此时间内足以完成脱硫反应.当然,超细颗粒比例要控制,建议石灰石平均粒径可取0.1～0.3mm ,但<0.1mm 的细颗粒不要超过5%.如果采用贝壳类脱硫剂,由于与石灰石相比,其比表面积和孔隙率较大,脱硫特性也较好,故可以采用较粗的颗粒,这样也便于破碎筛分,笔者建议平均粒径可取0.1～0.5mm.4　结语经过多年的实践,CFB 锅炉制造厂家和福建省用户针对福建无烟煤的燃烧特性,共同总结出相应的设计和运行经验.从现阶段的运行实践表明,1998年以后投产的CFB 锅炉大多具有良好的可靠性和较强的超负荷运行能力,能在较好的经济水平上长期稳定运行[6].但CFB 锅炉洁净燃烧的优势却还没有得到发挥.CFB 锅炉设计、运行水平已经发展到了一个新阶段,同时,我国对环境保护日益重视,一系列严格控制燃煤SO 2排放的政策法规相继出台,因此,在CFB 锅炉上采用炉内脱硫这种经济高效的脱硫工艺已经势在必行.燃烧福建无烟煤的CFB 锅炉炉内脱硫需要解决的主要技术难点是燃烧与脱硫最佳温度之间的矛盾.笔者认为,为了保证煤的着火和燃尽,运行床温应在950℃左右,在这个温度下,选取合适的Ca/S 比、脱硫剂粒径等主要脱硫参数,使脱硫效率在70%以上,就能够有效降低SO 2的排放.选择合适的脱硫剂,使之脱硫温度与福建无烟煤燃烧温度相匹配无疑是最根本的解决方法,对于福建省,贝壳类脱硫剂则是替代石灰石的最佳选择.[参考文献][1]陈朝柱,蒋昌盛.福建无烟煤的特性及在电站锅炉中的应用[J ].福建能源开发与节约,2000,(3):14217.[2]孙学信1燃煤锅炉燃烧试验技术与方法[M ].北京:中国电力出版社,2002.78282.[3]邹峥,何宏舟,俞建洪,等.福建无烟煤粒度分布对循环流化床锅炉燃烧影响的工业实验[J ].工业锅炉,2002,(1):225.[4]路春美,王永征,赵建立,等.贝壳与石灰石固硫特性的实验研究[J ].燃烧科学与技术,2002,(3):2752279.[5]岑可法,倪明江,骆仲泱,等.循环流化床锅炉理论设计与运行[M ].北京:中国电力出版社,1998.[6]苏建民,何宏舟.燃烧福建无烟煤循环流化床锅炉之设计及运行实践评述[J ].工业锅炉,2003,(1):7211.The Discussion About Sulpher C apture in the Circulating Fluidized BedBoiler Firing Fujian AnthraciteZOU Zheng(School of Mechanical Engineering ,Jimei University ,Xiamen 361021,China )Abstract :According to the characteristic of Fujian anthracite ,several issues are questioned in this pa 2per about sulpher capture in the Circulating Fluidized Bed (CFB )boiler.The main opinions are suggested about the match of temperature ,the selection of sorbents ,the selection of Ca/S molar ratio and particle size of sorbents.To prompt the utilization of this efficient method of sulpher capture in Fujian province.K ey w ords :sulpher capture ;Fujian anthracite ;Circulating Fluidized Bed (CFB )boiler・171・　第2期邹峥:福建无烟煤循环流化床锅炉炉内脱硫探讨。