循环流化床锅炉多粒度多流态炉内喷钙脱硫技术

快速流态
石灰石粉的峰值粒度应与循环灰峰值粒度重合或接近
混入给煤
1~2 mm
湍动流态
粗石灰石颗粒煅烧后的脱硫剂应处于湍动流态，以延长其在密相区 上部的停留时间
在此过程中，需考虑石灰石的爆裂特性，以保证煅烧后的石灰石不致偏离该粒径范围. 当 然，随着时间推移，石灰石颗粒由于磨耗导致粒径减小，过细的颗粒因逃逸而结束脱硫历 程.
·13 ·
国华宁东330 MWe CFB锅炉脱硫石灰石XRF分析
质量分数, %
元素
质量分数, %
43.435
Fe
0.265
38.863
K
0.155
14.069
Sr
0.034
2.058
Cr
0.029
0.680
S
0.021
0.373
Mn
0.017
该机组入炉煤的含硫量在1.9%左右，SO2原始排放约1300 ppm（约合3800 mg/Nm3）. 改造前采用气力输送石灰石粉从前墙下二次风给入，然而即使钙硫比在2.5以上，脱硫效率 仅有70%左右.
·5 ·
多粒度多流态炉内脱硫技术
所谓多粒度多流态炉内喷钙脱硫技术，即首先通过气力输送，向炉内喷入细石灰石粉，并通过 给煤中掺混较大粒径的石灰石颗粒，实现多粒度石灰石的共同给入。这两种脱硫剂均具有较长 的停留时间。
石灰石类型 石灰石粉
粗石灰石颗粒
喷入方法
颗粒粒径 （一般）
流态
气力输送
200~500 μm
在满负荷条件下，单纯加入石灰石颗粒15 t/h（钙 硫比约1.2）就可以达到75%以上的脱硫效率.
同时再通过气力输送加入细颗粒14 t/h（钙硫比约 2.3），脱硫效率大幅度提高，最高可以达到95% 以上，此时排放可以控制在45~60 ppm，脱硫效果 优异.
总结
通过分析石灰石粒度对脱硫效率的影响，提出了一种基于炉内气固流态的多粒度喷钙脱硫技术. 在保证床温、石灰石品质的前提下，使用气力输送向炉膛内喷入石灰石粉，使其煅烧爆裂后的 粒度接近循环灰峰值粒度，以增加其在炉内的循环次数；同时，在给煤中掺混一定粒度的石灰 石颗粒，使其处于湍动流化状态以延长停留时间。 依托炉内流态，多粒度石灰石的配置给入， 避免了单纯石灰石粉在空间分布不均导致效率不足，充分发挥了各自优势，以实现CFB锅炉的 深度脱硫. 该技术通过在国华宁东330 MWe CFB机组测试检验，证明脱硫效果优异.
·9 ·
工程实践
体积份额 (%) 体积份额 (%)
10
样品1
8
样品2 样品3
平均分布
6
4
2
0
1
10
100
1000
粒度 (m)
宁东CFB机组循环灰粒度
6
煅烧前
煅烧后
4
2
0
1
10
100
1000
粒度 (m)
宁东CFB机组石灰石爆裂忒性 (850 oC 马弗炉烧灼30 min)
利用多粒度炉内脱硫技术，改造后在给煤中掺入1~2 mm粒度的石灰石颗粒，同时维持部分 石灰石粉经气力输送进入下二次风，严格控制细石灰石粉粒度在300~500 μm.
·1 ·
背景
影响炉内脱硫效率的因素：
床温
Ca/S
石灰石 品质
石灰石 喷入位置
（更多信息可以在文献中查阅）
CaSO 4
1000
800oC 900oC
CaS
SO (ppmv) 2
100
CaO
10
10
100
1000
10000
CO (ppmv)
不同温图度和1 C气aS氛、下CaCSaOS4,和CaCSaOO4的和相C图aO[9]相图 [H.Y. Fan, 2004]
·6 ·
多粒度多流态炉内脱硫技术
密相区产生的SO2首先被长期处于湍动状态的脱 硫剂颗粒“过滤”，加之二次风的补入，改善了脱硫 反应条件，因此在该区域完成初步脱硫. 残余的SO2再与炉膛中上部较高反应活性的细脱 硫剂粉接触反应，实现深度脱除. 至于细石灰石粉与石灰石颗粒的比例，需针对不 同锅炉进行调整，以实现优化配置.
建议给入位置
1. 前墙给煤：后墙+位置上移+上二次风口(内）下开口 2. 后墙给煤：前墙+位置上移+上二次风口（内）下开口
关键在于提高上二次风的动量和穿透能力，利用二次的卷吸左 右，强化石灰石和SO2，O2混合接触
石灰石气力输送管路布置的优化
8
CFB锅炉SO2排放控制关键因素-粒度
石灰石的反应活性及粒度控制-必须考虑爆裂过程中粒 度变化的影响 d50 = 120～150μm
CaSO 4
1000
800oC 900oC
CaS
SO (ppmv) 2
100
给煤点
返料点 贫氧区
CaO
10
10
100
1000
10000
CO (ppmv)
石灰石喷入点要避开贫氧区
石灰石注入位置的选取
现有石灰石注入点一般有：
1. 给煤管中给入-效果差 2. 独立开口-混合扩散差+位置过低+离给煤口近 3. 回料阀给入-效果较好
40
30
炉膛高度 m +
20 =
Pr
10
二次风 0
0 100 200 300
总悬浮浓度kg/m3
0 100 200 300
粗颗粒浓度kg/m3
0
50
100
细颗粒浓度kg/m3
CFB锅炉炉膛内的符合流态 [苏建民，2011]
颗粒粒径与停留时间的典型相关曲线 [杨海瑞, 2003]
床料颗粒在循环回路中的停留时间与其粒径分布相关。只有粒度适中的 颗粒可以在循环回路中获得较长的停留时间，形成所谓“循环灰”。越 接近于其尖峰粒度的颗粒，就有越大的几率长时间留存在循环回路中.
可靠的石灰石输送系统-稳定可靠输送是炉内脱硫的 前提
优化的喷口位置-避免进入还原区，提前和氧气接触
CFB锅炉SO2排放控制关键因素
合理的温度范围
100
80
脱硫效率/%
60
40
20
0
750
800
850
900
950
温度 /oC
CFB锅炉SO2排放控制关键因素
优化的喷口位置-避免还原气氛，尽快与氧接触
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有效反应区域内的停留时间，亦即有 效停留时间.
在石灰石品质较高的前提下，增加脱 硫剂的有效停留时间可以显著提升炉 内脱硫效率.
CFB锅炉SO2排放控制关键因素
合理的温度范围-既要提高反应速率，又要避免高温 CaO表面烧结及SO2二次析出
石灰石的反应活性及粒度-粒度影响停留时间，考虑 石灰石的爆裂磨耗对粒度影响
神东电力石灰石活性
石灰石不同气氛下爆裂特性
石灰石磨耗特性
粒度影响
脱硫剂粒度是影响脱硫效率的关键因素之一
新鲜石灰石表面
CO2
孔隙被CaSO4阻塞
未反应表面
CO2 已反应表面
SO2
炉内脱硫过程示意图
细石灰石颗粒—— 煅烧后具有更发达的孔隙与反应活性
无论是细石灰石粉，还是较粗的石灰石颗粒，均有所应用，但对其粒径的选取较为ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ意
循环流化床锅炉多粒度多流态 炉内喷钙脱硫技术
杨海瑞
1. 清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 2. 神华宁夏国华宁东发电有限公司，宁夏银川
北京
2015/4/10
目录
背景 ………………………………………….... 2 多粒度多流态炉内脱硫技术简介…………..... 5 工程实践 ………………………………………. 8 总结 …………………………………………… 13
二次风流量, kNm3
平均床压, kPa
原始SO2排放, ppm
181
896
345
530
7.2
1300
石灰石投入量 (t/h) 脱硫效率 (%)
30
100
石灰石粉
25
石灰石颗粒
脱硫效率 90
20
15
80
10
70 5
0
60
12345678
测试数据编号
国华宁东330 MWe CFB锅炉脱硫测试效果
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本文通过总结现有的CFB锅炉气固流态研究成果，提出了一种基于炉内流态的多粒度炉内喷钙 技术，对脱硫石灰石粒径进行优化选取，充分发挥粗细石灰石颗粒各自的优势，从而显著提高 了CFB炉内脱硫效率，降低了脱硫成本.
·4 ·
多粒度多流态炉内脱硫技术
根据流态化理论，炉膛内流态可视为不同粒度颗粒流态的叠加，由无法参与循环的粗大颗粒在 炉膛底部形成的鼓泡床流动、以及参与外循环的细颗粒构成的快速床流动组成.
—— 多粒度多流态炉内脱硫技术优势 ——
充足的停留时间 粗石灰石颗粒由于湍动作用而更均匀分布 氧化性气氛优良
可构成循环的 细脱硫剂
处于湍动状态的 粗脱硫剂
粗、细脱硫剂在炉膛内的分布示意图
·7 ·
工程实践
国华宁东330 MWe CFB 机组
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工程实践
国华宁东330 MWe CFB 机组
国华宁东330 MWe CFB锅炉燃用煤种工业和元素分析
wt, % 样品
Car
Har
48.51 4.30
Oar 9.91
Nar 0.72
Sar 1.90
Aar 19.47
Mar 15.19
Var 25.75
FCar 39.59
Qar, net, p, kJ/kg 16242
元素 O Ca C Mg Si Al
在流化状态下爆裂性能会进一步加强 [王进伟, 2006].，该粒度细石灰石粉经煅烧爆裂后，其粒 度会处于循环灰的峰值粒度附近，从而有效增加其停留时间.
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工程实践
参数 数值
负荷, MWe
325
国华宁东330 MWe CFB锅炉脱硫测试工况中部分锅炉参数
投煤量, t/h
平均床温, oC
一次风流量, kNm3