影响炉内喷钙脱硫效率的主要因素及控制

刘 鸣（华能白山煤矸石发电有限公司，吉林 白山 134300）

影响炉内喷钙脱硫效率的主要因素及控制

刘 鸣
（华能白山煤矸石发电有限公司，吉林 白山 134300）

结合循环流化床锅炉炉内喷钙脱硫的反应机理，对影响脱硫效率的主要因素加以分析论述，并提出了有效的控制与调整措施，从而使炉内喷钙脱硫系统达到理想的脱硫效果。

循环流化床锅炉；炉内喷钙；石灰石；脱硫效率

1　概述

循环流化床锅炉燃烧技术因具有煤种适应性强、负荷调节范围大、燃烧稳定、燃烧中向炉内添加石灰石可实现低成本脱硫、分级燃烧能有效减少NOx排放、灰渣易综合利用等优点在世界上得到了广泛应用。我国已成为世界上拥有循环流化床锅炉数量最多、技术示范最多的国家，从中积累了大量的经验，并建立了完整的设计理论体系。目前，循环流化床锅炉已经在600MW机组上得到了实际的应用，在燃煤锅炉中占据着举足轻重的地位。

炉内喷钙脱硫技术是通过稀相气力输送系统将一定粒径的石灰石粉喷射到炉内最佳温度区，并使石灰石粉与烟气有良好的接触和反应时间。石灰石在约850℃的条件下受热分解成CaO和CO2，再与烟气中的SO2在O2的参与下反应生成CaSO4。由于循环流化床锅炉炉膛出口设有旋风分离器，可被烟气携带出去的、未完全反应的脱硫剂大部分返回炉膛循环利用，同时，循环流化床锅炉较低的燃烧温度确保CaO不会被烧结，从而保证了系统的脱硫效率。根据锅炉烟气量、SO2浓度和所需达到的脱硫效率向炉膛内计量喷入石灰石粉，而石灰石粉的喷入通过石灰石粉库下的稀相输送系统来完成。

2　脱硫反应过程

在锅炉燃烧过程中，炉膛内的固体颗粒会随着上升的气流一起向上流动，而固体颗粒上升速度与气流流速之间存有一定差异，两者之间存在的差值即为滑移速度。气体与固体混合后的密度不但与流化速度有关，而且还与颗粒的质量流率有关。在气流速度一定的条件下，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。

当床料密度在8～10kg/m3时，就会有不少细的颗粒团聚成大的粒子团。粒子团随着重量的增加、体积的加大，将具有较大的自由沉降速度。在一定的气流速度下，大粒子团将逆着气流方向沿着炉墙向下运动。而这些粒子团在沿着炉墙向下运动过程中，气、固之间产生较大的滑移速度，将被上升的气流冲散成细的颗粒，再由气流带动向上运动，之后又逐渐聚集成粒子团，再向下滑落，这种粒子团不断聚集、滑落、冲散、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。

由于粒子团沿炉墙滑落和边壁效应，循环床中很浓的粒子团在靠近炉壁处旋转状向下运动，相对较稀的气固相则在炉膛中心向上运动，进而产生一个强烈的炉内物料循环运动，大大强化了炉内物料的传热和传质过程，使刚进入炉内的新鲜燃料和脱硫剂颗粒在瞬间被加热到850℃的炉膛温度，有利于石灰石在受热分解的同时保证了石灰的活性，从而使脱硫剂和SO2的脱硫反应能够在整个炉膛内和分离器内进行。

由于被烟气带出的脱硫剂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。脱硫剂在炉膛内的内循环和通过旋风分离器的外循环过程中，脱硫剂的颗粒会被冲撞摩擦而暴露出新的反应表面，而在物料循环系统内有着较为均匀的温度分布，极大地改善了系统的脱硫效果，提高了脱硫剂的使用效率。

3　影响反应的主要因素

影响循环流化床锅炉炉内脱硫效率的因素很多，主要包括床温、炉膛流场分布、石灰石品质、钙硫比、石灰石加料位置和石灰石输送系统的运行稳定性等。

3.1床温对脱硫效率的影响

在一定粒径范围内的石灰石粉送进炉膛后，被迅速加热到其分解温度，从而产生疏松多孔的CaO，烟气中的SO2扩散到CaO的表面和内孔，CaO能够吸收SO2并在有O2参与的条件下生成CaSO4。在钙硫比一定的情况下，当锅炉床温低于830℃时，石灰石分解后生成的CaO孔隙数少、孔径小，反应速率相对低下，烟气中的SO2未能被CaO充分吸收发生反应就被带出炉膛，导致脱硫效率的降低；当锅炉床温高于900℃时，CaO内部的孔隙结构会发生部分烧结而减缓CaO对SO2的吸收速率，也会导致脱硫效率的降低。此外，已生成的CaSO4在高温情况下会重新分解而释放出SO2。在实际运行中将锅炉床温控制为830℃～900℃时，才能够保证锅炉有较高的脱硫效率。

3.2炉膛流场分布对脱硫效率的影响

新鲜燃料进入炉膛瞬间被加热燃烧，进而产生大量的SO2，其在炉膛内的分布情况直接影响到SO2的分布情况。换言之，新鲜燃料的密相区即为SO2的密相区。为达到较高的脱硫效率，应考虑新鲜吸收剂进入炉膛后的分布情况与新鲜燃料的分布情况尽可能接近。炉内循环运动的剧烈程度，直接影响到炉内的传热和传质过程，进而影响到脱硫效率。此外，脱硫剂在炉膛内外循环过程中，堵塞CaO孔隙的CaSO4颗粒会被冲撞摩擦，促使CaO出现新的反应表面，而撞击摩擦的程度也决定了吸收剂的利用率。

3.3石灰石品质对脱硫效率的影响

在石灰石品质指标中，主要包括粒径、水分、活性及CaCO3含量。其中CaCO3含量及活性直接影响到CaO对SO2的吸收速率，若过低则导致CaO参与反应的量过小，导致脱硫效率偏低；石灰石所含水分会影响石灰石的物理特性，若水分过大，会导致石灰石储存和输送过程中发生板结，甚至堵塞，影响系统的正常稳定运行，一般应保证石灰石含水率不大于1%。

石灰石粒径是影响脱硫效率的重要因素之一。较细的石灰石颗粒经高温分解后比表面积较大，微孔结构更为发达，且具有较高的反应活性，然而其喷入炉膛后被烟气迅速携带上升，且不易被旋风分离器收集参与物料的循环，与SO2接触时间大大缩短，降低了发生脱硫反应的几率；较粗的石灰石颗粒尽管反应活性略差，比表面积较小，但其参与物料内外循环的次数多，且长时间与SO2充分接触，石灰石利用率高。

3.4石灰石加料位置对脱硫效率的影响

石灰石加入到炉膛可选择的加料位置有二次风管、落煤管和回料阀。加料位置的选取要考虑到有利于石灰石粉在炉膛内的均匀分布，并兼顾到所在区间的温度适宜性。落煤管处加入石灰石不利于两者的充分混合，喷入炉膛后会出现煤的密相区与石灰石的密相区不重叠，不利于脱硫反应，一般不建议采用该加料位置。回料阀处加料由于有流化风流化，煤和石灰石混合均匀，但此处有浇注料，对于改造项目而言，施工相对复杂。如果是新建项目，可预留好接口位置，从此处加入石灰石对于脱硫效率的保证是非常有利的。

考虑到石灰石粉加入到锅炉的二次风管更有利于石灰石粉的稀释扩散，促使石灰石粉在炉膛截面上得到良好的分布，从而与烟气中的二氧化硫充分接触，并在氧气的参与下完成脱硫反应。由于从落料管处进入炉膛的是新鲜的煤粉，炉膛靠落料管侧是SO2大量产生的地方，即二氧化硫的密相区，而落煤管下部的二次风管恰好可将石灰石粉喷入到二氧化硫的密相区，在此侧的二次风管布置喷管是比较合适的。

3.5石灰石输送稳定性对脱硫效率的影响

石灰石输送采用稀相输送系统，为低压连续输送方式。系统主要包括石灰石系统、给料喷射系统、输送风系统和电气控制系统。给料喷射系统主要包括手动插板阀、气动插板阀、缓冲仓、变频旋转给料机、喷射器、分配器、喷管和输送管道，输送风系统动力源采用罗茨风机。

石灰石输送稳定性体现在石灰石下料顺畅、旋转给料机给料均匀、喷射器内灰气混合均匀、输送管道内不出现堵灰、堆灰现象、输送风压力稳定、分配器分配均匀等。如果石灰石输送不稳定，石灰石不能定量持续地通过喷管进入炉膛，就会产生脱硫效率的波动。

4　运行控制与调整

国内外相关的试验研究及实际的运行结果表明，通过炉内喷钙进行脱硫，CFB锅炉可以达到较高的脱硫效率（≥90%）。造成炉内脱硫效率偏低，SO2排放不能达标的原因主要为锅炉运行参数不合理、脱硫用石灰石品质差、锅炉实际用煤的折算含硫量偏高、石灰石输送系统设备选型不匹配等。

4.1床温控制与调整

锅炉在进行炉内喷钙脱硫时，应将床温控制在830℃～900℃范围内，最多不超过920℃，否则会大大降低石灰石的利用率。在锅炉运行调整过程中，一次风的风量至少应满足锅炉处于最低的流化状态。当床温偏高时，应将一次风门的开度加大；当床温偏低时，应将一次风门的开度减少，当床温大于950℃时，应停止给煤并加大风量；当床温小于800℃时，应加大给煤量并减少风量。若床温仍继续下降，应立即停炉查找原因，待问题解决后再行启动。

床温的控制主要是通过调整一次风量、给煤量和循环灰量来实现。

（1）床温偏高的原因及控制措施

煤质好，热值高，烟气氧量低（一般控制过热器后正常运行时烟气含氧量3%～5%），说明给煤量偏大，应将给煤量减少。如果将颗粒粒径较大的煤集中给入炉内，将导致密相区内的燃烧份额增加，也将引起床温的升高。此时应将一次风量加大、二次风量减少，从而降低床温。如果没有及时排渣而导致料层加厚，一次风量因此而减少也会引起床温升高。此时应立刻排渣，从而保证料层厚度在正常范围内。

（2）床温降低的原因及控制措施

煤质差、热值低，烟气氧量高，应将给煤量加大，从而提高床温。如果将颗粒粒径较小的煤集中给入炉内，将导致密相区的燃烧份额减少，进而引起床温的降低，此时应将一次风量减少、二次风量加大，从而提高床温。在锅炉负荷不发生变化的前提下，如果烟气含氧量变化不大，而整个炉膛温度却在缓慢降低，则说明循环物料过多，此时应放掉一定量的循环灰，从而提高床温。

4.2石灰石粒径控制与调整

石灰石高温分解后的石灰粒径在循环回路中的停留时间与石灰石的初始粒径紧密相关。粒径过小的石灰难以被旋风分离器捕集，从而被烟气携带并离开循环回路成为飞灰，粒径过大的石灰则通常以炉渣的形式由底部排出。因此，只有粒径适中的颗粒可以在循环回路中获得较长的停留时间。炉内脱硫较为理想的石灰石粒径及分布见下表。

炉内脱硫较理想的石灰石粒径及分布表

为了达到上述粒径石灰石和分布，通常的做法是将石灰石粗细颗粒配混后，通过气力输送向炉内喷入石灰石，实现多种粒径石灰石的共同给入，以发挥各自的优势，协同实现深度脱硫。密相区产生的SO2首先被长期处于湍流状态的CaO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级脱硫。此时残余的SO2再与炉膛中上部具有较高反应活性的细CaO粉接触反应，实现深度脱硫。

5　结语

循环流化床锅炉炉内喷钙脱硫工艺因具有系统简单、操作简便、维护工作量少、占地面积小、投资和运行成本低、不耗水、无副产品等诸多优点，在火电厂脱硫领域中得到广泛的应用。国内有很多炉内喷钙脱硫系统在一定的钙硫比条件下运行，脱硫效率可达到90%以上。但也有不少炉内喷钙脱硫系统由于设计选型不合理、设备运行可靠性不高、运行控制与调整不到位，导致脱硫系统无法稳定高效的运行。只有通过对影响炉内喷钙脱硫效率的主要因素进行深入的分析，并对这些影响因素进行必要的控制与调整，才能使脱硫系统达到理想的脱硫效果。

［1］ 于树辉.循环流化床锅炉炉内添加石灰石脱硫的研究［J］.电力科技与环保，2010 （2）.

［2］ 李超，等.循环流化床锅炉脱硫工艺参数优化研究［J］.东北电力技术，2010（1）.

［3］ 李竞芨，等.循环流化床锅炉多粒径多流态炉内喷钙脱硫技术［J］.沈阳工程学院学报，2014（4）.

Analysis and Control of Main Factors in Affecting Efficiency of Spraying Calcium Desulfurization in Boiler

LIU Ming

X701

A

1006-5377（2016）08-0036-03