循環(huán)流化床燃燒是指爐膛內(nèi)高速氣流與所攜帶的稠密懸浮顆粒充分接觸，同時大量高溫顆粒從煙氣中分離后重新送回爐膛的燃燒過程。循環(huán)流化床鍋爐的脫硫是一種爐內(nèi)燃燒脫硫工藝，以石灰石為脫硫吸收劑，與石油焦中的硫份反應(yīng)生成硫酸鈣，達到脫硫的目的。較低的爐床溫度（850℃～900℃），燃料適應(yīng)性強，特別適合較高含硫燃料，脫硫率可達80%～95%，使清潔燃燒成為可能。
2、循環(huán)流化床內(nèi)燃燒過程
石油焦顆粒在循環(huán)流化床的燃燒是流化床鍋爐內(nèi)所發(fā)生的最基本而又最為重要的過程。當(dāng)焦粒進入循環(huán)流化床后，一般會發(fā)生如下過程：①顆粒在高溫床料內(nèi)加熱并干燥；②熱解及揮發(fā)份燃燒；③顆粒膨脹及一級破碎；④焦粒燃燒伴隨二級破碎和磨損。符合一定粒徑要求的焦粒在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)受流體動力作用，被存留在爐膛內(nèi)重復(fù)循環(huán)的850℃～900℃的高溫床料強烈摻混和加熱，然后發(fā)生燃燒。受一次風(fēng)的流化作用，爐內(nèi)床料隨之流化，并充斥于整個爐膛空間。床料密度沿床高呈梯度分布，上部為稀相區(qū)，下部為密相區(qū)，中間為過渡區(qū)。上部稀相區(qū)內(nèi)的顆粒在爐膛出口，被煙氣攜帶進入旋風(fēng)分離器，較大顆粒的物料被分離下來，經(jīng)回料腿及J閥重新回入爐膛繼續(xù)循環(huán)燃燒，此謂外循環(huán)；細(xì)顆粒的物料隨煙氣離開旋風(fēng)分離器，經(jīng)尾部煙道換熱吸受熱量后，進入電除塵器除塵，然后排入煙囪，塵灰稱為飛灰。爐膛內(nèi)中心區(qū)物料受一次風(fēng)的流化攜帶，氣固兩相向上流動；密相區(qū)內(nèi)的物料顆粒在氣流作用下，沿爐膛四壁呈環(huán)形分布，并沿壁面向下流動，上升區(qū)與下降區(qū)之間存在著強烈的固體粒子橫向遷移和波動卷吸，形成了循環(huán)率很高的內(nèi)循環(huán)。物料內(nèi)、外循環(huán)系統(tǒng)增加了燃料顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間，使燃料可以反復(fù)燃燒，直至燃盡。
循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的物料參與了外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種循環(huán)運動，整個燃燒過程和脫硫過程就是在這兩種形式的循環(huán)運動的動態(tài)過程中逐步完成的。
3、循環(huán)流化床內(nèi)脫硫機理
循環(huán)流化床鍋爐脫硫是一種爐內(nèi)燃燒脫硫工藝，以石灰石為脫硫吸收劑，石油焦和石灰石自鍋爐燃燒室下部送入，一次風(fēng)從布風(fēng)板下部送入，二次風(fēng)從燃燒室中部送入。石灰石在850℃～900℃床溫下，受熱分解為氧化鈣和二氧化碳。氣流使石油焦、石灰石顆粒在燃燒室內(nèi)強烈擾動形成流化床，燃料煙氣中的SO2與氧化鈣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被脫除。為了提高吸收劑的利用率，將未反應(yīng)的氧化鈣、脫硫產(chǎn)物及飛灰等送回燃燒室參與循環(huán)利用。按設(shè)計，II電站CFB鍋爐鈣硫比達到1.97時，脫硫率可達90%以上。
高硫石油焦在加熱到400℃就開始有硫份析出，經(jīng)歷下列途徑逐步形成SO2， 即硫的燃燒過程：
S--→H2S--→HS--→SO--→SO2
硫的燃燒需要一定的時間，石油焦床內(nèi)停留時間將影響硫的燃燒完全程度，其隨時間同步增長。同時床溫對硫的燃燒影響很大，硫的燃燒速率隨床溫升高呈階梯增高。
以石灰石為脫硫劑在爐膛內(nèi)受高溫煅燒發(fā)生分解反應(yīng)：
△CaCO3--→CaO + CO2 - 179 MJ/mol
上式是吸熱反應(yīng)。由于在反應(yīng)過程中分子尺寸變小，石灰石顆粒變成具有多孔結(jié)構(gòu)的CaO顆粒，在有富余氧氣時與床內(nèi)石油焦的析出硫分燃燒生成的SO2氣體發(fā)生硫酸鹽化反應(yīng)：CaO + SO2 + 1/2 O2--→CaSO4 + 500 MJ/mol
使Ca0變成CaSO4即達到脫硫目的。但是生成的CaSO4密度較低，容易堵塞石灰石的細(xì)孔，使SO2分子不能深人到多孔性石灰石顆粒內(nèi)部，所以，Ca0在脫硫反應(yīng)中只能大部分被利用。
4：影響脫硫的因素與清潔燃燒控制
影響脫硫的因素有許多，一部分屬于設(shè)計方面的因素，諸如給料方式的不同會有不同的脫硫效果；爐膛的高度影響脫硫時間等。另一部分屬于運行方面的因素，如Ca／S摩爾比、床溫、物料滯留時間、石灰石粒度、石灰石脫硫活性等，本文僅從運行角度，對II電站CFB鍋爐的脫硫工藝進行研究分析。
4.1：Ca／S摩爾比的影響
當(dāng)Ca／S比增加時，脫硫效率提高。由于II電站CFB鍋爐燃燒用高硫石油焦的硫含量基本上為4％～4.5％，所以，Ca／S比的改變可由控制石灰石的加入量來實現(xiàn)。通過對在線儀表的數(shù)據(jù)采集分析，從圖1可以發(fā)現(xiàn)，隨著石灰石加入量的增大，煙氣中的SO2排放量逐步降低，趨勢變緩，Ca的利用率下降。因此Ca／S比存在經(jīng)濟性問題，一般經(jīng)濟Ca／S比在1.5～2.5之間。II電站CFB鍋爐設(shè)計Ca／S比控制在1.97。實際運行中，還可以用石灰石輸送風(fēng)壓比照石灰石加入量，目前石灰石輸送風(fēng)壓PT650A/B控制在20KPa左右。（脫硫效率以在線監(jiān)測儀的煙氣SO2排放量平均數(shù)據(jù)表示，排放量越小，則脫硫效率越高。）
4.2：石灰石粒度及活性的影響
石灰石粒度對床內(nèi)脫硫反應(yīng)工況具有重大的、甚至是決定性的影響。如果石灰石顆粒太粗，其發(fā)生反應(yīng)后，在顆粒表面形成CaS04，由于CaS04的分子量比Ca0大得多，所以顆粒外表面被CaS04層阻止了S02與顆粒中心區(qū)域Ca0進一步反應(yīng)，降低了脫硫性能；若石灰石顆粒太細(xì)(如小于75μm的顆粒)，則不能被氣固分離器捕捉送回爐膛，使石灰石不能充分利用。一般地，石灰石顆粒粒徑選在0.2-1.5mm為宜。II電站的石灰石粒徑控制設(shè)計指標(biāo)是D50=550μm。所謂D50 ，指的是通過50％的物料質(zhì)量的篩網(wǎng)的尺寸，即物料平均粒徑。也就是說，II電站的石灰石平均粒徑為550μm。石灰石經(jīng)二級破碎機制粉，在正常運行中不進行粒度的改變調(diào)整。
石灰石的脫硫反應(yīng)活性，受地質(zhì)特性和物理特性決定，如石灰石的鈣含量和其它成分含量、煅燒后的孔隙結(jié)構(gòu)、破碎特性、地質(zhì)年齡等。應(yīng)通過試驗，測定石灰石的活性指數(shù)，從而確定篩選礦區(qū)，不采購不明石灰石。
4.3：床溫的影響
床溫對脫硫效率有較大影響。從圖2 床溫與脫硫關(guān)系曲線可以看出，脫硫率在較高或較低床溫下明顯下降。因為脫硫反應(yīng)有其最佳的化學(xué)反應(yīng)溫度，約為860℃～880℃左右，偏離最佳反應(yīng)溫度時，脫硫效果下降。
電站CFB鍋爐床溫一般控制在880℃～900℃，并不在最高脫硫范圍內(nèi)，這有兩方面原因：一是床溫高，鍋爐燃燒效率高；二是石油焦的揮發(fā)份少，著火溫度高達500℃～550℃，燃燼所需溫度亦較高。所以選擇這一運行溫度范圍是統(tǒng)和考慮的結(jié)果。
4.4：物料滯留時間的影響
床料在爐膛內(nèi)滯留時間越長，硫的燃燒、Ca0 與S02的有效反應(yīng)時間就越長，脫硫效率越高。影響物料滯留時間的因素一般有：流化風(fēng)速，循環(huán)倍率，石油焦造粒及碳黑摻燒，電除塵飛灰回燃循環(huán)等等。
4.4.1：流化風(fēng)速的影響
一次風(fēng)系統(tǒng)提供循環(huán)流化床所必需的流化風(fēng)。增加流化風(fēng)速，實際上增加了物料的攜帶速度，從而使循環(huán)回料量增加，相應(yīng)的延長了脫硫劑在爐膛內(nèi)的停留時間；并由于整個稀相區(qū)物料濃度的增加而增加該區(qū)脫硫劑濃度，提高了脫硫劑的利用率，脫硫效率增高。但如果一次風(fēng)速太大，使?fàn)t膛出口煙氣速度超過旋風(fēng)分離器的捕捉速度，造成循環(huán)回料量減少，從而降低脫硫效率。在運行中，可通過調(diào)節(jié)風(fēng)流量、一、二次風(fēng)配比等，達到調(diào)節(jié)流化風(fēng)速的目的。
4.4.2：循環(huán)倍率的影響
循環(huán)倍率指單位時間內(nèi)通過床料回送裝置返回爐膛的床料量與鍋爐投入固體物料量的質(zhì)量比。循環(huán)倍率越大，脫硫效率越高。因為循環(huán)延長了石灰石在床內(nèi)的停留時間，提高了脫硫劑的利用率。同時使稀相區(qū)的物料濃度增高，增加了石油焦在爐膛內(nèi)與床料碰撞的概率，提高石油焦在爐膛內(nèi)的停留時間，從而使脫硫效率升高。圖3為循環(huán)物料量與煙氣SO2排放量關(guān)系。
循環(huán)物料量的主要控制手段為：控制石灰石的加入量及石灰石的粒徑，調(diào)整一、二次風(fēng)比率，控制石油焦粒徑，控制J閥的工作狀態(tài)，控制合適的爐膛上部差壓、保證爐膛內(nèi)有足夠的細(xì)顆粒等。
4.4.3：石油焦造粒及碳黑摻燒的影響
II電站于2001年1月，在2#CFB鍋爐上做了3天的摻燒30%造粒石油焦試驗，原目的是研究飛灰碳含量的變化情況。所謂造粒，就是將粉料石油焦，摻加一定比例的飛灰和粘結(jié)劑，聚集成4mm左右的粒焦。這實際上使飛灰中30％左右的Ca0得到了回用，提高了石灰石的利用率。但這部分的Ca0由于表面孔隙被CaS04堵塞，使SO2不能充分地深入到Ca0顆粒內(nèi)部，脫硫性能相對較差。另一方面，隨著粒徑增大，石油焦的著火點溫度將明顯提高，延長了石油焦顆粒在高溫床料內(nèi)加熱干燥、熱解及揮發(fā)份燃燒的時間，石油焦的硫份燃燼更加充分，與石灰石充分反應(yīng)后，脫硫率增高。
目前II電站鍋爐在石油焦中摻燒5％左右的碳黑。碳黑來自合成氨裝置，水份比較大，經(jīng)摻和一定量的底灰粘結(jié)，使底灰中40％左右的Ca0得到了回用。由于Ca0與碳黑中的H2O反應(yīng)生成Ca（OH）2，其與SO2的結(jié)合能力比Ca0強，因此，比較造粒石油焦與摻燒碳黑，后者的脫硫效果更佳。
4.4.4：電除塵飛灰回燃循環(huán)的影響
II電站1#CFB鍋爐新增電除塵飛灰回燃循環(huán)系統(tǒng)，將鍋爐尾部電除塵器一電場收集的飛灰送回J閥回料腿，進入鍋爐爐膛的密相區(qū)，實現(xiàn)循環(huán)燃燒。該系統(tǒng)有以下三個優(yōu)點：a．提高碳的燃燼率；b．提高石灰石的利用率；c．調(diào)節(jié)床溫，使其保持在最佳的脫硫溫度下。
4.4.5：效果
II電站的兩臺循環(huán)流化床鍋爐運行中的煙氣SO2排放量在400ppm左右，（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)煙氣中1ppm的SO2體積濃度等于2.86 mg/Nm3質(zhì)量濃度），約為1144 mg/Nm3。國家排放控制標(biāo)準(zhǔn)為1200 mg/Nm3～1800 mg/Nm3，工藝控制標(biāo)準(zhǔn)為1500 mg/Nm3。
5、總結(jié)
隨著社會和國家對環(huán)境保護的日益重視，以及公司HSE管理的不斷深入，SO2排放控制標(biāo)準(zhǔn)將逐步向世界先進國家靠攏，達到400 mg/Nm3。由此可以看到明顯的差距，CFB鍋爐的清潔燃燒工作任重道遠(yuǎn)，需要為之不斷的努力。綜上所述，CFB鍋爐的燃燒脫硫控制，關(guān)鍵是增大石灰石的添加量及加大物料的循環(huán)利用程度，提高Ca／S比。同時加強重視對床溫、流化風(fēng)速、物料粒徑、石灰石脫硫活性等因素的選取、調(diào)整、控制，通過對這些因素的優(yōu)化組合，提高循環(huán)流化床鍋爐的脫硫效率，達到清潔燃燒的目的，凈化空氣，實現(xiàn)最大程度的不破壞環(huán)境。
相關(guān)內(nèi)容