循环流化床烟气脱硫工艺设计 资料

1、前言

循环流化床燃烧是指炉膛内高速气流与所携带的稠密悬浮颗粒充分接触，同时大量高温颗粒从烟气中分离后重新送回炉膛的燃烧过程。循环流化床锅炉的脱硫是一种炉内燃烧脱硫工艺，以石灰石为脱硫吸收剂，与石油焦中的硫份反应生成硫酸钙，达到脱硫的目的。较低的炉床温度（850℃～900℃），燃料适应性强，特别适合较高含硫燃料，脱硫率可达80%～95%，使清洁燃烧成为可能。

2、循环流化床内燃烧过程

石油焦颗粒在循环流化床的燃烧是流化床锅炉内所发生的最基本而又最为重要的过程。当焦粒进入循环流化床后，一般会发生如下过程：①颗粒在高温床料内加热并干燥；②热解及挥发份燃烧；③颗粒膨胀及一级破碎；④焦粒燃烧伴随二级破碎和磨损。符合一定粒径要求的焦粒在循环流化床锅炉内受流体动力作用，被存留在炉膛内重复循环的850℃～900℃的高温床料强烈掺混和加热，然后发生燃烧。受一次风的流化作用，炉内床料随之流化，并充斥于整个炉膛空间。床料密度沿床高呈梯度分布，上部为稀相区，下部为密相区，中间为过渡区。上部稀相区内的颗粒在炉膛出口，被烟气携带进入旋风分离器，较大颗粒的物料被分离下来，经回料腿及J阀重新回入炉膛继续循环燃烧，此谓外循环；细颗粒的物料随烟气离开旋风分离器，经尾部烟道换热吸受热量后，进入电除尘器除尘，然后排入烟囱，尘灰称为飞灰。炉膛内中心区物料受一次风的流化携带，气固两相向上流动；密相区内的物料颗粒在气流作用下，沿炉膛四壁呈环形分布，并沿壁面向下流动，上升区与下降区之间存在着强烈的固体粒子横向迁移和波动卷吸，形成了循环率很高的内循环。物料内、外循环系统增加了燃料颗粒在炉膛内的停留时间，使燃料可以反复燃烧，直至燃尽。循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动，整个燃烧过程和脱硫过程就是在这两种形式的循环运动的动态过程中逐步完成的。

3、循环流化床内脱硫机理

循环流化床锅炉脱硫是一种炉内燃烧脱硫工艺，以石灰石为脱硫吸收剂，石油焦和石灰石自锅炉燃烧室下部送入，一次风从布风板下部送入，二次风从燃烧室中部送入。石灰石在850℃～900℃床温下，受热分解为氧化钙和二氧化碳。气流使石油焦、石灰石颗粒在燃烧室内强烈扰动形成流化床，燃料烟气中的SO2与氧化钙接触发生化学反应被脱除。为了提高吸收剂的利用率，将未反应的氧化钙、脱硫产物及飞灰等送回燃烧室参与循环利用。按设计，II电站CFB锅炉钙硫比达到1.97时，脱硫率可达90%以上。

高硫石油焦在加热到400℃就开始有硫份析出，经历下列途径逐步形成SO2，即硫的燃烧过程：

S--→H2S--→HS--→SO--→SO2

硫的燃烧需要一定的时间，石油焦床内停留时间将影响硫的燃烧完全程度，其随时间同步增长。同时床温对硫的燃烧影响很大，硫的燃烧速率随床温升高呈阶梯增高。

以石灰石为脱硫剂在炉膛内受高温煅烧发生分解反应：

△CaCO3--→CaO + CO2 - 179 MJ/mol

上式是吸热反应。由于在反应过程中分子尺寸变小，石灰石颗粒变成具有多孔结构的CaO颗粒，在有富余氧气时与床内石油焦的析出硫分燃烧生成的SO2气体发生硫酸盐化反应：CaO + SO2 + 1/2 O2--→CaSO4 + 500 MJ/mol

使Ca0变成CaSO4即达到脱硫目的。但是生成的CaSO4密度较低，容易堵塞石灰石的细孔，使SO2分子不能深人到多孔性石灰石颗粒内部，所以，Ca0在脱硫反应中只能大部分被利用。

4：影响脱硫的因素与清洁燃烧控制

影响脱硫的因素有许多，一部分属于设计方面的因素，诸如给料方式的不同会有不同的脱硫效果；炉膛的高度影响脱硫时间等。另一部分属于运行方面的因素，如Ca／S摩尔比、床温、物料滞留时间、石灰石粒度、石灰石脱硫活性等，本文仅从运行角度，对II电站CFB锅炉的脱硫工艺进行研究分析。

4.1：Ca／S摩尔比的影响

当Ca／S比增加时，脱硫效率提高。由于II电站CFB锅炉燃烧用高硫石油焦的硫含量基本上为4％～4.5％，

所以，Ca／S比的改变可由控制石灰石的加入量来实现。通过对在线仪表的数据采集分析，从图1可以发现，随着石灰石加入量的增大，烟气中的SO2排放量逐步降低，趋势变缓，Ca的利用率下降。因此Ca／S比存在经济性问题，一般经济Ca／S比在1.5～2.5之间。II电站CFB锅炉设计Ca／S比控制在1.97。实际运行中，还可以用石灰石输送风压比照石灰石加入量，目前石灰石输送风压PT650A/B控制在20KPa左右。（脱硫效率以在线监测仪的烟气SO2排放量平均数据表示，排放量越小，则脱硫效率越高。）

4.2：石灰石粒度及活性的影响

石灰石粒度对床内脱硫反应工况具有重大的、甚至是决定性的影响。如果石灰石颗粒太粗，其发生反应后，在颗粒表面形成CaS04，由于CaS04的分子量比Ca0大得多，所以颗粒外表面被CaS04层阻止了S02与颗粒中心区域Ca0进一步反应，降低了脱硫性能；若石灰石颗粒太细(如小于75μm的颗粒)，则不能被气固分离器捕捉送回炉膛，使石灰石不能充分利用。一般地，石灰石颗粒粒径选在0.2-1.5mm为宜。II电站的石灰石粒径控制设计指标是D50=550μm。所谓D50 ，指的是通过50％的物料质量的筛网的尺寸，即物料平均粒径。也就是说，II电站的石灰石平均粒径为550μm。石灰石经二级破碎机制粉，在正常运行中不进行粒度的改变调整。

石灰石的脱硫反应活性，受地质特性和物理特性决定，如石灰石的钙含量和其它成分含量、煅烧后的孔隙结构、破碎特性、地质年龄等。应通过试验，测定石灰石的活性指数，从而确定筛选矿区，不采购不明石灰石。

4.3：床温的影响

床温对脱硫效率有较大影响。从图2 床温与脱硫关系曲线可以看出，脱硫率在较高或较低床温下明显下降。因为脱硫反应有其最佳的化学反应温度，约为860℃～880℃左右，偏离最佳反应温度时，脱硫效果下降。

电站CFB锅炉床温一般控制在880℃～900℃，并不在最高脱硫范围内，这有两方面原因：一是床温高，锅炉燃烧效率高；二是石油焦的挥发份少，着火温度高达500℃～550℃，燃烬所需温度亦较高。所以选择这一运行温度范围是统和考虑的结果。

4.4：物料滞留时间的影响

床料在炉膛内滞留时间越长，硫的燃烧、Ca0 与S02的有效反应时间就越长，脱硫效率越高。影响物料滞留时间的因素一般有：流化风速，循环倍率，石油焦造粒及碳黑掺烧，电除尘飞灰回燃循环等等。

4.4.1：流化风速的影响

一次风系统提供循环流化床所必需的流化风。增加流化风速，实际上增加了物料的携带速度，从而使循环回料量增加，相应的延长了脱硫剂在炉膛内的停留时间；并由于整个稀相区物料浓度的增加而增加该区脱硫剂浓度，提高了脱硫剂的利用率，脱硫效率增高。但如果一次风速太大，使炉膛出口烟气速度超过旋风分离器的捕捉速度，造成循环回料量减少，从而降低脱硫效率。在运行中，可通过调节风流量、一、二次风配比等，达到调节流化风速的目的。

4.4.2：循环倍率的影响

循环倍率指单位时间内通过床料回送装置返回炉膛的床料量与锅炉投入固体物料量的质量比。循环倍率越大，脱硫效率越高。因为循环延长了石灰石在床内的停留时间，提高了脱硫剂的利用率。同时使稀相区的物料浓度增高，增加了石油焦在炉膛内与床料碰撞的概率，提高石油焦在炉膛内的停留时间，从而使脱硫效率升高。图3为循环物料量与烟气SO2排放量关系。

循环物料量的主要控制手段为：控制石灰石的加入量及石灰石的粒径，调整一、二次风比率，控制石油焦粒径，控制J阀的工作状态，控制合适的炉膛上部差压、保证炉膛内有足够的细颗粒等。

4.4.3：石油焦造粒及碳黑掺烧的影响

II电站于2001年1月，在2#CFB锅炉上做了3天的掺烧30%造粒石油焦试验，原目的是研究飞灰碳含量的变化情况。所谓造粒，就是将粉料石油焦，掺加一定比例的飞灰和粘结剂，聚集成4mm左右的粒焦。这实际上使飞灰中30％左右的Ca0得到了回用，提高了石灰石的利用率。但这部分的Ca0由于表面孔隙被CaS04堵塞，使SO2不能充分地深入到Ca0颗粒内部，脱硫性能相对较差。另一方面，随着粒径增大，石油焦的着火点温度将明显提高，延长了石油焦颗粒在高温床料内加热干燥、热解及挥发份燃烧的时间，石油焦的硫份燃烬更加充分，与石灰石充分反应后，脱硫率增高。

目前II电站锅炉在石油焦中掺烧5％左右的碳黑。碳黑来自合成氨装置，水份比较大，经掺和一定量的底灰粘结，使底灰中40％左右的Ca0得到了回用。由于Ca0与碳黑中的H2O反应生成Ca（OH）2，其与SO2的结合能力比Ca0强，因此，比较造粒石油焦与掺烧碳黑，后者的脱硫效果更佳。

4.4.4：电除尘飞灰回燃循环的影响

II电站1#CFB锅炉新增电除尘飞灰回燃循环系统，将锅炉尾部电除尘器一电场收集的飞灰送回J阀回料腿，进入锅炉炉膛的密相区，实现循环燃烧。该系统有以下三个优点：a．提高碳的燃烬率；b．提高石灰石的利用率；c．调节床温，使其保持在最佳的脱硫温度下。

4.4.5：效果

II电站的两台循环流化床锅炉运行中的烟气SO2排放量在400ppm左右，（标准状态烟气中1ppm的SO2体积浓度等于2.86 mg/Nm3质量浓度），约为1144 mg/Nm3。国家排放控制标准为1200 mg/Nm3～1800 mg/Nm3，工艺控制标准为1500 mg/Nm3。

4、总结

随着社会和国家对环境保护的日益重视，以及公司HSE管理的不断深入，SO2排放控制标准将逐步向世界先进国家靠拢，达到400 mg/Nm3。由此可以看到明显的差距，CFB锅炉的清洁燃烧工作任重道远，需要为之不断的努力。综上所述，CFB锅炉的燃烧脱硫控制，关键是增大石灰石的添加量及加大物料的循环利用程度，提高Ca／S比。同时加强重视对床温、流化风速、物料粒径、石灰石脱硫活性等因素的选取、调整、控制，通过对这些因素的优化组合，提高循环流化床锅炉的脱硫效率，达到清洁燃烧的目的，净化空气，实现最大程度的不破坏环境。