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影响CFB锅炉脱硫效率的原因分析与对策
孔斌 陈建和
荆门石化动力部
摘要：循环流化床锅炉是采用先进燃烧技术的环保型锅炉，随着国家对环保排放标准的日益提高，依靠其自身燃烧特性不能满足达标要求，本文介绍了炉内喷钙脱硫原理，以CFB锅炉特性为基础，结合日常运行数据以及喷钙脱硫标定试验数据，对CFB锅炉S02排放主要影响因素进行了分析与探讨，并对燃料复杂的情况下如何降低排放物提出了对策。

关键词：循环流化床锅炉；喷钙脱硫 ；原因分析
1前言
我厂CFB锅炉是高温高压循环流化床锅炉,它是一种采用先进燃烧技术的环保型锅炉，与其它类型锅炉相比，其具有燃料适应性广、炉内脱硫成本低、污染物排放少、燃烧效率高、负荷调节能量强、灰渣综合利用等独特的优势，成为最为成功的洁净燃烧技术之一[1]。我厂2×130t/h的CFB锅炉燃料适应性广，除了燃料煤以外，还能掺烧石油焦、油泥、瓦斯、树脂等。但是随着我国最新国标GB13223-201l 《火电厂大气污染物排放标准》燃煤锅炉SO2、NOx 排放要求是200 mg/Nm³，粉尘排放为 30 mg/Nm³，要实现较高脱硫效率，以进一步达到环保要求，需要从运行角度多方位考虑。
2 CFB锅炉炉内喷钙脱硫原理
炉内喷钙脱硫工艺原理是将石灰石粉用压缩空气喷射到炉内最佳温度区，并使脱硫剂石灰石与烟气有良好的接触和反应时间，石灰石受热分解成氧化钙和二氧化碳，再与烟气中二氧化硫反应生成亚硫酸钙和硫酸钙，最终被氧化成硫酸钙。
化学反应机理如下：
CaCO3==高温==CaO+CO2↑
CaO+SO2====CaSO3
2CaSO3+O2====2CaSO4
3 炉内喷钙脱硫效率计算
我厂CFB锅炉炉内喷钙脱硫系统于2013年10月建成投用正常，当时的荆门地方政府SO2排放标准是≤850 mg/Nm³，我厂与喷钙系统厂家签订的协议SO2排放是400 mg/Nm³，系统投入运行后，在工况稳定的情况下，日常的SO2排放量处于400～200 mg/Nm3之间，达到协议要求，为了更好的统计分析影响脱硫效果的各项因素，将喷钙脱硫效率计算如下：
CFB锅炉规程规定的设计煤质Sar为0.6%，按该值计算理论SO2排放量：
理论空气量=0.0889×(Car + 0.375×Sar)+ 0.265×Har-0.0333Oar （Ⅰ）
理论干烟气量=0.01866×(Car+0.375×Sar)+0.008×Nar+0.79×理论空气量 （Ⅱ）
SO2=Sar×20000/(理论干烟气量+0.4×理论空气量) （Ⅲ）
将设计煤种Sar为0.6%数据代入（Ⅰ）、（Ⅱ）公式中，根据公式（Ⅲ）可得理论SO2排放量：
理论SO2排放浓度= 1576 mg/Nm3，把2014年6月中旬入炉煤Sar为0.47%计算脱硫前产生的二氧化硫含量为：
SO2=1576×21084/（Qnet）×Sar/0.6=1576×21084/20987×0.47/0.6 =1240mg/Nm3
6月中旬日常的SO2排放量也处于400～200之间，据于此，计算出脱硫效率为：
η1=（1240-400）/1240=67%；
η2=（1240-200）/1240=83%
喷钙脱硫系统脱硫效率在67%~83%区间。
4 喷钙脱硫系统标定数据采集
为了总结出影响喷钙脱硫效率的各个因素，车间联合质管中心环监站一起对喷钙系统进行标定，将喷钙脱硫运行数据和喷钙标定典型数据列举如表1：
锅炉负荷
（t/h）
氧量（%）
床温（℃）
930±5
入炉煤S含量（%）
管道压力（MPa）

DCS总测点SO2（mg/m³）

备注
SO2
122
2.0%
935
0.47
0.05
400
标定氧量对脱硫的影响
123
2.3%
930
0.47
0.05
301
122
2.6%
930
0.47
0.05
248
123
3.0%
932
0.47
0.05
221
124
3.2%
928
0.47
0.05
200
124
3.5%
934
0.47
0.05
210
124
3.7%
931
0.47
0.05
240
123
3.3%
850
0.47
0.05
360
标定床温对脱硫的影响
122
3.4%
870
0.47
0.05
290
123
3.3%
890
0.47
0.05
240
124
3.2%
910
0.47
0.05
205
123
3.3%
930
0.47
0.05
250
125
3.3%
950
0.47
0.05
310
表1：CFB锅炉喷钙脱硫系统标定数据记录表
表1中锅炉负荷基本维持在124 t/h左右，测试氧含量对脱硫效率影响时，床温稳定在930左右℃，喷钙量管道压力维持在47kPa；测试床温对脱硫效率影响时，氧含量维持在3.3%左右，喷钙量管道压力维持在47kPa，标定过程中，入炉煤硫含量均为0.47%。
4. 影晌CFB锅炉控制S02排放的因素
喷钙脱硫系统协议SO2排放是≤400 mg/Nm³。从2014年7月起，地方政府要求实施新的排放标准，为了能使SO2排放≤200 mg/Nm³，车间通过运行调整，得出Ca/S比、氧含量、床温、石灰石粒径是影响SO2排放重要因素，对此依次分析如下;
4.1Ca/S比对脱硫效率的影响
Ca/S比是影响脱硫效率的首要因素，CFB锅炉Ca/S比经验值是控制在1.5～2.5 为宜[3]。Ca/S 比增加时石灰石耗量增加，运行费用随之增加，石灰石投入过多时，脱硫效率提高较慢，并引起床温降低、飞灰量增加、锅炉效率下降等负面影响。我们主要是通过选择低硫煤和高品位的脱硫剂，在入炉煤质方面，通过运行发现，燃煤硫含量一旦高于0.6%时，石灰石耗量将增大，而且当硫含量超过1%时，通过增加Ca的比例也无法抑制SO2的生成。所以在调整Ca/S比时，要求采购燃煤硫含量低于0.6%；在石灰石品质方面，我厂选取的石灰石中碳酸钙含量达到97%，高温分解后CaO含量可以达到54% ，这样搭配的Ca/S能够很好的控制在1.5～2.5范围内。
4.2氧含量对脱硫效率的影响
在锅炉负荷约为124t/h、平均床温为930℃、不掺烧其它燃料、Ca/S比不变的条件下，改变氧含量观察脱硫效果的变化，根据表1中的数据整理出二氧化硫与氧含量关系见图1。

图1 ：二氧化硫与氧含量关系图
标定过程中在锅炉负荷基本保持不变的情况下，通过开大二次风来提高氧含量，因为二次风的穿透深度和混合扰动能力得到增强后，增加了炉膛上部稀相区氧气的浓度和扩散能力，被烟气扬析和夹带出炉床的细小颗粒会减少，分段燃烧的作用更加明显。调整氧量过程时尽量保持一次风不变，因为开大一次风后密相区物料会整体上移，更加接近炉膛出口，导致脱硫剂利用率低。从图1中可以看出，随着氧含量的增大，脱硫效果越好，但是锅炉运行的氧量高低还会影响在线检测仪S02上传的折算值，折算过程中，尾部氧量越高，折算得出的S02越高，在排放合格的情况下出于炉膛经济燃烧，综考虑氧含量控制在3%～3.5%比较合适。
通过二次风调整氧量过程中还可以抑制氮氧化物的生成，因为分层布置的二次风在炉内能够营造出局部的还原性气氛，从而抑制燃料中的氮氧化物，降低氮氧化物NOX的生成。
4.3床温对脱硫效率的影响
床温变化直接影响石灰石的反应速度、固体产物的分布以及孔隙堵塞特性，对CFB锅炉炉内脱硫有重要影响，CFB锅炉的理论最佳脱硫温度为850～900℃[2]。试验过程中，保持其他运行参数(锅炉负荷约为123t/h、二次风量为31000m³/h,石灰石平均粒径、Ca/S比等)基本不变，通过调整一次风量来改变炉床温度，观察得出炉床温度变化对脱硫效率的影响，根据表1中整理得图2。

图2：脱硫效率与床温标定关系
由图2可知，随着床温超过930℃以后的上升，脱硫效率呈线性下降。因为虽然过高的燃烧脱硫反应温度会使反应速率很高，但在扩散孔条件下，炉床温度过高会导致脱硫剂烧结，孔隙被生成的CaS04堵塞更加严重，影响石灰石利用率；炉膛床温过高还会使脱硫产物CaS04分解重新生成S02，脱硫效率下降。而我厂的CFB锅炉运行负荷接近满负荷，偶尔掺烧石油焦、瓦斯，风室压力一般控制在7.8～8.5kPa区间，床温普遍偏高，因此，在保证燃烧效率的前提下，建议适当控制炉床温度以提高脱硫效率，通过试验验证，在我厂煤质现状下，CFB锅炉床温控制在890～930℃之间脱硫效率较好。
4.4石灰石粒径对脱硫效率的影响
石灰石粒径对脱硫的影响主要是通过日常运行总结得出，石灰石的平均粒径越小，其表面积越大，烟气与石灰石接触面积也就越大，S02和Ca0的反应机会就越多，因此脱硫反应速度较快，脱硫效率也较高。但脱硫剂粒径太小时，更多的石灰石颗粒会被烟气扬析和夹带出炉膛，在炉膛内的停留时间较短，如果不能被旋风分离器捕捉送回炉膛进行利用，则增大了飞灰形式的逃逸量，影响石灰石的利用效率。颗粒太粗则 CaO与 S02 反应后在颗粒表面形成致密的 CaS04 层阻止 S02 与颗粒中心区域 CaO 的进一步反应。
根据我厂运行统计的数据，喷钙脱硫系统运行摸索阶段有60～100目和35～100目（比例占80%）两个不同规格的石灰石运行情况见表2；
石灰石粒径
每吨蒸汽产生的S02排放量
每吨蒸汽消耗的石灰石量
60～100目
83～90g
17～18kg
35～100目
66～75g
14～15kg
表2：两种不同规格石灰石效果和消耗分析表
表2中两种不同规格的石灰石所产每吨蒸汽的排放和消耗对比发现60～100目石灰石耗量大，而且脱硫效率低，其主要是由于石灰石在炉膛反应时间短，利用率低，35～100目粒径的石灰石脱硫效果高，所以结合我厂CFB锅炉的循环倍率、料层压差、分离器特性等，对石灰石的特性及粒径要求如下。
石灰石的特性(煅烧前)
名称
符号
单位
数值
碳酸钙
CaCO3
%
97.34
碳酸镁
MgCO3
%
0.63
水
H2O
%
0.5
其它

%
1.53
石灰石入炉粒度：
最大粒径dmax=1.8mm, d50=0.45mm

5.燃料复杂的工况下降低排放物的对策
我厂需要CFB锅炉平衡瓦斯、石油焦、处理油泥等作用，这给锅炉的达标排放带来了很重的排放负担，由于瓦斯（脱硫不好的情况）、石油焦、油泥硫份含量高，容易造成S02、粉尘波动，针对这类情况，结合炉内喷钙脱硫系统制定以下对策可以适当降低对排放的影响。
在掺烧瓦斯工况下，及时投用掺烧瓦斯处的石灰石喷口，以瓦斯量的大小决定喷口开口个数，1000m³/h瓦斯量开一个喷口，单炉瓦斯量控制在2000m³/h以内，瓦斯中硫化氢含量不能超过50ppm，掺烧瓦斯同时适当增加二次风的风量，保证炉膛横截面各处燃料充分与氧接触。由于瓦斯掺烧口位于炉膛13米标高，相当于再燃区，瓦斯成分CH4能使已生成的NOx得到还原，同时还能抑制NOx的生成 [4]。
在掺烧石油焦工况下，容易造成床温过高，影响脱硫效果，可以根据床温调整一次风量，一次风具有较高的风压，通过提高流化风量，控制床温在920℃以下，另外石油焦的掺配比例不要超过3%。
在掺烧油泥时，由于油泥硫份较高，而且湿度较大，入炉油泥在干化过程后期是依靠混合石灰石去除水分，所以掺烧油泥时要求石灰石混合均匀，掺配比例不能大于3%，掺配均匀。
合理选择给煤机运行方式，在负荷较高的情况下，应选择同时投用两台给煤机运行，两台给煤机同时运行时，入炉煤进入炉膛与石灰石混合会比较均匀，反应效果优于单台给煤机给煤的脱硫效果。
6.结束语
影响循环流化床锅炉 CFB 炉内脱硫效率的因素很多，在我厂CFB锅炉现有脱硫工艺的条件下，必须从文中分析的影响脱硫效率的几个方面综合考虑，加强脱硫设备的长周期运行，控制入炉煤硫份，以及控制其它燃料的掺配比例，才能实现较高脱硫效率，以进一步满足环保要求。

参考文献：
[1] 岑可法，倪明江.循环流化床锅炉原理及应用 [M]. 北京:中国电力出版社， 1998.
[2] 程军, 曹欣玉, 宋玉彩, 等.层燃炉内高温燃烧脱硫热工环境的研究 [J].中国电机工程学报,2002,22(10) 142-147.
[3] Junhu Zhou, Jun Cheng, Xinyu Cao, et al. Experimental research on two-stage desulfurization technology in traveling grate boilers [J].Energy. 2001, 26 759-774.
[4] 刘建忠 吴晓蓉 程军,等.工业废弃物在煤燃烧过程中脱硫行为的研究 [J]. 环境科学学报2000 20(6) 790-793.