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循环流化床锅炉脱硫工艺分析

  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。
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