朱杰,謝百成,王德彬,羅娟

(東北電力設(shè)計院環(huán)境工程分公司,吉林長春 130021)

循環(huán)流化床鍋爐采用兩級脫硫?qū)崿F(xiàn)SO2超低排放的探討

Discussion on two-stage desulfurization adopted in circulating fluidized bed boiler to achieve ultra-low SO2emission

朱杰,謝百成,王德彬,羅娟

(東北電力設(shè)計院環(huán)境工程分公司,吉林長春 130021)

介紹了循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫工藝,并以東北某煤矸石電廠為例,對該項目的脫硫方式選擇進行了分析,論證了循環(huán)流化床鍋爐采用兩級脫硫方式實現(xiàn)SO2超低排放的合理性和可行性。

循環(huán)流化床;兩級脫硫;SO2

近年來,循環(huán)流化床(CFB)鍋爐以其能燃用劣質(zhì)燃料、可實現(xiàn)爐內(nèi)低成本脫硫、NOx排放量低等顯著優(yōu)點,被認(rèn)為是一種實現(xiàn)資源綜合利用和潔凈燃燒的環(huán)保型熱能動力設(shè)備,受到世界各國的廣泛歡迎并得到迅猛發(fā)展。我國自1995年首臺50MW CFB鍋爐投運以來,在短短的十幾年間完成了從高壓、超高壓到亞臨界300MW CFB鍋爐技術(shù)的飛躍,已成為世界上CFB鍋爐裝機容量最多的國家。目前,世界上裝機容量最大、參數(shù)最高的四川白馬電廠600MW超臨界CFB示范電站已完成方案設(shè)計, 2009年底已開工建設(shè)。

1 CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫

1.1 脫硫原理

CFB鍋爐燃燒技術(shù)是一種在爐內(nèi)使高速運動的煙氣與其所攜帶的湍流擾動極強的固體顆粒密切接觸、并有大量顆粒返混的流態(tài)化燃燒反應(yīng)過程[1],其最重要的特征是具有主循環(huán)回路,能將大量高溫固體物料從爐膛尾部氣流中分離出來重新送回燃燒室,以維持燃燒室穩(wěn)定的流態(tài)化狀態(tài),保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)、反復(fù)燃燒和反應(yīng),有利于提高燃燒效率和脫硫效率。同時,CFB鍋爐爐膛中存在大量由高溫固體顆粒組成的床料,床料和燃料的在爐內(nèi)強烈湍流混合,有利于燃料在較低溫度條件下的穩(wěn)定著火和高效燃燒,具有極好的燃料適應(yīng)性。

基于上述原因,CFB鍋爐具有低溫強化燃燒的特點,爐內(nèi)溫度遠低于普通煤粉爐,約為850～900℃,這正是CaO與SO2反應(yīng)的最佳溫度范圍。因此,通過在CFB鍋爐爐內(nèi)添加石灰石,可直接脫除燃料燃燒產(chǎn)生的SO2,脫硫效率較高且經(jīng)濟性較好。上述脫硫工藝主要分為兩步,首先是加入爐膛的石灰石受熱分解形成CaO,然后是CaO與SO2發(fā)生反應(yīng)生成CaSO4,主要化學(xué)反應(yīng)式如下:

1.2 脫硫效率及其影響因素

對于CFB鍋爐,在合適的Ca/S(2.2～2.5)的條件下,爐內(nèi)脫硫的效率一般在80%～90%。在相同Ca/S的情況下,脫硫效率和燃煤硫分有關(guān)。硫分越高,煙氣中SO2濃度越高,其與CaO發(fā)生分子反應(yīng)的機率也越高。上海大屯電廠2×135MW機組循環(huán)流化床鍋爐,燃用硫分為0.75%的劣質(zhì)煙煤時,采用爐內(nèi)添加石灰石方式(Ca/S為2.2)脫硫,脫硫效率為84.28%;四川白馬電廠300MW循環(huán)流化床示范工程,引進法國Alstom公司技術(shù),燃用硫分為2.9%的川南高硫無煙煤時,采用爐內(nèi)添加石灰石方式(Ca/S為2.3)脫硫,脫硫效率達94%[2]。

一般認(rèn)為,CFB爐內(nèi)脫硫效率主要受Ca/S、石灰石粒度、循環(huán)倍率、反應(yīng)溫度等幾方面因素影響。其中,Ca/S是影響脫硫效率的首要因素,基本規(guī)律為Ca/S越大,脫硫效率越高,但Ca/S增大到一定程度后脫硫效率便會接近于一個臨界值,不再增長。石灰石粒度、循環(huán)倍率、反應(yīng)溫度等則是從反應(yīng)劑、反應(yīng)時間、條件等方面影響脫離效率。

2 實例分析

2.1 工程概況

該煤矸石電廠2×330MW機組位于東北東部山區(qū),配套2×1190 t/hCFB鍋爐,主要燃用當(dāng)?shù)馗鞯V業(yè)公司的洗選煤矸石、洗中煤及煤泥配成的低熱值混合燃料,設(shè)計煤質(zhì)硫分為0.34%。

2.2 環(huán)保要求

電廠所排放的SO2不但要滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223-2003)中第3時段限值要求,還要滿足地方環(huán)保部門的總量控制要求。由于本工程燃用以煤矸石為主的低熱值燃料,硫分雖低但燃煤量較大,SO2產(chǎn)生量并不小,考慮到建設(shè)單位SO2總量指標(biāo)有限的實際情況,經(jīng)過計算電廠需要采用脫硫效率在90%以上的脫硫工藝。

2.3 建設(shè)二級脫硫的必要性

根據(jù)CFB電廠的運行實例來看,由于該項目所用燃料硫分為0.34%,若僅采用CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫,在Ca/S控制在合理范圍時,由于煤質(zhì)原因,其脫硫效率只能保證在80%左右,不能滿足總量控制指標(biāo)的要求。若想通過提高Ca/S來提高CFB鍋爐脫硫效率,則Ca/S很可能需要達到3.5以上,全部石灰石煅燒成CaO所需要的熱量會大大增加,直接造成鍋爐效率的降低。另一方面,大量未反應(yīng)CaO會進入鍋爐底渣,不但增加其綜合利用的難度,更會造成石灰石的浪費。因此,從脫硫工藝對煤種的適應(yīng)性、脫硫效率的穩(wěn)定性以及電廠運行的經(jīng)濟性等多方面考慮,為能保證電廠投產(chǎn)后穩(wěn)定達到90%的脫硫效率,該項目需考慮二級脫硫方式。

2.4 二級脫硫方式的選擇

在CFB鍋爐爐后增設(shè)第二級煙氣脫硫系統(tǒng),實現(xiàn)SO2的超低排放,在美國電力行業(yè)已有數(shù)臺容量為250～300MW的CFB機組正處于實際運行,愛爾蘭等國也有100～150MW等級機組實際應(yīng)用的例子。目前,兩級脫硫系統(tǒng)在我國電力行業(yè)的大中型CFB機組尚未實際應(yīng)用,僅在廣州石化熱電站2× 420 t/h CFB機組上進行應(yīng)用。

目前,國外第二級脫硫系統(tǒng)普遍采用煙氣循環(huán)流化床半干法脫硫裝置,即由垂直布置的半干式反應(yīng)塔和布袋除塵器共同組成該系統(tǒng),系統(tǒng)工作原理是通過噴入霧化的水將床溫控制在最佳反應(yīng)溫度下,利用反應(yīng)器內(nèi)良好的氣固接觸、混合、湍動作用實現(xiàn)SO2與由CFB鍋爐飛灰中CaO生成的消石灰發(fā)生充分反應(yīng),而通過物料的多次循環(huán)使得脫硫劑具有很長的反應(yīng)停留時間,大大提高了脫硫劑的利用率和脫硫效率。因此,根據(jù)國內(nèi)外同類電廠的經(jīng)驗與項目的實際情況,東北某煤矸石電廠的二級脫硫方式也推薦采用CFB-FGD脫硫裝置。

3 CFB-FGD二級脫硫

3.1 工藝流程

在反應(yīng)塔中通過霧化噴嘴噴入水,將CFB鍋爐出來的飛灰中未反應(yīng)的CaO活化成消石灰,或根據(jù)需要添加一定量新的生石灰同時噴入反應(yīng)塔,生石灰經(jīng)活化轉(zhuǎn)變?yōu)橄?消石灰以很高的傳質(zhì)速率與煙氣中的SO2混合反應(yīng),生成CaSO4和CaSO3等反應(yīng)產(chǎn)物。這些干態(tài)產(chǎn)物小部分從反應(yīng)塔底排灰口排出,絕大部分隨煙氣進入布袋除塵器,沒有廢水產(chǎn)生。煙氣經(jīng)反應(yīng)塔的頂部進入袋式除塵器后,除去絕大部分灰,這些灰大部分經(jīng)過空氣斜槽和旋轉(zhuǎn)給料機回送到反應(yīng)塔中,重復(fù)利用并滿足塔內(nèi)灰平衡。其余灰經(jīng)倉庫放灰閥進入中間灰倉,再用正壓濃相氣力輸灰系統(tǒng)送入電廠脫硫灰?guī)臁Ｌ幚砗蟮膬魺煔饨?jīng)過引風(fēng)機排入煙囪。通過物料循環(huán),顆粒物在反應(yīng)塔中的停留時間相當(dāng)長,從而提高了污染物的去除率,也增加了吸收劑的使用率。

3.2 脫硫效率

CFB-FGD系統(tǒng)已經(jīng)在山西榆社電廠、河北馬頭電廠、河北邯峰電廠等國內(nèi)電廠投入使用,在合適的Ca/S(1.2～1.5)的條件下,脫硫效率均在90%以上。不同于上述電廠采用的煤粉爐,東北某煤矸石電廠采用的CFB鍋爐在爐內(nèi)進行一級脫硫后,存在CFB-FGD系統(tǒng)入口SO2濃度偏低的問題,脫硫效率可能會受到一定影響。

廣州石化熱電站CFB鍋爐采用相同兩級脫硫方式,以其煙氣排放測試結(jié)果類比分析該項目的CFB-FGD系統(tǒng)的脫硫效率(本文煙氣量均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值)。該電站機組配套2×420 t/h高溫、高壓循環(huán)流化床鍋爐,主要燃料為石油焦、部分摻燒煙煤,采用CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫+爐后循環(huán)流化床半干法脫硫兩級脫硫工藝。機組試運行期間,不同工況條件下CFB-FGD脫硫系統(tǒng)運行情況見表1[5]。

表1 CFB-FGD系統(tǒng)不同工況下運行參數(shù)

從表1可以看出,CFB-FGD二級脫硫裝置在不同入口SO2濃度條件下的脫硫效率不同。入口SO2濃度越高,脫硫效率也越高,但脫硫效率變化不大,穩(wěn)定在90%以上。這說明CFB-FGD脫硫系統(tǒng)與CFB鍋爐脫硫原理相似,兩者的脫硫效率與煙氣中SO2濃度呈正相關(guān)性的規(guī)律也是一致的。

考慮到東北某煤矸石電廠項目所用燃料含硫量較低,經(jīng)過一級脫硫后CFB-FGD脫硫裝置入口SO2濃度在300mg/m3左右,比廣州石化熱電站要小一些,因此在合適Ca/S比下CFB-FGD裝置脫硫效率完全可達到80%以上。由于該項目CFB鍋爐一級脫硫已達到80%的脫硫效率,CFB-FGD裝置脫硫效率達到50%時即能達到電廠總的脫硫效率達到90%的要求。

3.3 CFB-FGD二級脫硫的優(yōu)點

(1)由于CFB鍋爐燃燒溫度屬于石灰石軟燒分解溫度,產(chǎn)生的生石灰空隙率最多,活性最好,是一種極好的脫硫劑來源。因此,該項目的CFB鍋爐飛灰中含有的大量未完全反應(yīng)CaO,可以充分利用作為CFB-FGD二級脫硫系統(tǒng)的脫硫劑。經(jīng)過初步計算,鍋爐飛灰中的CaO量完全可以滿足爐后CFB -FGD煙氣脫硫的需要,不需要另外添加脫硫劑,大大地節(jié)約了脫硫劑成本。從另一方面看,也可解決原來CFB鍋爐飛灰中CaO過高的問題,擴寬了電廠飛灰綜合利用的渠道。

(2)CFB-FGD二級脫硫系統(tǒng)不但能有效脫除SO2氣體,反應(yīng)塔內(nèi)的消石灰還可以與SO3、HCl、HF等酸性氣體發(fā)生中和反應(yīng)、吸附如Hg、Pb等煙氣中所含的重金屬。在有效脫除這些危險的空氣污染物同時,還可以避免煙氣對脫硫設(shè)備系統(tǒng)包括煙囪的腐蝕,節(jié)約防腐處理成本。

(3)CFB-FGD脫硫系統(tǒng)排出的煙氣溫度大約在70℃左右、含水量少,相比濕法脫硫系統(tǒng),更加有利于污染物在大氣中的擴散、降低污染物落地濃度水平,也不會發(fā)生“煙囪雨”等現(xiàn)象。

(4)脫硫系統(tǒng)尾部采用布袋除塵器,能有效避免CFB鍋爐飛灰中CaO含量過高、比電阻過大等問題,實現(xiàn)煙塵的超低排放。

(5)CFB-FGD煙氣脫硫系統(tǒng)耗水量少、沒有廢水排放,工藝系統(tǒng)具有成熟簡單、經(jīng)濟性好、占地面積小、維護工作量小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

4 結(jié)語

綜上所述,通過采用CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫+爐后循環(huán)流化床半干法脫硫(CFB-FGD)兩級脫硫工藝,東北某煤矸石電廠脫硫效率完全可以達到90%乃至更高,滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。因此,對于SO2排放濃度超過限值或者SO2排放總量無法達到要求的循環(huán)流化床鍋爐機組,CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫+爐后循環(huán)流化床半干法脫硫(CFB-FGD)兩級脫硫工藝是一種技術(shù)先進可靠、經(jīng)濟合理可行、應(yīng)用前景廣闊的大氣污染控制措施,為循環(huán)流化床鍋爐實現(xiàn)SO2的超低排放提供了一條可行的技術(shù)途徑。

[1]岑可法,倪明江,駱仲泱,等.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計和運行[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2]陳春元,聶立,肖峰,等.循環(huán)流化床鍋爐燃燒設(shè)備性能設(shè)計方法[M].哈爾濱:普華煤燃燒技術(shù)研發(fā)中心,2007.

[3]Goidich S J.Circulating fluidized bed technology utility-Scale unit experiences[M].FosterWheeler Energy Corporation:2001.

[4]Makansi,Jason.CFBs anchor premier approach to extracting value from solid fuels[J].Power,2005,(3):34-35.

X701.3

B

1674-8069(2010)04-038-03

2010-03-06;

2010-05-04

朱杰(1982-),男,湖北黃石人,工程師,主要從事火電廠環(huán)評及設(shè)計工作。E-mail:zhujie@nepdi.net

Abstract:The process of circulating fluidized bed desulfurization technology was introduced.The opt ions of desulfurization m ethod of a gangue powerp lant in no rtheastof China were analyzed and introduced as an example, and the rationality and feasibility of two -stage desulphurization adopted in circulating fluidized bed bo iler to achieve ultra-low SO2em ission were demonstrated.

Key words:circulating fluidized bed;two-stage desulfurization;SO2