侯致福， 高彬彬， 高建強(qiáng)， 程少偉

(1. 華北電力大學(xué), 河北保定 071003；　2. 山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司, 山西朔州 036000)

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300 MW CFB鍋爐尾部煙道噴氨水脫硫試驗(yàn)研究

侯致福1,2， 高彬彬1， 高建強(qiáng)1， 程少偉1

(1. 華北電力大學(xué), 河北保定 071003；2. 山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司, 山西朔州 036000)

為了降低某300 MW CFB鍋爐二氧化硫排放量，設(shè)計(jì)了尾部煙道直接噴氨水脫硫系統(tǒng)，在機(jī)組負(fù)荷260 MW范圍內(nèi)進(jìn)行了鍋爐尾部煙道噴氨水脫硫試驗(yàn)。結(jié)果表明：脫硫效率在26.4%～45.7%，脫硫效率隨氨水流量的增大而增大，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)煙溫影響很小，引風(fēng)機(jī)出口煙氣溫度最高降幅只有1.7 K，后煙道阻力也沒(méi)有明顯變化。試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)飛灰結(jié)塊或煙道積水的問(wèn)題。

CFB鍋爐； 氨法； 脫硫

CFB鍋爐能很好地適應(yīng)我國(guó)燃煤特點(diǎn)，在污染物排放等領(lǐng)域中具有較大的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)CFB鍋爐技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)展，是我國(guó)煤電技術(shù)的重要補(bǔ)充[1]。大量實(shí)踐表明CFB鍋爐爐內(nèi)加鈣燃燒脫硫效率可達(dá)90%以上，然而爐內(nèi)脫硫效率的提高是建立在鈣硫比增大的基礎(chǔ)上[2]，當(dāng)脫硫效率達(dá)到90%以上時(shí)鈣硫比往往達(dá)到2～3.5[3-4]，而且爐膛溫度需要維持在850～900 ℃，這不僅增加了鍋爐的運(yùn)行費(fèi)用以及CO2與NOx的排放量，而且還降低了鍋爐的熱效率，加劇了鍋爐受熱面的磨損。

GB 13233—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求：自2014年7月起，現(xiàn)有鍋爐煙氣中SO2排放標(biāo)準(zhǔn)在200 mg/m3以下。這對(duì)CFB鍋爐的脫硫效率提出了更高的要求。適當(dāng)提高鈣硫比、增強(qiáng)石灰石反應(yīng)活性等方法，都存在很多局限性[5]。于是越來(lái)越多的CFB鍋爐，開始仿照煤粉爐的脫硫方法，在尾部煙道加裝二級(jí)脫硫設(shè)備以提高整體脫硫效率。

CFB鍋爐爐內(nèi)石灰石脫硫成本較低，經(jīng)過(guò)爐內(nèi)脫硫后的煙氣SO2含量已較低，如在尾部加裝二級(jí)脫硫設(shè)備，其脫硫效率無(wú)需很高就可滿足排放要求。因此，綜合考慮CFB鍋爐的特點(diǎn)，研究開發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，占用空間小，以爐內(nèi)石灰石為主、尾部補(bǔ)充脫硫手段為輔的高效CFB鍋爐脫硫技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

氨水是一種被廣泛應(yīng)用的脫硫劑，氨水在液態(tài)條件下，與SO2發(fā)生的氣-液反應(yīng)是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的脫硫方法之一。SO2吸收率高，反應(yīng)速率快，且煙氣溫度對(duì)脫硫效率影響小[6]。氨氣對(duì)SO2也有很高的吸收效率，Shale[7]使用單一氨氣完成了小規(guī)模試驗(yàn)和工業(yè)化脫硫試驗(yàn)，結(jié)果顯示當(dāng)氨氣與SO2的摩爾比略小于2的時(shí)候，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2的完全脫除。Pakrasi等[8]在小規(guī)模工業(yè)化試驗(yàn)中，將Ca(OH)2漿液通過(guò)噴霧器噴灑，同時(shí)通入NH3，在NH3與SO2的摩爾比為2的情況下，使得單一利用Ca(OH)2漿液的脫硫效率從60%提高到95%以上，并且無(wú)明顯的氨逃逸現(xiàn)象。當(dāng)單一噴射NH3時(shí)，其利用率接近100%。

筆者提出了一種向CFB鍋爐尾部煙道直接噴射氨水的方法，作為CFB鍋爐煙氣脫硫的補(bǔ)充方法，并以山西某電廠300 MW CFB鍋爐機(jī)組為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了尾部煙道直接噴氨水脫硫系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，期望提高機(jī)組的整體脫硫效率，減小SO2排放量。

1　工作原理

氨水被噴入到煙氣后，其脫硫過(guò)程可能包含氣液固三相反應(yīng)，氨水中的NH4OH受熱逸出NH3，NH4OH與NH3分別與SO2發(fā)生氣-液反應(yīng)與氣-氣反應(yīng)；此外，其中的水分或者水蒸氣也可能與飛灰內(nèi)的CaO反應(yīng)生成Ca(OH)2，Ca(OH)2再與SO2發(fā)生脫除反應(yīng)。主要反應(yīng)如下[9]：

(1) 飛灰中CaO脫除SO2。

CaO+H2O→Ca(OH)2

(1)

Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2O

(2)

2CaSO3+O2→2CaSO4

(3)

(2) 氨脫除SO2。

2NH4OH+SO2→(NH4)2SO3+H2O

(4)

(NH4)2SO3+SO2+H2O→2NH4HSO3

(5)

2NH3+SO2+H2O→(NH4)2SO3

(6)

NH3+SO2+H2O→NH4HSO3

(7)

NH4HSO3+NH3→(NH4)2SO3

(8)

2(NH4)2SO3+O2→2(NH4)2SO4

(9)

2NH4HSO3+O2→2NH4HSO4

(10)

2NH4HSO3+O2+2NH3→2(NH4)2SO4

(11)

2　尾部煙道直接噴氨水脫硫系統(tǒng)

氨水噴嘴布置在除塵器之前靠近空氣預(yù)熱器出口處。采用20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)氨水與工業(yè)水配制成不同濃度的稀氨水，配制好的氨水通過(guò)離心泵送至空氣預(yù)熱器出口煙道上沿，經(jīng)霧化噴嘴霧化后投入煙道，反應(yīng)產(chǎn)物隨煙氣流動(dòng)，被布袋除塵器捕集(見(jiàn)圖1)。霧化噴嘴沿?zé)煹栏叨确较虺噬舷聝膳挪贾?，?2只。

1—CFB鍋爐本體；2—混合罐；3—濃氨水罐；4—工業(yè)廢水罐；

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理

在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定后，調(diào)整入爐石灰石量，將煙氣中的w(SO2)穩(wěn)定在1 200 mg/m3左右，分別對(duì)煙道中的飛灰及混合罐中的氨水進(jìn)行采樣，采樣完畢后開始噴氨試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行中每隔5 min對(duì)煙道內(nèi)的飛灰進(jìn)行一次采樣，待負(fù)荷開始變化后結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束5 min后對(duì)煙道中的飛灰進(jìn)行采樣。

飛灰樣本通過(guò)尾部水平煙道上表面的采樣孔采集，每次采集時(shí)間為5～8 min，之后從采集的飛灰中取出2份，分別測(cè)定其CaO含量，取其平均值。氨水樣本從脫硫泵出口母管采樣口采集，采集之后分兩次測(cè)量其濃度，取其平均值。其他參數(shù)數(shù)據(jù)均從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)中拷取，數(shù)據(jù)采樣周期為5 min。

脫硫效率為：

(12)

式中：w(SO2)為噴氨前尾部煙道處監(jiān)測(cè)的SO2質(zhì)量濃度的平均值，mg/m3；w′(SO2)為噴氨時(shí)或流量改變時(shí)尾部煙道處監(jiān)測(cè)的SO2質(zhì)量濃度，mg/m3。

3.2 噴氨脫硫試驗(yàn)

噴氨脫硫試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1　噴氨脫硫試驗(yàn)工況

圖2為工況1中煙氣w(SO2)的變化曲線。在工況1中，9%的氨水以7.8 t/h的流量持續(xù)噴入25 min后，煙氣中的w(SO2)由平均1 032 mg/m3下降至560 mg/m3左右，脫硫效率為45.7%，停止噴氨后w(SO2)短暫穩(wěn)定后階躍至980 mg/m3左右。

圖2　工況1中w(SO2)變化曲線

工況2、3、4為連續(xù)的噴氨過(guò)程，每一工況對(duì)氨水流量做了調(diào)整，其余參數(shù)不變。工況2中煙氣w(SO2)變化見(jiàn)圖3。9%的氨水以4.4 t/h的流量噴入煙道，持續(xù)噴氨31 min后，煙氣中w(SO2)由平均1 543 mg/m3降至1 084 mg/m3，脫硫效率為29.7%。

圖3　工況2中w(SO2)變化曲線

工況3中氨水流量由4.4 t/h提高至5.7 t/h，煙氣中w(SO2)由1 084 mg/m3繼續(xù)下降，25 min后下降至689 mg/m3，脫硫效率為36.4%，其質(zhì)量濃度變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4　工況3中w(SO2)變化曲線

當(dāng)氨水流量從5.7 t/h下降至3.7 t/h后，煙氣中w(SO2)停止下降，保持將近10 min的平穩(wěn)后出現(xiàn)階躍上升，最終停留在920 mg/m3左右，當(dāng)停止噴氨后，煙氣中w(SO2)又保持了10 min左右的平穩(wěn)后再次出現(xiàn)階躍上升趨勢(shì)，停留在1 250 mg/m3左右，從噴氨結(jié)束10 min后的數(shù)據(jù)來(lái)算其脫硫效率為26.4%，工況4中的煙氣w(SO2)變化見(jiàn)圖5。

圖5　工況4中w(SO2)變化曲線

氨水吸收煙氣中SO2是氣-液或氣-氣反應(yīng)，包含了氣液兩相傳質(zhì)、傳熱及液相內(nèi)化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程[10]，各工況脫硫效率見(jiàn)表2。

表2　各工況下脫硫效率　%

由于受煤質(zhì)和給煤量的影響，w(SO2)是不斷波動(dòng)的，對(duì)比各工況可知，當(dāng)氨水流量增大后，脫硫效率也隨之增大。

3.3 飛灰中w(CaO)的變化

工況1中氨水的投入對(duì)飛灰中w(CaO)的影響見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)：工況1中飛灰w(CaO)由7.94%下降至噴氨水時(shí)的7.55%，停止氨水投入后，飛灰中w(CaO)上升至8.22%， 試驗(yàn)期間飛灰中w(CaO)減少了0.48%。這可能是由于氨水中的水或水蒸氣與CaO發(fā)生反應(yīng)生成了Ca(OH)2，Ca(OH)2可能與SO2再次發(fā)生反應(yīng)[11]。

圖6　噴氨試驗(yàn)前后飛灰中w(CaO)變化

3.4 試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響

工況1～4中引風(fēng)機(jī)出口溫度和引風(fēng)機(jī)出口煙氣壓力變化幅度見(jiàn)表3。

表3　引風(fēng)機(jī)出口煙溫及煙氣壓力變化

噴氨過(guò)程中引風(fēng)機(jī)出口煙氣溫度最大下降1.7 K，對(duì)排煙溫度的影響很小，無(wú)需增加煙氣再熱設(shè)備。 在引風(fēng)機(jī)出力不變的情況下，引風(fēng)機(jī)出口煙氣壓力幾乎沒(méi)有變化，證明該系統(tǒng)不增加煙道阻力，不增加引風(fēng)機(jī)負(fù)荷。試驗(yàn)過(guò)程中氨逃逸量小于10×10-6，未出現(xiàn)飛灰結(jié)塊、煙道積水等情況，系統(tǒng)安全性較好。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上試驗(yàn)與分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 在機(jī)組負(fù)荷260 MW范圍內(nèi)，進(jìn)行了鍋爐尾部煙道噴氨水脫硫試驗(yàn)，得到的最大脫硫效率為45.7%，脫硫效率隨氨水流量的增大而增大。

(2) 噴入氨水后飛灰中的w(CaO)有所降低，但變化不是很大。

(3) 該系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)煙氣溫度、煙氣流動(dòng)阻力的影響極小，氨逃逸量較小。

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Experimental Study on SO2Removal by Ammonia Injection into Tail Flue Duct of a 300 MW CFB Boiler

Hou Zhifu1,2, Gao Binbin1, Gao Jianqiang1, Cheng Shaowei1

(1. North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China;2. Shanxi Pingshuo Gangue-fired Power Generation Co., Ltd., Shuozhou 036000,Shanxi Province, China)

To reduce the SO2emission of a 300 MW CFB boiler, a SO2removal system is designed by directly spraying ammonia into the tail flue duct, and subsequently experimental tests are conducted at the load of 260 MW on the system. Test results show that the desulfurization efficiency lies in the range of 26.4%～45.7%, which increases with the rise of ammonia flow rate. The system has a little impact on the flue gas temperature, and the maximum drop of flue gas temperature at outlet of induced draft fan is only 1.7 K. Meanwhile, the flue resistance does not change significantly at boiler tail. During the test, no obvious accumulation of fly ash or water is observed.

CFB boiler; ammonia method; desulfurization

2015-12-23

侯致福(1986—)，男，工程師，主要從事電廠污染物控制工作。

E-mail: 306540223@qq.com

X701.3

A

1671-086X(2016)04-0250-04