楊曉輝

(1.兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 濟(jì)寧 273599；2.兗礦科技有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

純煤泥燃燒的循環(huán)流化床鍋爐多采用異重流化床結(jié)團(tuán)燃燒不排渣運(yùn)行的煤水混合物流化床燃燒技術(shù)，即由密度差異較大的不同顆粒組成的流化床系統(tǒng)，密度大的顆粒趨向于在床層下部分布，而密度小的顆粒趨向于在床層上部分布，以防止大塊凝聚團(tuán)在流化床內(nèi)沉積。其工作方式為：煤泥經(jīng)輸送系統(tǒng)進(jìn)入爐膛內(nèi)并呈團(tuán)塊狀下落，煤泥團(tuán)表面水分先蒸發(fā)，外表形成硬殼；在進(jìn)一步下落過程中煤泥團(tuán)中的水分氣化，煤泥發(fā)生熱爆形成更小的泥團(tuán)；然后再次結(jié)殼，熱爆；當(dāng)煤泥團(tuán)下落到底部時(shí)，煤泥團(tuán)全部爆裂消失，在爐內(nèi)燃燒[1]。煤泥結(jié)團(tuán)和爆裂特性是煤泥循環(huán)流化床正常燃燒的基礎(chǔ)，池涌等[2]、曾庭華等[3]、黃國權(quán)等[4]、Omar 等[5]均利用不同方式在小型流化床試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)煤泥的燃燒過程進(jìn)行了研究，A.M.Grishin等[6]、尹煒迪等[7]還分別構(gòu)建了煤泥團(tuán)燃燒過程的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。但目前多側(cè)重于煤泥團(tuán)個(gè)體燃燒特性研究，較少涉及連續(xù)給料工況下煤泥團(tuán)對(duì)工業(yè)規(guī)模循環(huán)流化床鍋爐污染物排放特性的影響。兗礦科技有限公司在中試試驗(yàn)、工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了全煤泥循環(huán)流化床鍋爐SO2排放特性的不穩(wěn)定性、脫硫特性，對(duì)現(xiàn)有全煤泥循環(huán)流化床燃燒、脫硫理論進(jìn)行了補(bǔ)充、完善。

本研究在前人豐碩研究成果的基礎(chǔ)上，以兗礦集團(tuán)某公司全煤泥循環(huán)流化床鍋爐為例，重點(diǎn)研究了全煤泥循環(huán)流化床鍋爐SO2排放的不穩(wěn)定性、脫硫特性，對(duì)現(xiàn)有全煤泥循環(huán)流化床脫硫理論進(jìn)行了補(bǔ)充、完善，提出降低企業(yè)脫硫運(yùn)行成本等技術(shù)建議。

1 煤泥燃燒SO2排放特性

由于自固硫作用，燃煤中的硫在循環(huán)流化床運(yùn)行溫度內(nèi)不能完全析出。為測(cè)定某電廠煤泥中硫在不同溫度下的析出量，在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用煤炭全硫分測(cè)定方法測(cè)量煤泥在不同溫度下硫的析出量，其值與硫含量的百分比值為硫析出所占份額。結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下煤泥中硫的析出量

由圖1可知，在400 ℃時(shí)，燃料中的硫就大量析出。隨燃燒溫度升高，煤灰中堿金屬與堿土金屬類礦物質(zhì)開始表現(xiàn)出對(duì)SO2析出的抑制作用[8]，硫的析出量減小。溫度升高到900 ℃以上時(shí)，硫的析出重新占主要作用，析出量增大，從而最終表現(xiàn)形式為800 ℃時(shí)硫的析出量最小。由于低溫時(shí)參與硫析出的燃料量較小，故低溫時(shí)硫的析出不是決定SO2排放濃度的主要因素，即在循環(huán)流化床運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，硫的析出量變化幅度較小。

在維持循環(huán)流化床鍋爐操作條件穩(wěn)定的前提下，現(xiàn)場測(cè)量分離器后部鍋爐煙氣成分，結(jié)合測(cè)量期間鍋爐DSC運(yùn)行數(shù)據(jù)，可獲得SO2排放濃度與運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果見圖2至圖4。

圖2 爐膛溫度變化對(duì)SO2排放濃度變化的影響趨勢(shì)

圖2為爐膛溫度變化對(duì)SO2排放濃度變化的影響趨勢(shì)。由圖2可知，SO2排放濃度在600～900 kg/m3范圍內(nèi)波動(dòng)。爐膛內(nèi)溫度變化與SO2排放濃度變化并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，只是在個(gè)別時(shí)間段SO2排放濃度與爐膛中部溫度、出口溫度的變化趨勢(shì)相同，特別是時(shí)間500 s附近，SO2排放濃度與爐膛中部溫度表現(xiàn)出高度相似性。500 s附近SO2排放濃度變化趨勢(shì)說明煤泥燃燒特性對(duì)硫析出的影響，熱爆導(dǎo)致燃燒表面積增加，使得SO2排放濃度瞬時(shí)增大；個(gè)別時(shí)間段SO2排放濃度與爐膛上部溫度變化趨勢(shì)相同，則顯示了小塊煤泥團(tuán)燃燒對(duì)SO2排放濃度的重要影響，說明有一部分SO2是在爐膛上部釋放形成的，其值大小取決于小塊煤泥團(tuán)所占份額的多少。

圖3 CO、SO2排放濃度隨燃燒時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖3中500 s附近SO2、CO濃度變化進(jìn)一步說明熱爆使燃燒煤泥量增加對(duì)SO2總生成量的影響，1 800 s附近的濃度變化則顯示煤泥團(tuán)可燃表面積增加導(dǎo)致局部缺氧，使SO2生成量下降，但隨煤泥團(tuán)充分燃燒，SO2排放濃度開始上揚(yáng)。

圖4 一、二次風(fēng)量與SO2排放濃度隨燃燒時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖4所示為一、二次風(fēng)量與SO2排放濃度隨燃燒時(shí)間的變化趨勢(shì)，由圖可以看出，一次風(fēng)量與SO2排放濃度沒有明顯關(guān)系，但二次風(fēng)量在個(gè)別時(shí)間段與SO2排放濃度變化表現(xiàn)出一致性，這是由于二次風(fēng)的攪動(dòng)作用對(duì)燃燒的促進(jìn)作用增大了煤泥中硫的析出量，說明總體上煤泥燃燒仍表現(xiàn)出煤的燃燒特性。即SO2排放濃度的變化是由煤泥燃燒量的變化導(dǎo)致的，造成煤泥燃燒量變化的主要原因則來自于煤泥熱爆，這一點(diǎn)在圖3中表現(xiàn)的更為明顯。

因此，由于熱爆形成的煤泥團(tuán)粒度不可控，從而使得SO2排放濃度表現(xiàn)出了較大波動(dòng)性，但煤泥團(tuán)瞬時(shí)累積燃燒對(duì)SO2排放濃度的影響并未得到充分體現(xiàn)，這與煤泥為單點(diǎn)給料且煤泥團(tuán)粒徑相對(duì)較小有關(guān)。

2 石灰石有效存有量

在該鍋爐進(jìn)行爐內(nèi)脫硫試驗(yàn)。通過對(duì)比石灰石、飛灰、循環(huán)灰的粒度分析結(jié)果(表1)可知，加入的石灰石中有30%在飛灰粒度d(90)范圍內(nèi)。爐內(nèi)脫硫試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

表1 物料粒度分布

圖5所示為該電廠全煤泥循環(huán)流化床鍋爐與常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫工業(yè)試驗(yàn)[9-11]的鈣/硫比與脫硫率關(guān)系對(duì)比。

圖5 鈣/硫比與脫硫率關(guān)系對(duì)比

由圖5可以看出，與常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐相比，全煤泥循環(huán)流化床鍋爐的脫硫率隨鈣/硫比的變化趨勢(shì)完全不同。對(duì)于常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐，脫硫率隨鈣/硫比的增大而迅速提高，當(dāng)鈣/硫比高于一定值時(shí)，脫硫率的提高幅度趨緩，而本試驗(yàn)中脫硫率隨鈣/硫比的增加呈現(xiàn)明顯的先升后降趨勢(shì)：在鈣/硫比為1.85時(shí)脫硫率最高，為86.4%，此時(shí)的SO2排放濃度值為163 mg/m3；鈣/硫比小于或大于1.85，脫硫率均減小，當(dāng)鈣/硫比為1.24時(shí)脫硫效率為52.8%，SO2排放濃度為566 mg/m3；鈣/硫比為3.09時(shí)脫硫率為56.5%，SO2排放濃度為522 mg/m3。

圖6 不同鈣硫比條件下風(fēng)室壓力變化

由圖6可知，加入的石灰石中有30%在飛灰粒度d(90)范圍內(nèi)，即有30%的石灰石隨飛灰排出爐外，剩余的70%石灰石被分離器捕集參與爐內(nèi)灰循環(huán)，使得循環(huán)灰量增加，床層質(zhì)量提高，導(dǎo)致床層壓力升高。為了維持床層壓力恒定，需進(jìn)行排渣操作。由圖6可以看出，隨鈣/硫比的增大，風(fēng)室壓力的階躍幅度增大，說明排渣頻率、排渣量隨鈣/硫比的增大而增加。現(xiàn)場試驗(yàn)過程顯示，當(dāng)鈣/硫比小于1.85時(shí)，運(yùn)行方式與原來相同，幾乎為不排渣運(yùn)行，大于1.85后，排渣量上升明顯。顯然，排渣量的變化必然引起床料量的變化，從而導(dǎo)致爐內(nèi)石灰石量的變化。

與全煤泥循環(huán)流化床鍋爐相似：常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐的脫硫率與Ca/S的數(shù)學(xué)關(guān)系式[12]也存在最佳Ca/S比。與文獻(xiàn)[11]相比，在達(dá)到最佳Ca/S比后，本次爐內(nèi)脫硫工業(yè)試驗(yàn)中，脫硫率的下降趨勢(shì)更為明顯(圖5)。將爐內(nèi)石灰石量定義為“石灰石有效存有量”，由此推測(cè)，常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐與全煤泥循環(huán)流化床鍋爐相同，決定脫硫率大小的也是“石灰石有效存有量”。Ca/S比達(dá)到一定數(shù)值后脫硫率增幅變平緩的主要原因?yàn)椋捎诨移胶獾年P(guān)系，Ca/S比的增加已不能改變“石灰石有效存有量”，因此脫硫率保持不變。

由此可知，對(duì)于煤泥循環(huán)流化床鍋爐而言，若提高爐內(nèi)脫硫率，必須提高爐內(nèi)“石灰石有效存有量”，其方法包括優(yōu)化石灰石粒徑、減少排渣等。

3 結(jié) 論

對(duì)于全煤泥循環(huán)流化床鍋爐，在鍋爐運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，煤泥中硫的析出量變化幅度較小，導(dǎo)致SO2排放濃度大幅變化的主要原因是煤泥 熱爆。

導(dǎo)致爐內(nèi)脫硫中脫硫率隨Ca/S比增大出現(xiàn)先增大后降低現(xiàn)象的主要原因是爐內(nèi)石灰石量的變化，即實(shí)際決定脫硫率的是“石灰石有效存有量”，而不是鈣/硫比。

為提高爐內(nèi)脫硫率，關(guān)鍵在于提高爐內(nèi)“石灰石有效存有量”，需進(jìn)一步優(yōu)化脫硫劑粒度分布：既要滿足稀相區(qū)脫硫反應(yīng)要求，也要減少密相區(qū)排渣的影響。