CFB－FGD應(yīng)用于大型循環(huán)流化床鍋爐二級脫硫的理論和實踐

朱杰，謝百成，焦新峰

(1.東北電力設(shè)計院環(huán)境工程分公司，吉林長春130021;2.華能白山煤矸石發(fā)電有限公司，吉林白山134700)

CFB－FGD應(yīng)用于大型循環(huán)流化床鍋爐二級脫硫的理論和實踐

朱杰1，謝百成1，焦新峰2

(1.東北電力設(shè)計院環(huán)境工程分公司，吉林長春130021;2.華能白山煤矸石發(fā)電有限公司，吉林白山134700)

對新形勢下循環(huán)流化床鍋爐采用兩級脫硫的必要性和CFB－FGD二級脫硫的優(yōu)勢進行介紹，以華能白山煤矸石電廠實際運行情況為例說明其能經(jīng)濟地實現(xiàn)SO2超低排放，并分析指出CFB－FGD對燃用低硫燃料的大型循環(huán)流化床鍋爐滿足新形勢下環(huán)保要求具有普適性，為其在我國電力行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用提供了示范。

CFB－FGD;循環(huán)流化床鍋爐;二級脫硫

1 新建CFB鍋爐采用二級脫硫的必要性

1.1 現(xiàn)有CFB鍋爐SO2排放水平

作為一種能實現(xiàn)劣質(zhì)燃料綜合利用和潔凈燃燒的環(huán)保型熱能動力設(shè)備［1－2］，循環(huán)流化床(CFB)鍋爐在低熱值煤資源綜合利用方面具有巨大優(yōu)勢。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，國內(nèi)現(xiàn)有的CFB鍋爐基本上都是通過直接向爐內(nèi)添加石灰石來控制SO2的排放。國內(nèi)部分CFB鍋爐采用爐內(nèi)脫硫時的SO2排放詳見表1。

從表1可知，在合適的Ca/S的條件下，現(xiàn)有CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫呈現(xiàn)以下特點:對于中高硫燃料，爐內(nèi)脫硫效率可達90%～95%，其SO2的排放濃度在350～700mg/m3之間;對于低硫燃料，爐內(nèi)脫硫效率為80%～85%，其SO2的排放濃度在250～400［8］mg/m3之間。

表1 國內(nèi)部分CFB鍋爐SO2排放情況

1.2 新建CFB鍋爐二級脫硫的必要性

根據(jù)GB 13223－2011，對于新建CFB鍋爐，除了燃用低硫燃料且處于部分西南省份的少量項目、輔以很高的運行調(diào)控水平才基本滿足200mg/m3的標準外，其余很難達到標準排放限值。因此，大部分新建CFB鍋爐需要進一步提高脫硫效率，才能滿足項目環(huán)保準入要求。

一般認為，CFB爐內(nèi)脫硫的脫硫效率主要受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是影響脫硫效率和SO2排放濃度的首要因素，基本規(guī)律為Ca/S越大，則脫硫效率越高，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便不再增長［2］。若單純通過提高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，不但造成鍋爐效率的降低，還有大量未反應(yīng)CaO會進入鍋爐底渣，進一步增加CFB鍋爐底渣綜合利用的難度和電廠運行成本，這種方式并不可行。因此，從保證CFB鍋爐SO2排放長期穩(wěn)定達標及電廠運行的經(jīng)濟性等多方面考慮，我國大部分新建CFB鍋爐尤其是燃用中高硫份燃料的CFB鍋爐，均需考慮二級脫硫方式。

2CFB－FGD應(yīng)用于CFB二級脫硫介紹

2.1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

在CFB鍋爐爐后增設(shè)第二級煙氣脫硫系統(tǒng)，實現(xiàn)SO2的超低排放和對酸性氣體的脫除，是美國EPA審查大型CFB項目的必需要求［9］。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。國外CFB鍋爐爐后二級脫硫系統(tǒng)，普遍采用煙氣循環(huán)流化床半干法(CFBFGD)脫硫裝置。2012年建成投運的華能白山煤矸石電廠，首次在我國電力行業(yè)大型CFB機組中實現(xiàn)了CFB－FGD二級脫硫的應(yīng)用。

2.2 工藝流程

CFB－FGD脫硫裝置主要由垂直布置的半干式反應(yīng)塔和布袋除塵器共同組成。通過反應(yīng)塔中霧化噴嘴噴入工業(yè)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摇＿@些吸收劑及再循環(huán)灰以很高的傳質(zhì)速率，與煙氣中的SO2等酸性氣體混合反應(yīng)，生成CaSO4和CaSO3等反應(yīng)產(chǎn)物。

脫硫后煙氣經(jīng)反應(yīng)塔頂部進入袋式除塵器后，固體顆粒被分離，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，對未反應(yīng)的吸收劑進行再循環(huán)利用，少量經(jīng)由倉底放灰閥放入中間灰倉，再用正壓濃相氣力輸灰系統(tǒng)送入電廠脫硫灰?guī)?。除塵后凈煙氣經(jīng)過引風機排入煙囪。

2.3 技術(shù)特點及優(yōu)勢

(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，CFB鍋爐飛灰中含有的大量未反應(yīng)完的CaO，可充分利用作為CFBFGD二級脫硫系統(tǒng)的脫硫劑，而且也可解決原來CFB鍋爐飛灰中CaO過高的問題，開拓了CFB鍋爐飛灰綜合利用的渠道。

(2)CFB－FGD煙氣脫硫系統(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煙氣脫硫系統(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)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、廠用電低、占地面積小、維護工作量小、運行成本低等優(yōu)點。

3CFB－FGD在華能白山煤矸石電廠應(yīng)用

3.1 機組概況

華能白山煤矸石電廠位于吉林省白山市江源區(qū)，機組規(guī)模為2×330MW亞臨界直接空冷機組，配備2×1190t/hCFB鍋爐，主要燃用當?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%。電廠于2009年8月開工建設(shè)，2012年8月建成投入試運行。

華能白山煤矸石電廠采用兩級脫硫方式，即以CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫+爐后CFB－FGD煙氣脫硫裝置共同組成高效脫硫系統(tǒng)，以實現(xiàn)SO2的超低排放同時滿足標準限值和總量指標要求。爐后CFBFGD裝置由吸收劑添加系統(tǒng)、循環(huán)流化床吸收塔和物料再循環(huán)系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、除塵器、工藝水系統(tǒng)、終產(chǎn)物收集系統(tǒng)及儀控系統(tǒng)組成。

3.2 脫硫系統(tǒng)實際運行情況

華能白山煤矸石電廠SO2排放情況見表2。

從表2可以看出，在略低于設(shè)計Ca/S的條件下，華能白山煤矸石電廠CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫、CFBFGD二級脫硫的脫硫效率、總脫硫效率即可滿足環(huán)評要求值，SO2排放濃度能同時滿足GB13223－2011中現(xiàn)有機組、新建機組SO2排放限值要求。

表2 華能白山煤矸石電廠SO2排放情況

華能白山煤矸石電廠CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫和爐外CFB－FGD煙氣脫硫裝置共同組成的兩級脫硫工藝，能夠滿足脫硫設(shè)施日常穩(wěn)定運行的要求，各系統(tǒng)及設(shè)備均能保證正常穩(wěn)定運行［12］，各項技術(shù)指標優(yōu)良，未發(fā)生環(huán)保事故，運行可靠性較好［13］。

3.3 對于其他CFB機組脫硫的適應(yīng)性問題

由于華能白山煤矸石電廠燃料含硫量較低，僅為0.4%左右，因此日常運行主要通過CFB爐內(nèi)脫硫，輔以在CFB－FGD二級脫硫中加入少量水活化飛灰中CaO即可達到100mg/m3以下的低排放。在投入一定量的吸收劑以增加二級脫硫系統(tǒng)Ca/S后，電廠脫硫設(shè)施評估時的監(jiān)測結(jié)果顯示［11］，華能白煤矸石電廠CFB－FGD可以穩(wěn)定達到90%以上的脫硫效率，實現(xiàn)SO2的超低排放。

因此，對于燃用低硫燃料的新建CFB鍋爐，在脫內(nèi)脫硫后配套建設(shè)CFB－FGD二級脫硫，運行時在CFB－FGD系統(tǒng)輔以一定量的吸收劑后二級脫硫效率在90%以上，滿足SO2排放要求。

基于上述分析可以得出，對于燃用中高硫燃料的新建CFB鍋爐，在爐內(nèi)脫硫后配套建設(shè)CFBFGD二級脫硫，運行時在CFB－FGD系統(tǒng)輔以一定量的吸收劑后二級脫硫效率在90%以上，完全可以達到GB13223－2011中一般區(qū)域SO2排放限值要求，但能否達到GB13223－2011中重點區(qū)域、《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014－2020年)》中燃氣輪機組SO2排放限值要求，有待進一步為實踐所證明。

4 結(jié)語

CFB－FGD應(yīng)用于CFB鍋爐爐后二級脫硫，符合CFB鍋爐工藝特點，特別適合缺水地區(qū)、燃用低硫燃料的新建CFB鍋爐滿足新形勢下環(huán)保標準要求。華能白山煤矸石電廠2×330MW機組的成功實踐證明，這種SO2污染控制措施技術(shù)先進，運用于大型CFB鍋爐合理可行，為我國發(fā)展低熱值煤資源綜合利用提供了有力的環(huán)保技術(shù)支撐，作為示范工程可在我國電力行業(yè)燃用低硫燃料的新建CFB機組中進行大規(guī)模推廣。

［1］國家能源局.關(guān)于促進低熱值煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知(國能電力［2011］396號)［EB/OL］.http://www.nea.gov.cn/2011－12/30/c_131335980.htm，2011－12－30.

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Theory and practice of CFB－FGD adopted in large capacity circulating fluidized bed boilers＇second－stage desulphurization

The necessity of circulating fluidized bed boilers adopted with two stage desulfurization under the new situation and the advantage of CFB－FGD applied in theirs second－stage desulfurization is analyzed and introduced.The example of the actual operation of Baishan coal gangue power plant demonstrates that CFB－FGD can be economically achieved ultra－low SO2emissions，it also has the universality of applied in large capacity circulating fluidized bed boilers burning low sulfur fuel second－stage desulfurization to meet the current environment protection requirements，and provides a model for its large－scale application in China＇s power industry.

CFB－FGD;circulating fluidized bed boiler;second－stage desulfurization

X701.3

B

1674－8069(2015)06－043－03

2015-05-08;

2015-07-24

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