循環(huán)流化床鍋爐脫硫系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析及優(yōu)化途徑

孫維忠

（內(nèi)蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017320）

循環(huán)流化床鍋爐是由傳統(tǒng)的綜合沸騰床鍋爐進(jìn)一步改進(jìn)而來，結(jié)合了化工行業(yè)的流化床工藝特點(diǎn)，使得現(xiàn)行流化床兼具多種優(yōu)點(diǎn)，諸如更高的燃料利用效率、更低的污染廢氣排放量以及更加良好的泛用性。以上種種優(yōu)勢令循環(huán)流化床鍋爐在我國的工業(yè)發(fā)電體系中享有較高的使用率。而在它的諸多優(yōu)點(diǎn)中，可以在爐內(nèi)進(jìn)行脫硫這一項(xiàng)讓它成為現(xiàn)行治污標(biāo)準(zhǔn)下的寵兒。但僅依靠爐內(nèi)脫硫不僅難以實(shí)現(xiàn)超低排放，而且殘余的氧化鈣會(huì)催化氮氧化物的生成，與此同時(shí)灰渣中未反應(yīng)的氧化鈣會(huì)在加水過程發(fā)生放熱反應(yīng)，灰渣噴濺，造成環(huán)境污染和運(yùn)輸困難。因此，目前較為常見的脫硫方式是爐內(nèi)噴鈣加爐外脫硫進(jìn)行兩級(jí)脫硫。本文以內(nèi)蒙古中煤蒙大新能源化工有限3×300t/h 高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐超低排放改造為例，對脫硫系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 二氧化硫的危害

二氧化硫是燃料中可燃硫元素燃燒生成的污染性氣體。二氧化硫可以通過人體的呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體內(nèi)，增加呼吸器官的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致或加重人體呼吸系統(tǒng)的疾病。當(dāng)二氧化硫氣體進(jìn)入大氣中與其他的污染性氣體混合時(shí)，會(huì)對人體乃至動(dòng)植物造成極大的損害。不僅如此，大量的二氧化硫排放到空氣中時(shí)還易產(chǎn)生酸雨等惡劣的天氣現(xiàn)象，造成不可估量的損失。

2 循環(huán)流化床鍋爐

循環(huán)流化床鍋爐主要包括爐膛、氣固分離器、固體燃料再循環(huán)裝置、尾部的對流煙道、過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等主要設(shè)備。除鍋爐本體外，循環(huán)流化床鍋爐還包括一些輔助運(yùn)行的設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵、爐灰爐渣收集處理裝置、石灰石裝置和燃料輸送裝置等。

循環(huán)流化床是指將煤炭粉碎成為8～10mm 的顆粒送入爐膛，爐膛內(nèi)的大量床料在一次風(fēng)的作用下呈“流化態(tài)”燃燒，通過安裝在爐膛出口處的氣固分離器對燃料煤炭進(jìn)行分離處理，使未燃盡的煤炭顆粒重新返回爐膛中進(jìn)行燃燒。如此反復(fù)進(jìn)行循環(huán)，可以最大程度上保證煤炭的充分燃燒，降低固體燃燒熱損失。

循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)眾多，燃料適應(yīng)性廣，燃燒效率高，燃燒排放污染量低，脫硫效率高，易于灰渣綜合利用等。

3 循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫改造

循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)脫硫方式多數(shù)都采用爐內(nèi)噴鈣的方式進(jìn)行脫硫，利用氣力輸送的方式將粒徑小于1mm 的石灰石粉送進(jìn)爐內(nèi)進(jìn)行煅燒，石灰石煅燒后，生成氧化鈣，氧化鈣和煙氣中的二氧化硫反應(yīng)生成硫酸鈣和亞硫酸鈣，在鈣硫摩爾比達(dá)到2.5時(shí)，爐內(nèi)脫硫效率大于85 %。

3.1 爐內(nèi)脫硫存在問題

1）爐內(nèi)石灰石至爐膛四路分配管線，彎頭處以及爐膛入口的四個(gè)支路管線經(jīng)常性堵灰，由于脫硫區(qū)石灰石投料不均導(dǎo)致硫指標(biāo)超標(biāo)，而且嚴(yán)重影響清堵工作時(shí)則需要停止石灰石投入進(jìn)行檢修工作。

2）系統(tǒng)給料量只能根據(jù)輸送壓力大致判斷，無法確認(rèn)具體投入量，石灰石反應(yīng)滯后。如果投入石灰石量較大，容易造成藥劑浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)堵管；如果投入量少，容易造成二氧化硫排放超標(biāo)。而且石灰石投入量波動(dòng)大對氮氧化物生成量影響也較大。

3）石灰石輸送系統(tǒng)沒有備用系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)故障停運(yùn)，就會(huì)造成排放超標(biāo)。

3.2 改造途徑

（1）增加一套石灰石儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)：1座320m3石灰石粉倉、2臺(tái)給料機(jī)及相應(yīng)管線，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)鍋爐配置1套石灰石儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，給料機(jī)一開一備。徹底解決爐內(nèi)噴鈣系統(tǒng)無備用的問題，可以實(shí)現(xiàn)指標(biāo)連續(xù)穩(wěn)定排放。

（2）在石灰石入爐管線的彎頭前增加吹堵風(fēng)，有效解決石灰石在爐前堵管的問題。

（3）爐外脫硫正常投用后，二氧化硫自動(dòng)控制，石灰石定量投入，減少操作幅度和頻次，減少堵管風(fēng)險(xiǎn)和物料浪費(fèi)。

3.3 改造后效果

改造完成后，爐前堵管風(fēng)險(xiǎn)基本消除，爐后脫硫自動(dòng)控制投入后，爐內(nèi)石灰石使用量相對平穩(wěn)，物料浪費(fèi)情況得以解決。特別是備用系統(tǒng)的增加，徹底解決此前檢維修過程造成指標(biāo)超標(biāo)的問題，給設(shè)備維護(hù)、檢維修更加充足的時(shí)間，消除設(shè)備帶病運(yùn)行的隱患。

4 循環(huán)流化床鍋爐爐外脫硫改造

迄今為止，國內(nèi)外已開發(fā)出百余種煙氣脫硫技術(shù)，其中大中型火電機(jī)組中煙氣脫硫工藝以石灰石-石膏濕法為主，另外還有少量的電廠采用氨法脫硫和循環(huán)流化床干法脫硫。

采用濕法脫硫的優(yōu)點(diǎn)是可以降低脫硫劑的消耗量，但投資較大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。濕法脫硫工藝產(chǎn)物為脫硫石膏，是新的污染物，需進(jìn)行處理。而且我公司在改造過程中需三臺(tái)鍋爐停爐連接煙道系統(tǒng)，影響化工系統(tǒng)的運(yùn)行。

采用半干法脫硫工藝，投資較小，流程簡單、占地少、副產(chǎn)品可以綜合利用，而且能在很低的鈣硫比（Ca/S ＝1.1～1.3）情況下達(dá)到較高的脫硫效率，可達(dá)到90%以上。與我公司原系統(tǒng)相比，不增加新的副產(chǎn)品，三臺(tái)鍋爐采用逐臺(tái)實(shí)施方案，不影響化工運(yùn)行。

因此，我公司仍采用半干法爐外脫硫的改造方式。

4.1 半干法脫硫系統(tǒng)組成

循環(huán)干法工藝系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、石灰消化貯存輸送系統(tǒng)、脫硫灰循環(huán)系統(tǒng)、噴水增濕系統(tǒng)、流化風(fēng)系統(tǒng)、脫硫渣輸送系統(tǒng)以及儀表控制系統(tǒng)等組成。

4.2 半干法脫硫原理

原煙氣從底部進(jìn)入吸收塔，煙通過吸收塔底部的文丘里管的加速，進(jìn)入循環(huán)流化床體，物料在循環(huán)流化床里，氣固兩相由于氣流的作用，產(chǎn)生激烈的湍動(dòng)與混合，充分接觸，在上升的過程中，不斷形成團(tuán)聚物向下返回，而團(tuán)聚物在激烈湍動(dòng)中又不斷解體重新被氣流提升，使得氣固間的滑移速度高達(dá)單顆粒滑移速度的數(shù)十倍。這樣的循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流機(jī)制，極大地強(qiáng)化了氣固間的傳質(zhì)與傳熱，為實(shí)現(xiàn)高脫硫率提供了保證。

在文丘里的出口擴(kuò)管段設(shè)一套噴水裝置，噴入霧化水以降低脫硫反應(yīng)器內(nèi)的煙溫，使煙溫降至高于煙氣露點(diǎn)20℃左右，從而使得SO2與Ca（OH）2的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可以瞬間完成的離子型反應(yīng)。吸收劑、循環(huán)脫硫灰在文丘里段以上的塔內(nèi)進(jìn)行第二步的充分反應(yīng)，生成副產(chǎn)物CaSO3·1/2H2O，還與SO3、HF 和HCl 反應(yīng)生成相應(yīng)的副產(chǎn)物CaSO4·1/2H2O、CaF2、CaCl2·Ca（OH）2·2H2O 等。

煙氣在上升過程中，顆粒一部分隨煙氣被帶出吸收塔，一部分因自重重新回流到循環(huán)流化床內(nèi)，進(jìn)一步增加了流化床的床層顆粒濃度且延長了吸收劑的反應(yīng)時(shí)間，從而有效地保證了脫硫效率。

4.3 原半干法脫硫系統(tǒng)存在的問題

4.3.1 煙氣流速問題

我公司原脫硫塔塔徑6.5m，即使鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行，140℃工況煙氣計(jì)算為520 000m3/h，煙氣流速僅為4.35m/s，以鍋爐實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷60%左右的情況，煙氣流速遠(yuǎn)低于5m/s，氣固接觸反應(yīng)的激烈程度不能滿足高脫硫效率工藝要求，且脫硫塔床壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于800～1 200Pa，塔內(nèi)物料濃度不足致使噴水后灰吸潮結(jié)塊嚴(yán)重，運(yùn)行控制難度大，脫硫效率低。

4.3.2 返料問題

（1）由布袋除塵器兩個(gè)灰斗各接一路徑返料斜槽后分別接入文丘里噴嘴內(nèi)，實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)各文丘里噴嘴流量不均勻且差值較大。

（2）返料斜槽結(jié)構(gòu)不合理，無法順暢返料。

（3）吸收塔下部落灰嚴(yán)重，現(xiàn)場漏粉嚴(yán)重。

4.4 半干法脫硫系統(tǒng)優(yōu)化改造途徑

（1）新建3臺(tái)脫硫塔，塔徑5.52m，塔高38m，流速5.5m，停留時(shí)間6s。鍋爐額定負(fù)荷煙氣量時(shí)流速達(dá)到6m/s。當(dāng)鍋爐60%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，采用煙氣循環(huán)確保流速在5m/s 以上。塔內(nèi)噴槍采用單個(gè)高壓霧化噴槍，噴嘴引進(jìn)國外技術(shù)產(chǎn)品，噴頭材料為316L，既耐腐蝕，又耐磨蝕，噴槍噴射壓力控制在3.5MPa左右，保證霧滴粒徑＜200μm，噴槍由原來的四支改為一支。

（2）采用七支文丘里排列結(jié)構(gòu)。

（3）在塔底設(shè)置雙軸螺旋清灰裝置。

（4）更換新的空氣斜槽返料系統(tǒng)設(shè)備。

（5）脫硫劑制備改造

增加一套生石灰消化系統(tǒng)，含1座300m3的生石灰倉，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有消化系統(tǒng)互為備用。

（6）增加煙氣循環(huán)系統(tǒng)，增加煙氣再循環(huán)管道，煙氣量按照35%考慮，確保鍋爐負(fù)荷在60%時(shí)，脫硫塔仍能高效運(yùn)行。

4.5 改造后運(yùn)行情況

脫硫塔改造后，鍋爐負(fù)荷在160t/h 時(shí)，將煙氣再循環(huán)擋板開30%左右，濕煙氣流量可維持在350 000～400 000m3/h，脫硫塔床壓達(dá)到2 000～2 200Pa。脫硫塔出口溫度控制在75～79℃時(shí)，二氧化硫含量可以從1 500mg/m3降低至0.7mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于35mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)。此外，脫硫塔底排灰機(jī)啟動(dòng)后也無積灰排出，偶爾會(huì)放出少量灰塊，而且運(yùn)行穩(wěn)定，原脫硫塔運(yùn)行過程存在的問題全部得以解決。

爐外脫硫的正式投用，爐內(nèi)噴改量大幅下降，目前測算石灰石使用量下降50%以上，鈣硫摩爾比不大于1.6，并且解決了石灰石催化氮氧化物和濕灰、濕渣困難的問題。

5 結(jié)語

在嚴(yán)峻的環(huán)保壓力和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行形勢下，各生產(chǎn)企業(yè)存在煙氣脫硫任務(wù)重、運(yùn)行成本高等問題。半干法脫硫具有投資較小、流程簡單、占地少、副產(chǎn)品可以綜合利用等優(yōu)勢，但如果工藝和設(shè)備選擇不合理，會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)諸如脫硫效率低，操作控制難度大以及漏灰嚴(yán)重等問題。因此，在新建或改造半干法脫硫系統(tǒng)時(shí)，必須要進(jìn)行詳細(xì)的前期計(jì)算和設(shè)計(jì)，選擇適合的脫硫塔和工藝路線，不僅可以達(dá)標(biāo)排放，也可降低運(yùn)行成本。