內(nèi)容摘要：本文結(jié)合我省實際，強調(diào)燃燒Ⅱ類無煙煤的循環(huán)流化床鍋爐開展爐內(nèi)脫硫的重要意義；闡述了以石灰石為脫硫劑的脫硫機理；通過計算論證了這種脫硫工藝對鍋爐熱效率的影響；并就脫硫劑的選用及其加入爐膛的位置提出看法。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐  脫硫  石灰石

1  前言

循環(huán)流化床鍋爐是八十年代初由德國、芬蘭等西歐國家首先開發(fā)研制成功的，其初衷是為了有效地控制燃煤而引起的有害氣體NOX、SO2的排放量。他們通過爐內(nèi)添加石灰石等脫硫劑，并采用分段燃燒等技術(shù)措施實現(xiàn)了這一目標?，F(xiàn)在這一爐型已被世界各國公認為潔凈燃燒設(shè)備。循環(huán)流化床鍋爐在我國研制的出發(fā)點卻不是基于環(huán)境保護，而是因為該爐型具有對煤種的廣泛適應(yīng)性，可燃燒各種劣質(zhì)煤，包括我省揮發(fā)分小于5％很難著火的Ⅱ類無煙煤，其燃燼率也很高。我省目前正在運行及在建的30多臺循環(huán)流化床鍋爐均還沒有實施或考慮爐內(nèi)脫硫方案，這與當前國內(nèi)外強調(diào)的能源與環(huán)境要協(xié)調(diào)發(fā)展不一致。其原因主要是對循環(huán)流化床鍋爐本身的運行特性及操作還未掌握自如，人們還顧不上考慮爐內(nèi)脫硫工藝，此外也有的工廠認為我省無煙煤的含硫量較低，盡管環(huán)保部門執(zhí)行了嚴格的SO2排放收費制度，但這對于一臺75t／h的循環(huán)流化床鍋爐年均花費不到五萬元，若實施爐內(nèi)脫硫工藝，擔心費用可能更高，并且影響爐子的可靠運行，因此多數(shù)廠家至今仍按兵不動。但是，必須指出，自從國家環(huán)保局對SO2排放實施總量控制后，規(guī)定我省到2000年SO2年排放總量必須低于30萬噸，而1998年的SO2排放總量就已達26萬噸，目前還有若干大型電廠及燃煤或燃重油的工業(yè)鍋爐在建，SO2排放勢頭將繼續(xù)強勁上升，因此人們應(yīng)當利用循環(huán)流化床鍋爐原本就具有廉價高效的脫硫優(yōu)勢，把爐內(nèi)脫硫問題提到議事日程上來，為降低我省SO2排放總量做出貢獻。

下面以一臺滿負荷運行的75t／h循環(huán)流化床鍋爐，計算其燃用本省Ⅱ類無煙煤時一年將要排放的SO2的重量。

一臺75t／h(3．9Mpa，450℃)的循環(huán)流化床鍋爐每小時的耗煤量約12噸／時(取鍋爐熱效率為90％，燃料發(fā)熱量為22410KJ／kg)，則煤中含硫量約為(應(yīng)用基硫取0．75％)：

G=12 ×103×0．75％=90千克／時

通常煤中的硫在爐內(nèi)絕大部分被氧化為SO2，只有極少量(約0．5～2％)被氧化為SO3，本計算不考慮后者，故其化學(xué)反應(yīng)式如下：

S+O2→SO2

由上式計算每小時可產(chǎn)生180千克的SO2，按一天24小時，一年300天計算，則一臺75t／h的循環(huán)流化床鍋爐SO2年排放量Ga為：

Ga=0．18 ×24×300=1296噸／年

我省20t／h～75t／h的循環(huán)流化床鍋爐約30多臺(未考慮今后的增加量)，若燃用本省Ⅱ類無煙煤(含硫量均在0．3％—0．9％)，按上述方法可大略估算這批爐子的SO2年排放總量大約在2．5萬噸左右，這是一個很可觀的數(shù)字，若能對這批爐子實施爐內(nèi)脫硫工藝，必將對我省SO2排放總量的控制作出貢獻。

2  循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫機理：

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫通常采用添加廉價的經(jīng)破碎的天然石灰石的辦法。天然石灰石是一種致密的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，主要成份是CaCO3，其顆粒中孔隙容積為0．006～0．025mm3／Kg，比表面積為l—3×103m2／Kg，這兩個指標都很小，但是石灰石經(jīng)過煅燒，顆粒中CO2析出，CaCO3顆粒就變成多孔的CaO顆粒，孔隙容積比原來約擴大15—30倍，比表面積也比原來提高約10倍。CaO顆粒中由于大量氣孔的存在，以及表面積的大大增加，一方面有利于貯集反應(yīng)產(chǎn)物，另一方面可以使反應(yīng)氣體穿透至顆粒內(nèi)部進行反應(yīng)，因此大大加速了CaO與SO2反應(yīng)生成CaSO4的機會，于是原煤中的硫分就被固化為硫酸鈣進入灰渣中，最后排出床層。因此，循環(huán)流化鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫主要經(jīng)歷石灰石煅燒分解和CaO的硫酸鹽化兩個過程，其反應(yīng)方程式可寫為：

CaCO3→CaO+CO2↑—183KJ／MolCaCO3

SO2十CaO+1/2O2+CaSO4

從上述反應(yīng)式可知，石灰石的分解是一個吸熱反應(yīng)，其分解溫度約為850—900℃，這正是國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐正常運行的溫度，而且硫酸鹽化過程是在富氧條件下進行，正在運行的循環(huán)流化床鍋爐爐膛就具備了這種條件。由此可見，循環(huán)流化床鍋爐為爐內(nèi)添加石灰石脫硫提供了極有利的外部條件。

從上述反應(yīng)式還可以看出，如果CaO與SO2能完全反應(yīng)的話，那么鈣硫摩爾比(Ca／S)為1就可以完全把SO2吸收并就變成固體產(chǎn)物CaSO4固定下來。然而實際卻非如此，有一部分的石灰石粉末或由其分解成的CaO粉末與SO2起作用就被煙氣帶出爐膛；還有一部分已分解的CaO顆粒在與SO2起反應(yīng)后，所生成的產(chǎn)物CaSO4堵塞住CaO顆粒上存在的細孔，阻礙了SO2進入到CaO顆粒內(nèi)部反應(yīng)，使這些CaO顆粒還沒有100％地與SO2起作用就被排出爐膛，故Ca／S必大于l。一般Ca／S的值為2—2．5時，才能有85％—90％的脫硫率．

3  關(guān)于實施爐內(nèi)脫硫的幾個問題：

3．1  脫硫劑的選用：

一般的循環(huán)流化床鍋爐均選用廉價的石灰石(CaCO3)，也有選用白云石(Ca CO3·Mg CO3)作為脫硫劑，但是白云石中分解的MgO與SO2反應(yīng)速度很低，一般情況下可認為是惰性的，仍然是靠其中的CaO與SO2起反應(yīng)，故在同樣重量下，采用石灰石比白云石取得的脫硫效果更好。如果在某個地區(qū)剛好有廉價的石灰(CaO)下腳料，也可直接選用。

采用天然石灰石作脫硫劑還必須進行破碎，最終使石灰石的顆粒小于2mm，其中，較粗的顆粒(0．5—2mm)與原煤同時經(jīng)絞龍輸入，而＜0．5mm的石灰石則用氣力輸送方式在密相區(qū)底部靠布風板處輸入，以盡量延長細顆粒在爐內(nèi)的停留時間。

3．2  爐內(nèi)脫硫?qū)﹀仩t熱效率的影響：

脫硫劑石灰石在爐膛內(nèi)分解是一個吸熱過程，其反應(yīng)式為：

Ca CO3→CaO十CO2—183KJ／MolCaCO3

即分解1Mol(0.1Kg)的石灰石需要從爐膛吸熱183KJ。

福建無煙煤含硫量較低，較具代表性的含硫量為0．75％，發(fā)熱量Q=22410KJ／Kg，當Ca／S=2時可以計算出爐內(nèi)脫硫?qū)﹀仩t熱效率的影響。

由Ca／S=2計算1Kg煤需要添加的石灰石的質(zhì)量。由于1Kg煤中含有0．75%的硫，即含有7．5／32摩爾的硫，則鈣的摩爾數(shù)為2 ×7．5／32摩爾。因此，可以計算出對1Kg煤因爐內(nèi)脫硫所損失的熱量：

CaCO3→CaO+CO2—183KJ／MolCaCO3

1Mol             183KJ

7．5／16M01    183 ×7．5／16=85．78KJ

則因石灰在爐內(nèi)分解吸熱所引起的鍋爐熱效率的降低值為：

△η= —85．78／22410= —0．38％

此外，石灰石在爐膛內(nèi)從常溫被加熱到分解溫度(850—900℃)還需要吸收一部分的物理熱，但是石灰石的比熱容隨著溫度的升高降低得很快，因此這部分物理熱引起的熱效率的降低很微小。同時，CaO與SO2反應(yīng)的硫酸鹽化過程是一個放熱反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如下：

SO2+CaO+1／2O2→CaSO4=15141KJ／KgS

即將1Kg的硫固定為硫酸鈣會向爐膛放出15141KJ的熱量。

若取脫硫效率為90％，由反應(yīng)方程式可以計算出1Kg煤(其中含有7．5g的硫)因爐內(nèi)脫硫時硫酸鹽化所發(fā)出的熱量為7．5×90％×15．141=102．2KJ，則因此而使鍋爐熱效率提高的數(shù)值為：

△η’=102．2／22410=0．46％

則由上述計算的綜合結(jié)果可知，爐膛內(nèi)添加石灰石脫硫?qū)﹀仩t效率不僅沒有影響，甚至可能略有提高。當然，若采用石灰石下腳料作脫硫劑則不存在石灰石分解熱損失，硫酸鹽化的放熱過程反而有利于熱效率的提高。

3．3  關(guān)于在返料系統(tǒng)中注入脫硫劑的方案：

我省現(xiàn)運行的循環(huán)流化床鍋爐，由于采用的福建無煙煤的灰熔點過低(約1100℃)，而為了充分燃盡，運行人員多選擇較高的爐膛出口溫度，有的甚至達950℃。因而存在著循環(huán)物料在高溫旋風筒或返料系統(tǒng)管道中結(jié)渣堵塞事故。這長期威脅著循環(huán)流化床鍋爐的安全可靠運行。若把脫硫劑中的相對粗的部分(如>0．5mm的顆粒)從容易結(jié)焦的部位加入，因石灰石分解時要吸收熱量，再加上常溫石灰石被加熱還吸收的物理熱，則可大大降低管道中物料的溫度，從而改善返料系統(tǒng)結(jié)焦堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生，有利于循環(huán)流化床鍋爐的安全可靠運行。

4  結(jié)論：

4．1  循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)運行工況及氣固兩相流動特點非常適合實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫工藝，而且采用天然石灰石作為脫硫劑，經(jīng)濟實惠，脫硫效果好，將為我省的SO2排放總量控制作出貢獻，帶來良好的環(huán)境效益。

4．2  由綜合計算的結(jié)果可知，循環(huán)流化床鍋爐采用爐內(nèi)添加石灰石的脫硫工藝對鍋爐熱效率沒有影響；如有廉價的下腳料石灰(CaO)可利用，則鍋爐熱效率還可略有提高。

4．3  在考慮脫硫劑加入位置時，可分兩種情況：對于原煤的灰熔點較高，運行中不存在因超溫結(jié)渣而引起停爐事故，可以在爐內(nèi)密相區(qū)加入；對于原煤的灰熔點較低，常發(fā)生返料系統(tǒng)結(jié)焦堵塞事故，建議把較粗的脫硫劑(0．5—2．0mm)從返料系統(tǒng)管道內(nèi)加入。較細的脫硫劑(<0．5mm)仍從爐膛的密相區(qū)靠近布風板處輸入。

參考文獻：

1、岑可法等，循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計與運行，  中國電力出版社，1998年

2、蔣昌盛，燃用福建無煙煤的循環(huán)流化床鍋爐之設(shè)計問題，  第一屆潔凈煤技術(shù)國際研討會論文集，煤炭工業(yè)出版社，1997年 

文章作者：俞建洪    鄒崢（集美大學(xué) 362021）