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企业文化
石灰石脱硫对循环流化床锅炉运行的影响
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作者: 张桂玲 陈向群
摘要 通过对CFB锅炉投入石灰石运行后，烟气排放、锅炉性能、受热面磨损、静电除尘器效率、运行成本增加等方面分析，说明了投入石灰石运行的利与弊。
关键词 循环流化床 石灰石脱硫 运行经济性
在我国城市集中供热锅炉中，以煤为燃料的锅炉占有90％以上，由于煤中含有灰份和矿物硫，燃烧过程中会产生烟尘，SO2，NOx和CO2等对大气造成污染。据统计，大气中80％的烟尘、90％的SO2、70％的NOx、70％的CO2来自于煤的燃烧。循环流化床（以下称CFB）锅炉因其燃烧温度在850℃— 950℃之间，有效地控制了煤在燃烧过程中NOx的生成，且可以直接将石灰石加入炉膛内脱硫，脱硫效率可达80％以上，同时，锅炉产生的飞灰和炉渣，也因石灰石的加入，可利用率大大提高。因此，CFB锅炉在热电联产的城市集中供热中得到广泛的应用。但是，已投运的近百台CFB锅炉中，投入石灰石脱硫的锅炉不到10％，即使对环境污染控制较严的大连地区，也只有11.8％，究其原因是担心加入石灰石运行会对锅炉产生负面影响，提高维护费用。本文将以220t/h锅炉实际运行数据为主，从石灰石加入后锅炉的烟气排放、运行性能、受热面磨损、电除尘器效率、维护费用等方面进行技术经济分析，供同行们参考。
1． CFB锅炉运行特点
CFB锅炉与其它层燃炉室燃炉相比，炉膛受热面、辅机等没有多少区别，所不同的是CFB锅炉有一套带有气固分离器的物料循环系统，炉膛的下部设有布风板。物料是由粒状的炉渣石灰石煤砂子等组成，均匀地分布在布风板上，煤进入炉膛后与这些物料混合，具有一定温度和速度的空气经布风板将这些物料吹起呈流化状态并向上运动，质量大的颗粒速度会逐渐降低落回到布风板上，其余颗粒被气流携带到炉膛顶部，一部分沿炉膛四周水冷壁滑落回布风板，在水冷壁表面形成一层向下运动的颗粒流称为内循环物料，另一部分被气流带入气固分离器，98％以上的颗粒被分离经回料阀反回炉内布风板上，完成一次物料循环称为外循环物料，这部分物料与内循环物料构成了循环流化床锅炉的循环物料，剩余的细颗粒随气流进入锅炉的尾部烟道换热后，被除尘器收集做为建筑材料利用。煤在上升的过程中爆裂发生无火焰燃烧，使炉膛内携带颗粒的气流温度始终控制在850℃— 900℃之间，以传统的对流辐射将热量传递给水冷壁，同时，燃烧的煤颗粒还与其它物料颗粒发生碰撞及热交换，这些颗粒通过与水冷壁的接触碰撞进行热量交换，弥补了因炉膛温度低对换热的影响。这种低温燃烧不仅控制了NOx的生成，也给炉膛内直接加入石灰石脱硫创造了最好条件。正是CFB锅炉炉膛内气固两相流换热的特点，使得上升气流所携带的循环物料量的多少及粒径分布对锅炉运行性能起到了重要作用。
2． 对CFB锅炉运行的影响
2．1 烟气脱硫
煤中含的大多数硫成份，在燃烧过程中与氧气发生化学反应生成SO2气体，随烟气排入大气后，对空气污染。炉膛内加入石灰石可以除去烟气中的SO2成份，具体的化学反应为：
CaCO3＋热量→CaO＋CO2
CaO＋O2＋SO2→CaSO4
CaSO4是惰性物质，当温度大于900℃时会分解成CaO和SO2，这种化学反应条件煤粉锅炉及其它炉型是无法满足的，CFB锅炉炉内设计温度850℃— 950℃，保证了这种反应的进行。据2000年元月对大连热电集团公司香海热电厂220t/hCFB锅炉实测统计，在煤种收到基含硫量1.72％、锅炉蒸发量221t/h、平均床温864℃— 918℃、钙硫比2：1时，SO2排放量44.2Kg/h，NOX排放量为42.3Kg/h，脱硫效率90％以上。
石灰石颗粒有较好的热爆裂性能，炉内加入石灰石的粒径分布应充分考虑热爆裂后颗粒破碎，小于0.1mm的颗粒被烟气携带到锅炉尾部烟道，不仅增加了尾部烟道的含尘浓度，加剧受热面磨损，而且提高进入电除尘器的飞灰比电阻（见下文），影响电除尘效率，当飞灰中CaO含量过高还会使粉煤灰加湿运输过程中造成车箱过热变形损坏等问题。颗粒过大，只有颗粒表面的CaO与SO2反应，颗粒内部的CaO没有得到充分利用，而且会给石灰石的气力输送带来困难。考虑到石灰石的磨制输送及脱硫效果，经济的颗粒分布如表1。
2．2 循环物料
在220t/hCFB锅炉设计中，锅炉在100％负荷时，循环物料对水冷壁的换热量占水冷壁总换热量的50％，炉膛内换热量与上升气流携带固体颗粒的几率成正比，上升气流速度与固体颗粒被携带最小速度的比值越大，锅炉负荷可调节范围也越大。研究循环物料的其颗粒直径分布和锅炉运行中物料量的变化因素，对分析锅炉性能的重要性。下表列出了220t/hCFB锅炉负荷在192t/h运行时，入炉煤、石灰石、外循环物料, 及内循环物料实际颗粒直径分布如表2。
由表2中数据可知，外循环物料中，粒径分布以0.4～2mm颗粒为主，内循环物料则以0.2～0.4mm粒径的颗粒为主。加入锅炉的石灰石颗粒中，85％的颗粒直径在0.2～2mm之间，全部参与了CFB锅炉的内外部循环。加入锅炉的煤颗粒，部分较小直径的颗粒与经加热爆裂后的颗粒被流化风携带到炉膛上部形成循环物料和附壁流颗粒，部分颗粒在炉膛下部燃烧反应，以灰颗粒的形式变成循环物料，仍有一部分大颗粒做为炉渣或0.1mm以下的小颗粒做为飞灰排出锅炉，这也是造成机械不完全燃烧损失的主要原因。随着锅炉运行时间的增加，石灰石及其产物占循环物料的比例不断增加。据测试，当锅炉冷态启动后即投入石灰石运行，700～1000小时后，循环物料中没有燃烧的碳占2 ％，CaSO4和被CaSO4包围的颗粒占90％，没有与硫反应的石灰石占3％，其余为燃烧产物。当锅炉冷态启动后没有加入石灰石，运行1000小时后，循环物料中增加煤燃烧产物所占比例很小，大部分仍为启动之初加入的床料，循环物料量形成时间较长，给锅炉负荷的调解带来困难，甚至造成床温高，被迫降负荷运行。为了保证锅炉的正常运行，运行人员需根据床温床压不定期从炉外添加炉渣等以增加循环物料数量。由此可见，石灰石的加入，大大地改善了循环物料的颗粒分布，有利于循环物料的形成，提高了锅炉负荷的可调性。
2．3 受热面磨损
CFB锅炉炉内为气固两相流换热，固体颗粒对受热面的磨损成了锅炉运行的关键问题。据磨损原理，磨损量与磨料的速度、粒径、浓度、硬度等特性有关。锅炉加入石灰石运行，因其颗粒直径在1mm～0.1mm之间均小于满负荷时炉内上升气流可携带颗粒直径，当气流速度不变时，气流携带起的颗粒数量增加，相当于炉内颗粒浓度增加，水冷壁换热量增加，锅炉汽压上升，锅炉自动控制降低气流速度，减少炉内颗粒浓度，汽压恢复正常。这一过程说明石灰石的加入，会增加锅炉磨损。同时，石灰石成份中CaCO3、MgCO3及与SO2的反应产物CaSO4、MgSO4颗粒硬度小于煤燃烧后的灰成分SiO2、AI2O3和添加物料炉渣、河砂，详见表3。由于加入石灰石运行后形成的循环物料，硬度小且长时间无数次参与循环，颗粒表面光滑，会使锅炉磨损速度降低。
下图是CFB锅炉上升气流与“附壁流”交会处对炉膛水冷壁磨损照片，图2—1为加入石灰石运行4176小时后的照片。
图2—2为没加入石灰石运行1000小时且运行前管表面堆焊耐磨合金的情况下磨损照片。
从锅炉实际磨损程度可以看出，加入石灰石运行的锅炉与没加入石灰石运行的锅炉，磨损情况有很大区别。据测试，常规燃煤CFB锅炉，上升气流与“附壁流”的交会处，加入石灰石运行水冷壁磨损量约为0.11mm/千小时，没加入石灰石运行水冷壁磨损量约0.8mm/千小时。实践证明，加入石灰石运行，有利于改善CFB锅炉的磨损状况。
2．4静电除尘器效率
在我国已投入运行的CFB锅炉，大多数配置静电除尘器，这种除尘器的效率与被收集的灰尘颗粒的比电阻有直接关系。当颗粒比电阻较高时，颗粒荷电后到达收集极，因其电阻大所带电荷不易被释放，长时间吸附在收集极上，不仅影响了后续荷电颗粒吸附，而且收集极颗粒越积越多，厚度过大，颗粒之间电位差增加，电流增高电压降低，甚至造成击穿，使静电除尘器无法工作。在排烟温度一定时，颗粒的比电阻大小，取决于烟气中的酸性物质SO2多少，锅炉加入石灰石运行，烟气中SO2大大降低，颗粒比电阻会增加。当比电阻大于1012时，静电除尘器效率将会下降。据测试，当煤中含硫量为1.04％，按Ca/S摩尔比2：1加入石灰石时，灰颗粒的比电阻变化如下：
加入石灰石：1.9×1012Ω/cm
未加入石灰石4.0×1010Ω/cm
一般，静电除尘器设计最高比电阻为排烟温度150℃时1.5×1013Ω/cm，因此，加入石灰石运行，应考虑静电除尘器的选择，同时要增加静电除尘器的维护量。
3． 对电厂运行成本的影响
CFB锅炉加入石灰石运行，需设有专用的石灰石输送存储系统，以两台220t/hCFB锅炉电厂直接购入成品石灰石为例，整个流程为：成品石灰石由罐车运进厂区→气力卸车→存储仓→气力输送系统→炉前仓→给料计量→气力输送系统→炉膛，与之配套的设备还有仓泵、空压机、布袋除尘器、石灰石风机、石灰石给料机及自动控制系统。为保证这些设备系统运行，电厂每年需投入设备运行及人工费80万元，设备折旧维修保养107万元，如考虑在本地购买石灰石260万元，不计灰渣增加量对灰渣运输费用的增加及加入石灰石后灰渣利用率提高因素，电厂每年需增加成本447万元。
4． 结论与建议
4.1 CFB锅炉加入石灰石运行，不仅可以直接脱硫，而且可以改善锅炉的运行性能，降低受热面的磨损。但对选用静电除尘器的锅炉，应考虑比电阻变化对其效率的影响。
4.2国家有关部门应尽快制定针对锅炉脱硫的电厂运行有效激励政策，使已投运的CFB锅炉都能发挥炉内脱硫的优势，降低燃煤对环境的污染。
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