循环流化床锅炉炉内脱硫系统存在问题及优化脱硫方案

循环流化床锅炉炉内脱硫系统存在问题及优化脱硫方案

通过对大中小型循环流化床锅炉的脱硫石灰石输送系统设计及运行情况分析，提出循环流化床锅炉实际脱硫过程中存在的诸多问题及技术因素和经济因素，指出了循环流化床锅炉烟气可以达标排放的更可靠、更实用、更经济的优化脱硫方案。
[关键词] 循环流化床锅炉 脱硫固化剂 优化 脱硫
0 　前言
　　循环流化床锅炉具有效率高、燃料适应性广、负荷调节灵活、环保性能好等优点，近年来发展非常迅速，技术日趋成熟。随着我国对环保要求越来越高，环保电价政策的出台，国内一些拥有循环流化床锅炉的电厂正在抓紧改造或新加脱硫装置。
　　近几年，一些采用循环流化床锅炉的电厂还是被环保部门坚决要求进行锅炉尾部烟气脱硫，主要原因就是CFB锅炉炉内脱硫的效率令人怀疑。传统的粗糟的炉内脱硫系统设计及设备制造使脱硫效率低下，同时脱硫固化剂的消耗量却非常可观，即使采用廉价的石灰石脱硫也使发电成本显著增加。加之出现了锅炉灰渣的综合利用受到脱硫固化剂品种的影响，有的电厂只能将灰渣当做废品的废品抛弃掉。
　　更可靠、更实用、更经济的CFB锅炉炉内脱硫系统优化设计方案的重点是强化系统防堵设计、合理布置炉膛接口、选择合适脱硫固化剂，能够保证循环流化床锅炉烟气脱硫效率90%以上，烟气能够达标排放，灰渣能够综合利用。下文中按习惯称呼的石灰石（粉）实际上泛制指脱硫固化剂（粉）。
1 　循环流化床锅炉炉内烟气脱硫特点
　　循环流化床（CFB）锅炉炉内稳定的870℃左右的温度场使其本身具有了炉内烟气脱硫条件，炉外的脱硫装置实际上就是石灰石的制粉、存储及输送系统，并科学经济实用地选择脱硫固化剂。
一般电厂大多是外购满足要求的石灰石粉，由密封罐车运至电厂内，通过设置于密封罐车上的气力卸料系统将石灰石粉卸至石灰石粉储仓。在石灰石粉储仓底部，安装有气力输送系统，将石灰石粉通过管道输送至炉膛进行SO₂吸收反应。
　　循环流化床脱硫的石灰石最佳颗粒度一般为0.2～1.5mm，平均粒径一般控制在0.1～0.5mm范围。石灰石粒度大时其反应表面小，使钙的利用率降低；石灰石粒径过细，则因现在常用的旋风分离器只能分离出大于0.075mm的颗粒，小于0.075mm的颗粒不能再返回炉膛而降低了利用率（还会影响到灰的综合利用）。循环流化床锅炉与其分离和返料系统组成外循环回路保证了细颗粒（0.5～0.075mm的CaC₂O₃、CaO、CaS₂O₄等）随炉灰一起的不断循环，这样SO2易扩散到脱硫剂核心，其反应面积增大，从而提高了循环流化床锅炉中石灰石的利用率。0.5～1.5mm粒径的颗粒则在循环流化床锅炉内进行内循环，被上升气流携带上升一定高度后沿炉膛四面墙贴壁流下又落入流化床。循环流化床锅炉运行时较经济的Ca/S比一般在 1.5～2.5之间。
　　脱硫固化剂的选择问题。一般情况下电厂大多选择石灰石作为脱硫固化剂是基于其来源广泛、价格低廉且脱硫效率较高。也可以因地置宜地选择石灰、氧化锌、电石渣等作为脱硫固化剂，不同的脱硫固化剂产生的硫酸盐性能有所不同，影响到灰渣的综合利用性能。
　　石灰石粉特性：研磨后石灰石粉颗粒棱角, 硬度高；石灰石粉对压缩空气分子的亲和力差，逸气性强；粒度分布差别较大(20um-1.5mm)；堆积密度较大(1.3t/m³左右)；吸水性高，粘度大；；对输送管道的磨损较大；气力输送的悬浮速度梯度较大，流态化性能差，气力输送的状态极不稳定（属于难输送物料）；石灰石粉颗粒容易沉积；吸潮板结，造成堵管。
　　石灰石系统投运后出现的主要问题：采用压缩空气输粉时，压缩空气中带水，使石灰石受潮、结块；送粉管道细长，中途弯头部位易堵；投入石灰石后，床温会下降、床压迅速上涨；冷渣器排渣量增大。
2 　电厂各种石灰石粉存储及输送系统的特点及存在问题
2.1 两级料仓石灰石输送系统
2.1.1 两级料仓石灰石输送系统为早期循环流化床锅炉采用的经实践证明大多不太成熟的常规方案，国内电厂安装的较多。
                  
　　系统分为石灰石粉库（锅炉房外）至中间粉仓的前置段输送和中间粉仓至锅炉炉膛的后置段输送两个部分。前置段输送采用空压机做为输送用气动力源进行定容间断输送；后置段输送采用石灰石（罗茨）风机做为输送用气动力源进行可定量调整的连续输送。
　　(1）两级料仓石灰石输送干式喷钙炉内烟气脱硫系统主要是由储料仓、正压栓流式气力输送系统、炉前仓、喷吹系统、电气控制系统等组成。物料采用罐车压送到储料仓，再由正压栓流式气力输送系统输送至炉前仓，最后经喷吹系统吹送入炉膛。整个系统采用PLC程序控制。
　　(2）储料仓一般布置在零米层，可储存一台炉三天的用量，下部设有流化装置以防止石灰石粉结块，顶部设有除尘器及压力真空释放阀。
　　(3） 炉前仓布置在锅炉附近，实际为一缓冲仓，它接受储料仓的来粉，依靠重力自流卸粉。炉前仓顶部设有除尘器及库顶管箱，还设有高低料位，其下部还设有电加热板以防止石灰石粉结块。
　　(4）输送系统是以空压机作为动力源，采用高密度的低压栓流式输送，将物料从发送器以灰栓形式由管道输送至炉前仓。输送系统由发送器、进出料阀、补气阀、管路等组成。
　　(5） 喷吹系统是以罗茨风机作为动力源将石灰石粉吹入炉膛，由罗茨风机、管路、弯头、喷射器、混合器、螺旋给料机、叶轮式旋转给料阀及插板门等组成。石灰石粉给料量由叶轮式旋转给料阀通过变频调速器根据锅炉燃烧需用量进行调整，也可由螺旋给料机进行调整。
　　(6）主要技术参数： 气灰比：～1:3.5，钙硫比：～2.2:1，脱硫效率：85～90%。
2.1.2防止炉前石灰石粉输送系统堵塞采用技术措施
　　(1）用电加热器（根据气候特点选用）：将石灰石风机送出的风加热到一定温度，使输送管路中的物料顺畅流动。
　　(2）用气化装置：安装在粉仓底部，加热过的空气通过陶瓷多孔板使干燥的粉粒状的物料流化，增加物料的流动性，防止物料板结、起拱。
　　(3）在喷射供料器上增设备用风，风源为压缩空气。防止在输送风压不足时石灰石输送系统堵塞。
2.1.3上述石灰石输送系统属于间断输送。在电厂实际运行中，发现存在以下问题：
　　(1）向炉膛输粉的给料量无法保证均匀、连续：石灰石粉的粒度、湿度等特性极易随环境因素变化，石灰石从中间仓进入螺旋给料机时是不均匀、不连续的。 螺旋给粉设备一般较易磨损，带来的后果是：关闭不严，泄漏严重；当通往炉膛的石灰石管路不畅时，石灰石风机风有可能倒灌到炉前石灰石仓，导致给料困难。
　　(2）石灰石粉较细且极易吸潮，因而石灰石料仓容易结块堵塞，造成石灰石粉下料不畅；
　　(3）旋转给料阀易磨损；
　　(4）间断输送，易在管道中产生细粉的沉积；
　　(5）使用炉前中间仓当做两相流中继输送间的连接和缓冲，系统处理量过大，而且系统较为复杂，所需设备管道较多，故障点也多；
　　(6）整个系统消耗功率大；
　　(7）需设炉前中间仓（在电厂煤仓间15-30m标高之间），土建投资大；
　　(8）初期投资大、运行成本高。
现新建电厂设计或投产电厂的改造不宜再选用此两级料仓石灰石输送系统。
2.2单级料仓连续石灰石输送系统
　　外购满足要求的石灰石粉（粒径小于1.5mm），由密封罐车运至电厂内，通过设置于密封罐车上的气力卸料系统将石灰石粉卸至石灰石粉储仓。在石灰石粉储仓底部，安装有气力输送系统，石灰石粉由高压空气通过管道直接输送至炉膛进行SO2吸收反应。采用连续运行方式，每套输送系统正常出力不小于一台锅炉燃用设计煤种BMCR时炉内脱硫所需石灰石粉量的150%。
　　单级料仓循环流化床锅炉石灰石输送系统按喷射给料机的标高不同分为0米层发送单级料仓石灰石输送系统和约15米层发送单级料仓石灰石输送系统，按输送动力气源分为压缩空气、60-80KPa高压风（又分为单独罗茨风机或利用锅炉高压流化风机）、热一次风等系统。
　　可以根据用户循环流化床锅炉的具体情况和系统设计特点，如个各个风（一次、二次、高压流化、播煤等风）的压力流量、各风与炉膛接口的标高、数量等进行优化设计，定出最佳方案，给用户提供更可靠、更实用、更经济的石灰石（脱硫固化剂）粉存储及输送系统优化方案。
　　系统特点：系统由螺旋计量给料装置、自控旋转给料阀、压力式喷射给料装置、鼓风送风装置以及管道分配器等组成。可以根据用户现场的实际需要选择不同的系统配置。采用针对循环流化床锅炉脱硫专门研制的注料泵（或喷射泵），该设备安装在位于锅炉房（附近）外侧的石灰石粉库下，可根据锅炉的运行工况，通过变频电机实现无级调速控制，将石灰石粉定量、连续、均匀地一次送入锅炉炉膛。
　　　　　　　　　　　　
与常规间断输送相比，直接连续输送系统具有以下优点：
　　(1）投资成本低:一级输送，设备少，耗气小，投资降低，便于优化布置；
　　(2）可靠性高: 由于设备减少，系统出故障的几率减小，维护量小；
　　(3）给料均匀、连续、提高了输送可靠性；
　　(4）系统出力调节方便、调节范围大: 通过称重模块可清楚知道系统出力，通过变频电机无级调速，调整系统出力；
3　对单级料仓连续石灰石输送系统的优化设计与改进
　　单级料仓连续输送石灰石系统虽较两级料仓石灰石输送系统有所简化，投资较省，但气源和发送方式的选择性较大，还需在提高系统可靠性进一步优化设计。可以根据用户循环流化床锅炉的具体情况和系统设计特点，如个各个风（一次、二次、高压流化、播煤等风）的压力流量、各风与炉膛接口的标高、数量等进行优化设计，定出最佳方案，给用户提供更可靠、更实用、更经济的石灰石（脱硫固化剂）粉存储及输送系统和脱硫优化方案。
3.1设计改进特点
　　(1）料仓：在料仓内壁上增加设计高压热风气化板。
　　(2）螺旋计量给料装置（自控旋转给料阀）：增加防漏风措施。
　　(3）喷射式供料器：在管道正压运行时能维持吸料口微负压。
　　(4）高压风装置：根据现场的实际情况选高压罗茨风机（或空压机）。设计风加热装置以确保整个系统能用热风吹扫。
　　(5） 防冻设计：对粉仓、设备、管道都设计保温层。石灰石粉仓系统的电加热器能保证在气候极端潮湿的情况下，脱硫剂粉不发生结块，以防止堵料。
　　由于石灰石粉比较细、且易受潮结块，所以要求粉仓严密；又由于粉仓严密，当粉仓静压低、给粉机静压高时，石灰石粉会倒灌，所以粉仓的设计按用热风维持正压运行。
3.2输送动力气源的优化选择方案
　　输送动力气源可以选择：压缩空气、单独罗茨风机60-80KPa高压风、利用CFB锅炉高压流化风、利用CFB锅炉热一次风。在输送动力气源的选择上首先要尽量利用电厂现有的资源，看看电厂CFB锅炉的哪些风富裕量比较大，然后合理选择。利用CFB锅炉高压流化风和热一次风是最经济的方案。使用热一次风作为输送动力气源的前提是在约15米层设置发送料装置同时采用无中间仓的发送系统。
3.3发送料装置标高的优化选择方案
　　单级料仓脱硫固化剂输送系统按喷射给料机的标高不同分为0米层发送单级料仓脱硫固化剂输送系统和15米层发送单级料仓脱硫固化剂输送系统。在15米层设置发送脱硫固化剂装置使粉仓的高度提升，需同时采用无中间仓的发送系统才能降低这个高度，然后便于利用CFB锅炉高压流化风或热一次风作为输送动力气源，总体上避免系统复杂化，降低工程造价。
　　在0米层设置单级发送装置，若采用无中间仓的发送系统则发送装置的实际设置标高约提升到5米料，同时尽力将粉仓布置在CFB锅炉房附近，就可避免使用压缩空气输送而采用单独罗茨风机60-80KPa高压风或利用CFB锅炉高压流化风作为输送动力气源。总体上避免系统复杂化，提高了可靠性，还可降低工程造价。
3.4发送料装置的优化选择方案
　　发送料装置目前有多种形式：仓泵、喷射器、三通式混合器、强力喷射泵、料封泵、仓螺体等。
　　不外呼通过气体的高速射流造成低气压腔体抽吸自由下落的脱硫固化剂粉末，形成气固两相流。气灰比：～1:3.5。
3.5 中间收料给料小仓的优化选择方案
　　 按有无中间仓来划分发送料系统则有三中：具有一个中间仓的发送料系统、具有两个中间仓（收料给料仓）的发送系统、没有中间仓的发送系统。究竟哪一种更可靠、更实用，这与发送料装置的选型、仓料干燥方式及输送动力气源的优化选择有关，需综合考虑，才能确定出一种更可靠、更经济实用的方案。没有中间仓的发送系统当然是最简单的系统，但要在最可靠性上充分考虑采取有效措施，主要是合理解决仓料干燥方式和料仓的背压问题。
　　　　　　　　　　　　　　　　
3.6 石灰石粉与锅炉接口的优化选择方案
　　 脱硫固化剂与锅炉的接口即脱硫固化剂气固两相流喷入CFB锅炉的位置，这对脱硫效果也有一定影响。国内CFB锅炉脱硫固化剂与锅炉的接口方式主要有：在炉墙下部上专门开孔、在回料斜腿上部开孔喷入循环灰内部、在上下二次风管弯头处接口喷向二次风口、在落煤管处充当播煤风随煤喷入炉膛。不同制造厂的不同容量的CFB锅炉上述各个接口的标高都不仅相同，到底哪个接口方式才能最有效地提高脱硫效果，不能一概而论。总之要使脱硫固化剂同时从不同标高进入CFB锅炉炉堂，使脱硫固化剂粉弥漫在整个炉堂空间最充分地煅烧和与SO2接触反应。
   要考虑CFB锅炉背压对脱硫固化剂输送系统的影响，在接口处设计成三通式负压吸入口。
3.7 石灰石粉仓内防潮的优化选择方案
   　脱硫固化剂粉仓内的防潮问题现在是简单的采用密闭的办法，出现了粉仓内背压波动甚至为负的情况，影响到脱硫固化剂粉的可靠输送。采用粉仓密闭的办法导致了中间仓（收料给料仓）的出现，使系统和控制更加复杂，操作和维护量加大。优化选择的解决办法是粉仓的设计按用热风维持正压运行。
3.8 脱硫固化剂的优化选择方案
　　 脱硫固化剂的优化选择主要是兼顾脱硫效率高和灰渣综合利用好两个方面。
一般情况下电厂大多选择石灰石作为脱硫固化剂是基于其来源广泛、价格低廉且脱硫效率较高。也可以因地置宜地选择石灰、氧化锌、电石渣等作为脱硫固化剂。需要指出的是粒径在0.2mm以下的细粉状的物质如消石灰不能作为CFB锅炉的脱硫固化剂。不同的脱硫固化剂产生的硫酸盐性能有所不同，影响到灰渣的综合利用。一种少量的脱硫添加剂可以改变灰渣的的品质，可以保证灰渣的有效综合利用。这种服务已经社会化。