DQZHAN技術(shù)訊：CFB鍋爐尾部煙道增濕活化脫硫工藝的試驗(yàn)研究

以煤矸石為主要燃料的循環(huán)流化床(CirculatingFluidizedBed,CFB)鍋爐發(fā)電技術(shù)已日漸成熟,燃用煤矸石等劣質(zhì)煤時(shí)可達(dá)到很高的燃燒效率,同時(shí)采用爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝達(dá)可到90%以上的脫硫效率?然而隨著國(guó)民對(duì)環(huán)保要求日益提高,燃煤電廠SO2的防治與控制已成為當(dāng)前迫切需要解決的問題?CFB鍋爐過分依賴爐內(nèi)脫硫工藝不僅會(huì)增大脫硫成本,影響鍋爐效率,增大灰渣排量,還不利于粉煤灰的綜合利用?本文在1臺(tái)以混矸煤(洗中煤60%,煤矸石40%)為燃料的300MW循環(huán)流化床鍋爐上,進(jìn)行了工業(yè)熱態(tài)脫硫試驗(yàn),研究其在爐內(nèi)噴鈣脫硫的基礎(chǔ)上,增加尾部煤灰增濕活化二級(jí)脫硫工藝的效果及其影響因素,以及該工藝對(duì)煤灰綜合利用的影響?

1 煤灰增濕活化脫硫的機(jī)理及其影響因素

傳統(tǒng)的爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝中,CaO的利用率較低?煅燒后多孔的CaO與SO2發(fā)生反應(yīng),其固硫產(chǎn)物CaSO4的摩爾體積增大而使空隙堵塞,導(dǎo)致一半以上的CaO無(wú)法參與脫硫反應(yīng)?爐內(nèi)噴鈣加尾部增濕活化煙氣脫硫工藝早有應(yīng)用,其尾部增濕環(huán)節(jié)的理論依據(jù)為:

(1)飛灰中未反應(yīng)的CaO外面往往包裹著一層硫酸鹽化的外殼,水能滲透這層外殼并與內(nèi)部的氧化鈣反應(yīng)生成氫氧化鈣?由于氫氧化鈣的摩爾容積

(33.1cm3/mol)比氧化鈣的摩爾容積(16.9cm3/mol)大,它發(fā)生膨脹使部分硫酸鹽化外殼破裂,從而能與煙氣中的SO2接觸發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng);

(2)水在Ca(OH)2顆粒表面形成一層液膜,使脫硫反應(yīng)從氣固反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐耗ぶ械碾x子反應(yīng),在低溫條件下,大大加快了反應(yīng)的進(jìn)行?

宋玉寶等人運(yùn)用熱天平研究了高鈣煤灰增濕脫硫的特性,自由水分的存在是高鈣煤灰進(jìn)行低溫固硫反應(yīng)的首要條件?IRIBARNEJ等人認(rèn)為脫硫灰的低溫增濕脫硫能力與水活化過程產(chǎn)生的

Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比關(guān)系,而水合過程受活化

溫度?活化水量?CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及灰分的影響?

由煤灰增濕活化脫硫工藝的原理可知,其反應(yīng)過程中的宏觀因素主要受增濕Ca/S摩爾比?活化水量?出口溫度與熱飽和溫度的差值?液滴的蒸發(fā)停留時(shí)間等因素的影響?本文在把液滴的蒸發(fā)停留時(shí)間控制在一定范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上,主要研究增濕Ca/S摩爾比?活化水量?出口溫距對(duì)煤灰增濕活化脫硫工藝的影響規(guī)律,及該工藝對(duì)煤灰綜合利用的影響?

2 試驗(yàn)系統(tǒng)?方法設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

尾部煤灰增濕活化脫硫裝置的系統(tǒng)流程如圖1所示?圖1中,左邊為噴水系統(tǒng),電動(dòng)往復(fù)泵保證系統(tǒng)壓力為2.5MPa,單流體壓力式自動(dòng)噴槍插入點(diǎn)位于空預(yù)器出口處水平煙道上表面,并排均勻布置32個(gè),噴射方向與煙氣方向一致,并與煙道上壁成60°角,霧化液滴粒徑控制在200μm以下?通過水箱液位計(jì)量試驗(yàn)噴水量?噴入點(diǎn)處均勻布置5個(gè)溫度傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作溫度,當(dāng)溫度小于設(shè)定的酸露點(diǎn)溫度時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)停止,以保證生產(chǎn)鍋爐的**運(yùn)行?此處煙道截面積為3240×13050mm2,從空預(yù)器出口到布袋除塵器入口煙道有近30m長(zhǎng)?按表1試驗(yàn)煤種額定工況(煤耗量220t/h)的煙氣量90.86×104m3/h(過量空氣系數(shù)α=1.2)計(jì)算,增濕煙氣在這段煙道中的停留時(shí)間為6s?

2.2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

為保證煙道溫度不低于酸露點(diǎn)溫度,噴水量是一個(gè)重要的參數(shù)?不考慮散熱和反應(yīng)熱,按式(1)計(jì)算*大噴水量:

試驗(yàn)煤種通過式(2)估算出的煙氣酸露點(diǎn)為102.28℃,但因?yàn)閲娝鬅煔庵兴羝謮涸龃?其酸露點(diǎn)相應(yīng)升高,所以我們按噴水后煙氣溫度降到120℃計(jì)算,并假設(shè)噴入的水在6s內(nèi)能完全汽化,由式(1)算出每燃燒1kg燃料,煙道增濕活化脫硫裝置噴入0.054kg的水時(shí),噴水后煙氣溫度降120℃,即240~300MW負(fù)荷范圍(煤耗180~220t/h)內(nèi)的系統(tǒng)*大允許噴水量為:9.65~11.80t/h?

本試驗(yàn)采用單一變量法,研究Ca/S摩爾比?水鈣摩爾比?飽和溫距對(duì)煤灰增濕活化脫硫效果的影響,及該工藝與鈣利用率的關(guān)系?試驗(yàn)共分為I?Ⅱ?Ⅲ?Ⅳ?Ⅴ?Ⅵ組,其中I和Ⅱ組共取用1個(gè)煤樣,表1為每組試驗(yàn)燃煤采樣的的工業(yè)分析及脫硫劑石灰石純度的化驗(yàn)結(jié)果?每組試驗(yàn)過程中,維持投入鍋爐的物料及運(yùn)行參數(shù)基本不變,記錄噴水前后SO2排放濃度的數(shù)據(jù),每5min1組?在煙囪進(jìn)口煙道上開設(shè)小孔進(jìn)行溫度測(cè)量及煙氣負(fù)壓取樣,測(cè)量SO2濃度的儀器為日本HORIBA公司生產(chǎn)的型號(hào)為ENDA-600ZG分析儀(試驗(yàn)前用標(biāo)氣校準(zhǔn),誤差≤1%),煤硫分分析儀選用長(zhǎng)沙瑞祥科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為WS-S200的WS自動(dòng)測(cè)硫儀,測(cè)硫分辨率為0.001%?

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1試驗(yàn)燃煤的工業(yè)分析?石灰石純度數(shù)據(jù)及每組試驗(yàn)測(cè)得的SO2排放濃度,做以下分析?把爐內(nèi)噴鈣加尾部增濕脫硫工藝共同投運(yùn)時(shí)的脫硫效率稱為時(shí)均脫硫效率:

C2—實(shí)測(cè)煙氣中SO2的折算濃度(mg/m-3,過量空氣系數(shù)取1.4);

B—實(shí)測(cè)單位時(shí)間進(jìn)爐燃料量,t/h;Sa—測(cè)量燃料的收到基含硫量,%;

K—燃料中的硫含量在爐內(nèi)轉(zhuǎn)化為SO2的份額(取0.9);

ηSO2—除塵器的脫硫效率(布袋除塵器取0);

q4—鍋爐固體不完全燃燒損失(%,取2);

Vy—實(shí)測(cè)單位時(shí)間煙氣排放量,Nm3/h;

α—排放煙氣的濕度;

O′2—實(shí)測(cè)煙氣含氧量,%?

尾部增濕活化脫硫工藝的脫硫效率稱為增濕脫硫效率

式中:cin?cout—噴水前后測(cè)得的煙氣中SO2的折算濃度(mg/m-3,過量空氣系數(shù)取1.4)?

假設(shè)進(jìn)入鍋爐的脫硫劑完全被分解為CaO,除了與SO2反應(yīng)的部分,剩余的全部以CaO形式存在,以進(jìn)入尾部增濕活化脫硫工藝的物料為基準(zhǔn)計(jì)算增濕鈣硫摩爾比,按式(5)計(jì)算

其中:β—單位時(shí)間入爐脫硫劑與燃料的質(zhì)量之比;

KCaCO3—脫硫劑中CaCO3的份額,%;

αfh—飛灰份額(此處取0.6)?

噴入系統(tǒng)的水量以水分子和鈣原子的摩爾數(shù)計(jì)量為水鈣摩爾比,其計(jì)算公式為

式中:A—單位時(shí)間入爐的脫硫劑量,kg;

B—單位時(shí)間入爐的燃料質(zhì)量,kg;

C—單位時(shí)間噴入煙道的水量,kg?

出口溫距ΔT為系統(tǒng)出口排煙溫度與煙氣飽和蒸汽壓差值,其計(jì)算公式為

式中:T煙—煙氣溫度,℃;

T飽—飽和蒸汽分壓P飽對(duì)應(yīng)的飽和溫度,℃?

其中:

P飽=d˙P(/d+0.622);

P—當(dāng)?shù)卮髿鈮?

d—煙氣含濕量;

其中

ρ0—標(biāo)況下的煙氣密度,kg/m3;

Vy—煙道實(shí)測(cè)煙氣流量,Nm3/h;

α—過量空氣系數(shù);

dk—當(dāng)?shù)乜諝獾暮瑵窳?g/kg;

ρ—當(dāng)?shù)乜諝饷芏?Nm3/h;

V0—單位質(zhì)量燃料所需的理論空氣量,Nm3/h;

B—單位時(shí)間進(jìn)入燃料量,t/h?

噴入鍋爐的脫硫劑鈣利用率用式(8)計(jì)算

各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2?從表2中可以看出,增濕Ca/S摩爾比比其他研究中都要大很多,這是因?yàn)楸疚闹蠧a/S摩爾比是利用脫硫劑中的Ca平衡計(jì)算的,假設(shè)飛灰中的Ca全部以CaO的形式存在的?

2.3.1 Ca/S摩爾比對(duì)脫硫效率的影響

第I?Ⅱ組試驗(yàn)選定相近負(fù)荷的穩(wěn)定時(shí)段,維持鍋爐運(yùn)行參數(shù)基本不變,噴水量為5t/h的情況下,通過改變脫硫劑給料量,測(cè)試不同增濕Ca/S摩爾比對(duì)煙道煤灰增濕活化脫硫工藝脫硫效率的影響?圖2是表2中第I?Ⅱ組試驗(yàn)噴水前后時(shí)均脫硫效率?實(shí)測(cè)SO2折算排放濃度隨時(shí)間的關(guān)系圖(從第20min后開始噴入水)?由圖2可見,噴水開始后,SO2排放濃度會(huì)立刻下降,第I組增濕Ca/S摩爾比4.46,水鈣摩爾比6.2,排煙溫度125℃,SO2排放濃度765mg/m3降到665mg/m3,增濕脫硫效率13.1%;第Ⅱ組增濕Ca/S摩爾比15.27?水鈣摩爾比3.8,排煙溫度127℃,SO2排放濃度從364mg/m3降到273mg/m3,增濕脫硫效率為25.2%?隨著增濕Ca/S摩爾比的增大,增濕脫硫效率增加?

這是因?yàn)樵谡麄€(gè)反應(yīng)過程中,反應(yīng)物的傳質(zhì)擴(kuò)散過程和在液膜中的溶解是控制整個(gè)反應(yīng)速率的關(guān)鍵,而其它反應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬間完成的?研究認(rèn)為脫硫灰的低溫增濕脫硫能力與水活化過程產(chǎn)生的Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比關(guān)系,當(dāng)噴入水量相同時(shí),飛灰中含有的CaO越多,被水活化生成Ca(OH)2的量就越大;其次是Ⅱ組負(fù)荷較I偏低,產(chǎn)生的煙氣量小,煙氣流速低,在活化增濕段停留的時(shí)間長(zhǎng);相比下吸收的SO2就會(huì)多?當(dāng)Ca/S摩爾比較小時(shí),脫硫劑在飛灰中分布越不均勻,反應(yīng)物的傳質(zhì)擴(kuò)散過程起主導(dǎo)作用,當(dāng)噴入的水流場(chǎng)一定時(shí),單位時(shí)間能接觸到水滴并被活化為Ca(OH)2量的差別較大,繼而使吸收SO2的量波動(dòng)也比較大?

本試驗(yàn)中,Ca/S摩爾比的改變是通過調(diào)節(jié)進(jìn)入爐內(nèi)脫硫劑的量來改變的,這導(dǎo)致煙道煤灰增濕脫硫系統(tǒng)的入口SO2濃度不一樣,I組入口SO2濃度大于Ⅱ組,但是增濕脫硫效率卻比Ⅱ組低,這說明Ca/S摩爾比和入口SO2濃度的增大,都對(duì)增濕脫硫效率有促進(jìn)作用,只是Ca/S摩爾比的影響要大于入口SO2濃度的影響?

2.3.2水鈣摩爾比對(duì)脫硫效率的影響

第III?IV?Ⅴ組試驗(yàn)選定相近負(fù)荷的穩(wěn)定時(shí)段,維持鍋爐運(yùn)行參數(shù)基本不變,脫硫劑與給煤量的配比基本相同(以維持相同增濕Ca/S摩爾比),改變開啟噴頭數(shù)量以改變噴水量,測(cè)試不同水鈣摩爾比對(duì)該工藝脫硫效率的影響?圖3是表2中第III?IV?Ⅴ組試驗(yàn)噴水后增濕脫硫效率與水鈣摩爾比的關(guān)系圖,圖4為第III?IV?Ⅴ組試驗(yàn)噴水前后時(shí)均脫硫效率隨時(shí)間的關(guān)系圖(從第20min后開始噴入水)?從圖中可見:第III組增濕Ca/S摩爾比為9.06?水鈣摩爾比3.4,排煙溫度135℃,SO2排放濃度從638mg/m3降到537mg/m3,增濕脫硫效率15.8%;第IV組增濕Ca/S摩爾比為8.24?水鈣摩爾比4.3,排煙溫度134℃,SO2排放濃度從655mg/m3降到534mg/m3,增濕脫硫效率18.5%;第Ⅴ組增濕Ca/S摩爾比為9.27?水鈣摩爾比6.8,排煙溫137℃,SO2排放濃度從561mg/m3降到428mg/m3,增濕脫硫效率23.7%;當(dāng)其他因素變化不大,水鈣摩爾比由3.4升到6.8時(shí)(噴水量由5t/h增大至8t/h),增濕脫硫效率由15.8%提高至23.7%;這是因?yàn)楫?dāng)鍋爐Ca/S摩爾比基本不變時(shí),噴入的水越多,煤灰中的CaO被水活化的機(jī)會(huì)就越大,生成的Ca(OH)2就越多;同時(shí)噴水量越多,水分被蒸發(fā)完全的時(shí)間就越長(zhǎng),脫硫反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),吸收的SO2量就越多?當(dāng)噴入的水量富裕時(shí),水流場(chǎng)的作用促進(jìn)了反應(yīng)物的傳質(zhì)擴(kuò)散過程,使飛灰中CaO被活化成的Ca(OH)2的波動(dòng)較大,所以吸收SO2量增加的同時(shí),又存在波動(dòng)?

2.3.3 出口溫距對(duì)脫硫效率的影響

第Ⅱ?Ⅵ組試驗(yàn)選定不同負(fù)荷的穩(wěn)定時(shí)段,維持鍋爐運(yùn)行參數(shù)基本不變,脫硫劑與給煤量的配比基本相同,噴水量為5t/h左右不變的情況下,打開暖風(fēng)機(jī),改變排煙溫度,測(cè)試不同排煙溫度對(duì)該工藝脫硫效率的影響?圖5是表2中第Ⅱ?Ⅵ組試驗(yàn)噴水前后時(shí)均脫硫效率?實(shí)測(cè)SO2折算排放濃度隨時(shí)間的關(guān)系圖(從第20分鐘后開始噴入水),由圖5可見:第Ⅱ組增濕Ca/S摩爾比為15.27?水鈣摩爾比3.8,排煙溫度127℃,SO2排放濃度從364mg/m3降到273mg/m3,增濕脫硫效率為25.2%?第Ⅵ組增濕Ca/S摩爾比為14.55?水鈣摩爾比3.0,排煙溫度145℃,SO2排放濃度從550mg/m3降426mg/m3,增濕脫硫效率為22.6%?隨著反應(yīng)溫度的降低,增濕脫硫效率增大?

這一方面是因?yàn)闇囟鹊纳呒涌炝怂值恼舭l(fā),使得進(jìn)行脫硫反應(yīng)的時(shí)間減少了;另一方面,溫度越高,反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)越大,但在水中的溶解度越低,這不利于反應(yīng)物的在液膜中的溶解?同時(shí)第II組試驗(yàn)負(fù)荷偏低,產(chǎn)生的煙氣量少,以至于增濕活化段的停留時(shí)間較長(zhǎng)也是其增濕脫硫效率偏高的一個(gè)原因?

文獻(xiàn)論證了出口溫距越大,該因素對(duì)脫硫效率的影響越小?這是為什么兩組溫距相差19℃,但脫硫效率相差不大的原因?根據(jù)公式(7)出口溫距ΔT計(jì)算出第Ⅱ和Ⅵ組的出口溫距分別為58℃和77℃?這與周月桂等人得出的出口溫距保持

在10~15℃范圍相差較大,這也是本試驗(yàn)得出的

增濕活化脫硫效率較低的主要原因?

2.3.4增濕脫硫工藝對(duì)鈣利用率的影響

由表2中鈣利用率數(shù)據(jù)分析可見,當(dāng)鍋爐Ca/S摩爾比為2.63時(shí),鈣利用率達(dá)到了本試驗(yàn)*大的28.1%,未被利用且粒徑較小的鈣隨飛灰被除塵器收集?粉煤灰綜合利用主要是作為水泥的原材料,其中游離氧化鈣的含量過高,在水泥使用過程中,會(huì)引起安定性**反應(yīng)(CaO+H2O→Ca(OH)2),進(jìn)而降低建筑物質(zhì)量,甚至使建筑物發(fā)生崩潰而造成極大的危害?增濕脫硫工藝的投用使鈣利用率提高近2個(gè)百分點(diǎn),減少了飛灰中游離氧化鈣的含量,提高了飛灰綜合利用的質(zhì)量?

3 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)系統(tǒng)下,當(dāng)鍋爐鈣硫摩爾比為2.5~4.2之間,噴水量維持到5~8t/h,排煙溫度119~145℃,增濕脫硫效率*大能達(dá)到25.2%,時(shí)均脫硫效率*大能達(dá)到91%,使SO2排放濃度降91~133mg/m3,鈣利用率提高到29.7%,有效地降低了飛灰中游離氧化鈣的含量,提高了煤灰作為水泥原材料的質(zhì)量?

試驗(yàn)結(jié)果表明,煤灰增濕脫硫反應(yīng)很迅速,增濕Ca/S摩爾比?水鈣摩爾比?出口溫距是影響其增濕脫硫效率的主要因素?隨著增濕Ca/S摩爾比?水鈣摩爾比的增大,增濕脫硫效率提高,出口溫距越低,增濕脫硫效率越高?增濕脫硫工藝能夠提高鈣的利用率,減少了飛灰中游離氧化鈣的含量,提高了粉煤灰的綜合利用率?

4 結(jié)論

(1)煤灰增濕活化脫硫工藝旨在利用爐內(nèi)未反應(yīng)的脫硫劑進(jìn)行脫硫,能有效地提高鍋爐整體脫硫效率,降低SO2的排放濃度;同時(shí)提高脫硫劑的利用率,降低了總體脫硫成本;減少了飛灰中游離氧化鈣的含量,優(yōu)化煤灰作為建筑材料的質(zhì)量,增加煤灰綜合利用的效益?

(2)爐內(nèi)噴鈣加尾部煤灰增濕活化脫硫二級(jí)工藝適用于燃用劣質(zhì)煤的CFB鍋爐,工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單靈活?初投資及運(yùn)行費(fèi)用低?能耗低?占地面積小?無(wú)二次污染產(chǎn)物,并且有利于煤灰的綜合利用?該工藝為已建大?中型循環(huán)流化床鍋爐的強(qiáng)化脫硫提供了一種節(jié)能?高效的探索途徑?