DQZHAN技術訊：CFB鍋爐尾部煙道增濕活化脫硫工藝的試驗研究

以煤矸石為主要燃料的循環(huán)流化床(CirculatingFluidizedBed,CFB)鍋爐發(fā)電技術已日漸成熟,燃用煤矸石等劣質(zhì)煤時可達到很高的燃燒效率,同時采用爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝達可到90%以上的脫硫效率?然而隨著國民對環(huán)保要求日益提高,燃煤電廠SO2的防治與控制已成為當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,進行了工業(yè)熱態(tài)脫硫試驗,研究其在爐內(nèi)噴鈣脫硫的基礎上,增加尾部煤灰增濕活化二級脫硫工藝的效果及其影響因素,以及該工藝對煤灰綜合利用的影響?

1 煤灰增濕活化脫硫的機理及其影響因素

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,其固硫產(chǎn)物CaSO4的摩爾體積增大而使空隙堵塞,導致一半以上的CaO無法參與脫硫反應?爐內(nèi)噴鈣加尾部增濕活化煙氣脫硫工藝早有應用,其尾部增濕環(huán)節(jié)的理論依據(jù)為:

(1)飛灰中未反應的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)生進一步反應;

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

宋玉寶等人運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行低溫固硫反應的首要條件?IRIBARNEJ等人認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)量分數(shù)成正比關系,而水合過程受活化

溫度?活化水量?CaO質(zhì)量分數(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)停留時間等因素的影響?本文在把液滴的蒸發(fā)停留時間控制在一定范圍內(nèi)的基礎上,主要研究增濕Ca/S摩爾比?活化水量?出口溫距對煤灰增濕活化脫硫工藝的影響規(guī)律,及該工藝對煤灰綜合利用的影響?

2 試驗系統(tǒng)?方法設計及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗系統(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),電動往復泵保證系統(tǒng)壓力為2.5MPa,單流體壓力式自動噴槍插入點位于空預器出口處水平煙道上表面,并排均勻布置32個,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?通過水箱液位計量試驗噴水量?噴入點處均勻布置5個溫度傳感器,實時監(jiān)測系統(tǒng)工作溫度,當溫度小于設定的酸露點溫度時,系統(tǒng)自動停止,以保證生產(chǎn)鍋爐的**運行?此處煙道截面積為3240×13050mm2,從空預器出口到布袋除塵器入口煙道有近30m長?按表1試驗煤種額定工況(煤耗量220t/h)的煙氣量90.86×104m3/h(過量空氣系數(shù)α=1.2)計算,增濕煙氣在這段煙道中的停留時間為6s?

2.2 試驗方法設計

為保證煙道溫度不低于酸露點溫度,噴水量是一個重要的參數(shù)?不考慮散熱和反應熱,按式(1)計算*大噴水量:

試驗煤種通過式(2)估算出的煙氣酸露點為102.28℃,但因為噴水后煙氣中水蒸汽分壓增大,其酸露點相應升高,所以我們按噴水后煙氣溫度降到120℃計算,并假設噴入的水在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,噴水后煙氣溫度降120℃,即240~300MW負荷范圍(煤耗180~220t/h)內(nèi)的系統(tǒng)*大允許噴水量為:9.65~11.80t/h?

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

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1試驗燃煤的工業(yè)分析?石灰石純度數(shù)據(jù)及每組試驗測得的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時的脫硫效率稱為時均脫硫效率:

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

B—實測單位時間進爐燃料量,t/h;Sa—測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—實測單位時間煙氣排放量,Nm3/h;

α—排放煙氣的濕度;

O′2—實測煙氣含氧量,%?

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)?

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

其中:β—單位時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)計量為水鈣摩爾比,其計算公式為

式中:A—單位時間入爐的脫硫劑量,kg;

B—單位時間入爐的燃料質(zhì)量,kg;

C—單位時間噴入煙道的水量,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,其計算公式為

式中:T煙—煙氣溫度,℃;

T飽—飽和蒸汽分壓P飽對應的飽和溫度,℃?

其中:

P飽=d˙P(/d+0.622);

P—當?shù)卮髿鈮?

d—煙氣含濕量;

其中

ρ0—標況下的煙氣密度,kg/m3;

Vy—煙道實測煙氣流量,Nm3/h;

α—過量空氣系數(shù);

dk—當?shù)乜諝獾暮瑵窳?g/kg;

ρ—當?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—單位時間進入燃料量,t/h?

噴入鍋爐的脫硫劑鈣利用率用式(8)計算

各組試驗數(shù)據(jù)分析結果見表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,這是因為本文中Ca/S摩爾比是利用脫硫劑中的Ca平衡計算的,假設飛灰中的Ca全部以CaO的形式存在的?

2.3.1 Ca/S摩爾比對脫硫效率的影響

第I?Ⅱ組試驗選定相近負荷的穩(wěn)定時段,維持鍋爐運行參數(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,測試不同增濕Ca/S摩爾比對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組試驗噴水前后時均脫硫效率?實測SO2折算排放濃度隨時間的關系圖(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?

這是因為在整個反應過程中,反應物的傳質(zhì)擴散過程和在液膜中的溶解是控制整個反應速率的關鍵,而其它反應都可以認為是瞬間完成的?研究認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)量分數(shù)成正比關系,當噴入水量相同時,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間長;相比下吸收的SO2就會多?當Ca/S摩爾比較小時,脫硫劑在飛灰中分布越不均勻,反應物的傳質(zhì)擴散過程起主導作用,當噴入的水流場一定時,單位時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的量波動也比較大?

本試驗中,Ca/S摩爾比的改變是通過調(diào)節(jié)進入爐內(nèi)脫硫劑的量來改變的,這導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,都對增濕脫硫效率有促進作用,只是Ca/S摩爾比的影響要大于入口SO2濃度的影響?

2.3.2水鈣摩爾比對脫硫效率的影響

第III?IV?Ⅴ組試驗選定相近負荷的穩(wěn)定時段,維持鍋爐運行參數(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,測試不同水鈣摩爾比對該工藝脫硫效率的影響?圖3是表2中第III?IV?Ⅴ組試驗噴水后增濕脫硫效率與水鈣摩爾比的關系圖,圖4為第III?IV?Ⅴ組試驗噴水前后時均脫硫效率隨時間的關系圖(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%;當其他因素變化不大,水鈣摩爾比由3.4升到6.8時(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%;這是因為當鍋爐Ca/S摩爾比基本不變時,噴入的水越多,煤灰中的CaO被水活化的機會就越大,生成的Ca(OH)2就越多;同時噴水量越多,水分被蒸發(fā)完全的時間就越長,脫硫反應的持續(xù)時間越長,吸收的SO2量就越多?當噴入的水量富裕時,水流場的作用促進了反應物的傳質(zhì)擴散過程,使飛灰中CaO被活化成的Ca(OH)2的波動較大,所以吸收SO2量增加的同時,又存在波動?

2.3.3 出口溫距對脫硫效率的影響

第Ⅱ?Ⅵ組試驗選定不同負荷的穩(wěn)定時段,維持鍋爐運行參數(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,打開暖風機,改變排煙溫度,測試不同排煙溫度對該工藝脫硫效率的影響?圖5是表2中第Ⅱ?Ⅵ組試驗噴水前后時均脫硫效率?實測SO2折算排放濃度隨時間的關系圖(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%?隨著反應溫度的降低,增濕脫硫效率增大?

這一方面是因為溫度的升高加快了水分的蒸發(fā),使得進行脫硫反應的時間減少了;另一方面,溫度越高,反應物的擴散系數(shù)越大,但在水中的溶解度越低,這不利于反應物的在液膜中的溶解?同時第II組試驗負荷偏低,產(chǎn)生的煙氣量少,以至于增濕活化段的停留時間較長也是其增濕脫硫效率偏高的一個原因?

文獻論證了出口溫距越大,該因素對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增濕脫硫工藝對鈣利用率的影響

由表2中鈣利用率數(shù)據(jù)分析可見,當鍋爐Ca/S摩爾比為2.63時,鈣利用率達到了本試驗*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,會引起安定性**反應(CaO+H2O→Ca(OH)2),進而降低建筑物質(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個百分點,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 試驗結果

本試驗系統(tǒng)下,當鍋爐鈣硫摩爾比為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*大能達到25.2%,時均脫硫效率*大能達到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?

試驗結果表明,煤灰增濕脫硫反應很迅速,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 結論

(1)煤灰增濕活化脫硫工藝旨在利用爐內(nèi)未反應的脫硫劑進行脫硫,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工藝適用于燃用劣質(zhì)煤的CFB鍋爐,工藝系統(tǒng)簡單靈活?初投資及運行費用低?能耗低?占地面積小?無二次污染產(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)流化床鍋爐的強化脫硫提供了一種節(jié)能?高效的探索途徑?