脱硫用石灰石脱硫性能实验研究

刘学冰 牛宪峰

(山东华聚能源股份有限公司,山东省邹城市,273500)

脱硫用石灰石脱硫性能实验研究

刘学冰 牛宪峰

(山东华聚能源股份有限公司,山东省邹城市,273500)

针对循环流化床锅炉石灰石炉内脱硫效果不稳定、石灰石利用率低等问题,对兖州矿区范围内石灰石资源进行调研,并进行采样分析研究。通过实验室化学分析、实验台实验及电厂工业实际应用研究,确定了各产地石灰石的炉内脱硫品质,取得了良好的应用效果。

循环流化床锅炉 石灰石 脱硫性能 实验研究 兖州矿区

1 石灰石产地调研及采样分析

兖州矿区循环流化床锅炉多采取石灰石炉内脱硫,目前国内外对于石灰石脱硫品质无统一的判别标准;单纯以化学方法分析CaO含量,不能客观反映其脱硫能力,使得各电厂石灰石用量较大,脱硫效果不稳定,由此而引发各种能量消耗增加,排放的灰渣总量增加,受热面磨损增大,脱硫成本提高。

兖州矿区石灰石资源较丰富,分布较分散,为进一步做好炉内脱硫工作,山东华聚能源股份有限公司与山东大学联合组成“循环流化床锅炉脱硫用石灰石品质研究及应用”课题组,先后对兖州矿区范围内郭里旺山、看庄东白山、邹城盘龙山、曲阜土旺山等石灰石产地进行调研,并对可用于电厂循环流化床锅炉炉内脱硫的12座采石场进行采样,样品送至山东大学能源与动力工程学院热工试验室,进行化学分析、脱硫能力测试、热态实验台实验。根据固硫能力进行优选,以提高脱硫效率,提高石灰石利用率,降低脱硫成本,实现节能减排目标。

2 石灰石化学成分分析

山东大学能源与动力工程学院热工试验室按照GB/T 5762-2000《建材用石灰石化学分析方法》,对12个石灰石样品进行了化学成分分析,结果见表1。

表1 石灰石样品化学成分分析%

3 石灰石固硫特性的热重研究

3.1 实验装置

热重实验装置为瑞士Mettler-Toledo公司的TGA/SDTA851e热分析系统。系统工作原理见图1。反应气气体体积组分SO2为0.15%,O2为5%,CO2为16%,N2为78.85%,保护气为高纯N2。分别将每种样品10 mg放入热重分析仪的坩埚中,首先通入保护气,并以40℃/min的升温速率升温至固硫所需温度,待热解结束后保持5 min,然后通入反应气,气体流量为80 ml/min,并在此条件下保持3 h,记录热重曲线。

图1 热分析仪系统原理图

3.2 石灰石的钙利用率

本实验参照JB/T 8983-1999石灰石可固硫指数的测定方法进行。石灰石的钙利用率用下式计算:

式中:η——石灰石的钙利用率,%;

α——石灰石样品中氧化钙的含量,%;

G0——石灰石原始重量,g;

G1——石灰石煅烧后重量,g;

G2——石灰石脱硫反应后重量,g。

12种石灰石样品在炉温850℃、900℃和950℃下的钙利用率分别见图2、图3和图4,分析得出3种温度下,石灰石的最大钙利用率有如下排序。

由排序可以看出,2#、3#、4#、6#石灰石在3种温度下都保持较高的最大钙利用率,而9#、10#、11#、12#石灰石在3种温度下的最大钙利用率与其他石灰石相比较差,7#石灰石高温条件下性能明显变好。

图2 850℃下各样品的钙利用率随时间变化曲线

4 石灰石固硫特性的流化床实验研究

为了模拟实际流化床的反应条件,本课题研究制作了一种新型流化床热态实验台,如图5所示。

图5 流化床反应器系统示意图

实验方法:分别称量各种样品石灰石1 g和石英砂3 g,混合均匀。调节温控装置,使反应器升温达到实验所需温度,将混合后的石灰石加入到石英反应管内。调节气体流量计,以保证石灰石在石英反应管内呈流化状态进行煅烧和固硫。通过对所吸收的二氧化硫浓度曲线进行积分,可得到石灰石的钙利用率:

式中:MCaO——CaO的摩尔质量,g/mol;

n——总摩尔流速,mol/min;

m——石灰石初始质量,g;

f——石灰石中CaO的百分数,%;

Ptot——混合气体总压力,Pa;

Pi,Po——分别为二氧化硫入口和出口分压,Pa。

比较850℃、900℃和950℃温度下石灰石的钙转化率,可以得出石灰石的最大钙利用率有如下排序。

由排序可以看出,1#和4#石灰石950℃时钙利用率最高,3#和8#石灰石在900℃和950℃时钙利用率相当,均比较高,其他石灰石均在900℃时脱硫效率最高,因此可以认为,对兖矿地区的小颗粒石灰石,在900℃左右的流化床中钙转化率最高。

5 循环流化床锅炉石灰石脱硫工业性试验研究

为验证实验室研究结果,本项目挑选3#、4#、5#、6#、8#样品的5种石灰石在山东华聚能源公司南屯矿电厂3台循环流化床锅炉进行了石灰石脱硫工业试验研究。

石灰石粒度为0～2 mm,实验炉温度为880℃、900℃、920℃、950℃和970℃。采取3台锅炉分别按钙硫比为2、2.5和3进行试验,每台锅炉床温单独调整至上述实验温度,维持床温和负荷基本稳定后进行试验。

钙硫比为2和3的5种石灰石的脱硫效率与温度的关系分别如图6和图7所示。

(1)由图6可以看出,在Ca/S=2时,达到90%以上脱硫效率的工况,3#石灰石脱硫温度小于950℃;4#石灰石脱硫温度880℃;8#石灰石脱硫温度小于920℃。因此,对上述3种石灰石,可使钙硫比小于2,按上述要求控制炉膛温度,即可达到足够高的脱硫效率。

达到85%以上脱硫效率的工况为,3#和8#石灰石脱硫温度小于950℃;5#和6#石灰石脱硫温度小于920℃;4#石灰石脱硫温度小于900℃。

(2)由图7可以看出,在Ca/S=3时,达到90%以上脱硫效率的工况,3#石灰石脱硫温度小于920℃;4#、5#、6#和8#石灰石脱硫温度小于900℃。

5种石灰石在920℃以下,脱硫效率均可达到85%以上。

6 结论

(1)建立了兖州矿区石灰石脱硫特性数据库,对石灰石进行了分类。其中,3#、4#和8#石灰石在特定的温度,都可取得90%以上的脱硫效率,这3种石灰石推荐采用钙硫比为2,并按上述要求控制炉膛温度;5#和6#石灰石,在满足一定的工况下,可以达到85%以上的脱硫效率。其他品种石灰石由于脱硫效率偏低,或使用范围偏小,本项目不推荐作为循环流化床锅炉燃烧脱硫剂使用。

(2)循环流化床锅炉炉内喷钙脱硫效果与石灰石脱硫剂中钙含量有关系,采用GB/T 5762-200建材用石灰石化学分析方法化验石灰石中CaO含量,不能反映石灰石的脱硫品质;不同的石灰石脱硫品质不同,达到最好脱硫效果需要的温度等条件也不同。

(3)华聚能源公司利用本研究成果,选择脱硫效果最好的石灰石,确定最佳的脱硫运行工况条件,在6家电厂应用,效果显著,2009年石灰石用量5.28万t,比2008年的6.10万t节约石灰石用量0.82万t,二氧化硫减排715t,石灰石用量的减少,相应减少了CO2的排放和脱硫副产品固体废弃物的排放,同时减少了运输造成的能源消耗和环境污染,有利于可持续发展,可推广应用到兖州矿区使用炉内喷钙技术的其它电厂。

An experimental study on the desulfering ability of the limestones for desulfurization process in circulating fluidized bed boiler in Yanzhou mine area

Liu Xuebing,Niu Xianfeng

(Shandong Huaju Energy Co.,Ltd,Zoucheng,Shandong province 273500,China)

This paper presents the investigation and study on the desulfurization performances of the lime stones produced in Yanzhou mine area.This study is focused on the unstable desulfurization ability and lower utilization rate of the local limestones during the desulfuring process in circulating fluidized bed boilers.With the help of laboratory chemical analysis,bench test and practical application research in power plants,data about desulfurization ability of limestones from different regions are determined,which help realize in improved results.

circulating fluidized bed boiler,limestone,desulfurization performance,experimental study,Yanzhou coal mine area

TQ534.9

B

刘学冰(1964-),男,1988年7月毕业于山东工业大学,获学士学位;2003年12月中国矿业大学研究生毕业,获工程硕士学位;高级工程师,华聚能源公司副总工程师,主要从事循环流化床锅炉燃烧、脱硫、水处理、环保节能等领域的研究,已发表论文21篇。

(责任编辑 张毅玲)