循环流化床锅炉脱硫系统运行现状分析及优化途径

孙维忠

（内蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017320）

循环流化床锅炉是由传统的综合沸腾床锅炉进一步改进而来，结合了化工行业的流化床工艺特点，使得现行流化床兼具多种优点，诸如更高的燃料利用效率、更低的污染废气排放量以及更加良好的泛用性。以上种种优势令循环流化床锅炉在我国的工业发电体系中享有较高的使用率。而在它的诸多优点中，可以在炉内进行脱硫这一项让它成为现行治污标准下的宠儿。但仅依靠炉内脱硫不仅难以实现超低排放，而且残余的氧化钙会催化氮氧化物的生成，与此同时灰渣中未反应的氧化钙会在加水过程发生放热反应，灰渣喷溅，造成环境污染和运输困难。因此，目前较为常见的脱硫方式是炉内喷钙加炉外脱硫进行两级脱硫。本文以内蒙古中煤蒙大新能源化工有限3×300t/h 高温高压循环流化床锅炉超低排放改造为例，对脱硫系统存在的问题进行优化改造。

1 二氧化硫的危害

二氧化硫是燃料中可燃硫元素燃烧生成的污染性气体。二氧化硫可以通过人体的呼吸系统进入人体内，增加呼吸器官的负担，导致或加重人体呼吸系统的疾病。当二氧化硫气体进入大气中与其他的污染性气体混合时，会对人体乃至动植物造成极大的损害。不仅如此，大量的二氧化硫排放到空气中时还易产生酸雨等恶劣的天气现象，造成不可估量的损失。

2 循环流化床锅炉

循环流化床锅炉主要包括炉膛、气固分离器、固体燃料再循环装置、尾部的对流烟道、过热器、再热器、省煤器和空气预热器等主要设备。除锅炉本体外，循环流化床锅炉还包括一些辅助运行的设备，如风机、水泵、炉灰炉渣收集处理装置、石灰石装置和燃料输送装置等。

循环流化床是指将煤炭粉碎成为8～10mm 的颗粒送入炉膛，炉膛内的大量床料在一次风的作用下呈“流化态”燃烧，通过安装在炉膛出口处的气固分离器对燃料煤炭进行分离处理，使未燃尽的煤炭颗粒重新返回炉膛中进行燃烧。如此反复进行循环，可以最大程度上保证煤炭的充分燃烧，降低固体燃烧热损失。

循环流化床锅炉设备的优点众多，燃料适应性广，燃烧效率高，燃烧排放污染量低，脱硫效率高，易于灰渣综合利用等。

3 循环流化床锅炉炉内脱硫改造

循环流化床锅炉的炉内脱硫方式多数都采用炉内喷钙的方式进行脱硫，利用气力输送的方式将粒径小于1mm 的石灰石粉送进炉内进行煅烧，石灰石煅烧后，生成氧化钙，氧化钙和烟气中的二氧化硫反应生成硫酸钙和亚硫酸钙，在钙硫摩尔比达到2.5时，炉内脱硫效率大于85 %。

3.1 炉内脱硫存在问题

1）炉内石灰石至炉膛四路分配管线，弯头处以及炉膛入口的四个支路管线经常性堵灰，由于脱硫区石灰石投料不均导致硫指标超标，而且严重影响清堵工作时则需要停止石灰石投入进行检修工作。

2）系统给料量只能根据输送压力大致判断，无法确认具体投入量，石灰石反应滞后。如果投入石灰石量较大，容易造成药剂浪费，严重时堵管；如果投入量少，容易造成二氧化硫排放超标。而且石灰石投入量波动大对氮氧化物生成量影响也较大。

3）石灰石输送系统没有备用系统，一旦系统故障停运，就会造成排放超标。

3.2 改造途径

（1）增加一套石灰石储运系统：1座320m3石灰石粉仓、2台给料机及相应管线，实现1台锅炉配置1套石灰石储运系统，给料机一开一备。彻底解决炉内喷钙系统无备用的问题，可以实现指标连续稳定排放。

（2）在石灰石入炉管线的弯头前增加吹堵风，有效解决石灰石在炉前堵管的问题。

（3）炉外脱硫正常投用后，二氧化硫自动控制，石灰石定量投入，减少操作幅度和频次，减少堵管风险和物料浪费。

3.3 改造后效果

改造完成后，炉前堵管风险基本消除，炉后脱硫自动控制投入后，炉内石灰石使用量相对平稳，物料浪费情况得以解决。特别是备用系统的增加，彻底解决此前检维修过程造成指标超标的问题，给设备维护、检维修更加充足的时间，消除设备带病运行的隐患。

4 循环流化床锅炉炉外脱硫改造

迄今为止，国内外已开发出百余种烟气脱硫技术，其中大中型火电机组中烟气脱硫工艺以石灰石-石膏湿法为主，另外还有少量的电厂采用氨法脱硫和循环流化床干法脱硫。

采用湿法脱硫的优点是可以降低脱硫剂的消耗量，但投资较大，运行维护费用较高。湿法脱硫工艺产物为脱硫石膏，是新的污染物，需进行处理。而且我公司在改造过程中需三台锅炉停炉连接烟道系统，影响化工系统的运行。

采用半干法脱硫工艺，投资较小，流程简单、占地少、副产品可以综合利用，而且能在很低的钙硫比（Ca/S ＝1.1～1.3）情况下达到较高的脱硫效率，可达到90%以上。与我公司原系统相比，不增加新的副产品，三台锅炉采用逐台实施方案，不影响化工运行。

因此，我公司仍采用半干法炉外脱硫的改造方式。

4.1 半干法脱硫系统组成

循环干法工艺系统主要由烟气系统、石灰消化贮存输送系统、脱硫灰循环系统、喷水增湿系统、流化风系统、脱硫渣输送系统以及仪表控制系统等组成。

4.2 半干法脱硫原理

原烟气从底部进入吸收塔，烟通过吸收塔底部的文丘里管的加速，进入循环流化床体，物料在循环流化床里，气固两相由于气流的作用，产生激烈的湍动与混合，充分接触，在上升的过程中，不断形成团聚物向下返回，而团聚物在激烈湍动中又不断解体重新被气流提升，使得气固间的滑移速度高达单颗粒滑移速度的数十倍。这样的循环流化床内气固两相流机制，极大地强化了气固间的传质与传热，为实现高脱硫率提供了保证。

在文丘里的出口扩管段设一套喷水装置，喷入雾化水以降低脱硫反应器内的烟温，使烟温降至高于烟气露点20℃左右，从而使得SO2与Ca（OH）2的反应转化为可以瞬间完成的离子型反应。吸收剂、循环脱硫灰在文丘里段以上的塔内进行第二步的充分反应，生成副产物CaSO3·1/2H2O，还与SO3、HF 和HCl 反应生成相应的副产物CaSO4·1/2H2O、CaF2、CaCl2·Ca（OH）2·2H2O 等。

烟气在上升过程中，颗粒一部分随烟气被带出吸收塔，一部分因自重重新回流到循环流化床内，进一步增加了流化床的床层颗粒浓度且延长了吸收剂的反应时间，从而有效地保证了脱硫效率。

4.3 原半干法脱硫系统存在的问题

4.3.1 烟气流速问题

我公司原脱硫塔塔径6.5m，即使锅炉满负荷运行，140℃工况烟气计算为520 000m3/h，烟气流速仅为4.35m/s，以锅炉实际运行负荷60%左右的情况，烟气流速远低于5m/s，气固接触反应的激烈程度不能满足高脱硫效率工艺要求，且脱硫塔床压远远低于800～1 200Pa，塔内物料浓度不足致使喷水后灰吸潮结块严重，运行控制难度大，脱硫效率低。

4.3.2 返料问题

（1）由布袋除尘器两个灰斗各接一路径返料斜槽后分别接入文丘里喷嘴内，实际运行发现各文丘里喷嘴流量不均匀且差值较大。

（2）返料斜槽结构不合理，无法顺畅返料。

（3）吸收塔下部落灰严重，现场漏粉严重。

4.4 半干法脱硫系统优化改造途径

（1）新建3台脱硫塔，塔径5.52m，塔高38m，流速5.5m，停留时间6s。锅炉额定负荷烟气量时流速达到6m/s。当锅炉60%负荷运行时，采用烟气循环确保流速在5m/s 以上。塔内喷枪采用单个高压雾化喷枪，喷嘴引进国外技术产品，喷头材料为316L，既耐腐蚀，又耐磨蚀，喷枪喷射压力控制在3.5MPa左右，保证雾滴粒径＜200μm，喷枪由原来的四支改为一支。

（2）采用七支文丘里排列结构。

（3）在塔底设置双轴螺旋清灰装置。

（4）更换新的空气斜槽返料系统设备。

（5）脱硫剂制备改造

增加一套生石灰消化系统，含1座300m3的生石灰仓，实现与现有消化系统互为备用。

（6）增加烟气循环系统，增加烟气再循环管道，烟气量按照35%考虑，确保锅炉负荷在60%时，脱硫塔仍能高效运行。

4.5 改造后运行情况

脱硫塔改造后，锅炉负荷在160t/h 时，将烟气再循环挡板开30%左右，湿烟气流量可维持在350 000～400 000m3/h，脱硫塔床压达到2 000～2 200Pa。脱硫塔出口温度控制在75～79℃时，二氧化硫含量可以从1 500mg/m3降低至0.7mg/m3，远远低于35mg/m3的标准。此外，脱硫塔底排灰机启动后也无积灰排出，偶尔会放出少量灰块，而且运行稳定，原脱硫塔运行过程存在的问题全部得以解决。

炉外脱硫的正式投用，炉内喷改量大幅下降，目前测算石灰石使用量下降50%以上，钙硫摩尔比不大于1.6，并且解决了石灰石催化氮氧化物和湿灰、湿渣困难的问题。

5 结语

在严峻的环保压力和经济运行形势下，各生产企业存在烟气脱硫任务重、运行成本高等问题。半干法脱硫具有投资较小、流程简单、占地少、副产品可以综合利用等优势，但如果工艺和设备选择不合理，会在运行中出现诸如脱硫效率低，操作控制难度大以及漏灰严重等问题。因此，在新建或改造半干法脱硫系统时，必须要进行详细的前期计算和设计，选择适合的脱硫塔和工艺路线，不仅可以达标排放，也可降低运行成本。