中小型循环流化床锅炉SO2超低排放技术研究及应用

洪方明

(福建省福能龙安热电有限公司，福建 福鼎 355208)

0 引言

循环流化床锅炉(CFB锅炉)[1-2]作为20世纪70年代发展起来的一种新型高效低污染的洁净煤燃烧技术，以独特的流态化、物流循环燃烧实现高效燃烧劣质燃料和良好煤种适应性，利用炉内添加廉价的石灰石实现低成本高效脱硫，通过低温燃烧、多级送风从根源上降低氮氧化物生成和排放。然而，随着《火电厂大气污染物排放标准要求》(GB 13223—2011)[3]和《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)[4]的陆续实施，国家对锅炉大气污染物排放要求越来越严，部分CFB锅炉仅靠炉内添加石灰石脱硫很难达标排放；尤其2014年国家发展改革委、环境保护部、国家能源局印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》[5]和2015年环境保护部、国家发展改革委、国家能源局印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》[6]，使CFB锅炉必须增加炉外深度脱硫设施才能满足SO2超低排放限值35 mg/m3(标态，干基，基准氧含量为6%，下同)。

在新的环保要求下，如何选择适合的深度脱硫技术以实现SO2超净排放，充分发挥CFB锅炉炉内添加石灰石脱硫(CFB-CDF)成本低的优势，成为众多学者和工程技术人员研究的重点。孙献斌等[7]按照煤折算硫分和挥发分的高低，分别提出CFB锅炉深度脱硫技术方案；曾庭华等[8]通过300 MW CFB锅炉工程实例表明石灰石-石膏湿法烟气脱硫(W-FGD)可达到比CFB-CDF更高的效率，且燃料适用性广；辛胜伟[9]比较分析了W-FGD和烟气循环流化床干法脱硫(CFB-FGD)的优缺点，得出炉内CFB-CDF+炉外CFB-FGD组合方式对锅炉效率的影响、两级脱硫的最佳分配比例以及成本关系；张磊等[10]针对CFB锅炉采用CFB-CDF+CFB-FGD和CFB-CDF+W-FGD两级脱硫组合方式，结合工程实例建立炉内外脱硫容量分配优化模型，对不同煤种得到最优的炉内外脱硫比例；张国华等[11]针对燃用不同煤种超临界CFB锅炉提出配备CFB-CDF+W-FGD的SO2超低排放路线；吴剑恒等[12-15]比较分析W-FGD，CFB-FGD，LIFAC(炉内添加石灰石-尾部加湿活化法)等3种脱硫方式的优缺点，并介绍“三炉一塔”W-FGD的设计要点和运行效果。但是，以上研究大部分是针对大型CFB锅炉的，对小型CFB锅炉SO2超低排放的技术路线研究较少。本文针对150 t/h CFB锅炉SO2达到35 mg/m3超低排放要求，比较分析CFB-CDF，CFB-FGD，W-FGD以及它们两级组合的优缺点，并介绍CFB-CDF+W-FGD的工程实践情况和应用效果。

1 CFB锅炉常用脱硫方式比较分析

1.1 CFB锅炉脱硫方式的选择原则

在满足SO2达标排放并留有适度裕量的基础上，CFB锅炉脱硫方式的选择原则是运行稳定可靠、脱硫率高、初投资较小、运行成本低。选择时应综合考虑生产现场布置的难度，燃用煤种及其含硫量变化对脱硫效率的影响，脱硫耗材易取、价低，脱硫副产品可全部综合利用等因素，确保在各种锅炉工况下均能满足安全性最好、经济性最佳和污染物排放达标的要求。

1.2 CFB锅炉脱硫方式比较分析

根据上述选择原则，参考国内CFB锅炉脱硫运行成功经验和超低排放改造情况，实地调研浙江省、江苏省、福建省等区域的部分中小型热电厂CFB锅炉脱硫方式的实际使用情况，归纳认为中小型热电厂CFB锅炉可选用的脱硫方式主要有炉内添加石灰石脱硫(CFB-CDF)、烟气循环流化床干法脱硫(CFB-FGD)、石灰石-石膏湿法脱硫(W-FGD)以及上述方法的两级组合方式[7-26]，其优缺点比较分析见表1。

表1 几种CFB锅炉主要脱硫方式比较分析表

Tab.1 Comparison and analysis table of main desulfurization methods for CFB boilers

项目名称CFB-CDFCFB-FGDW-FGDCFB-CDF+CFB-FGDCFB-CDF+W-FGD技术成熟度非常成熟很成熟非常成熟成熟成熟应用广泛性非常广泛很广泛非常广泛较广泛较广泛系统复杂性设备较少,系统简单设备较少,系统较简单设备较多,系统较复杂设备较多,系统较复杂设备多,系统复杂占地面积较小小大中较大初投资小较小大较大大适应煤种含硫量较差。适用于低硫煤,受床温等因素影响大较好。适用于低硫煤优良。不受煤种含硫量限制较好。适用于中低硫煤优良。不受煤种含硫量限制脱硫效率理论90%98%99.8%99.5%99.9%实际运行60%～85%80%～95%≥99.5%≥98.5%≥99.5%脱硫耗材种类石灰石(CaCO3)消石灰(Ca(OH)2)或生石灰(CaO)CaCO3CaCO3+Ca(OH)2或CaOCaCO3易取性资源丰富,易得由CaCO3加工生成,不易得资源丰富,易得CaCO3易得,CaO或Ca(OH)2不易得资源丰富,易得价格低廉高低廉总体较高低廉颗粒特性较粗较细很细CFB-CDF:较粗CFB-FGD:较细CFB-CDF:较粗W-FGD:很细利用率低较高非常高CFB-CDF:低CFB-FGD:较高CFB-CDF:低W-FGD:很高运行特点及经济性Ca/S1.5～3.01.5～2.51.01～1.08有最佳的炉内外脱硫比例,使成本最低有最佳的炉内外脱硫比例,使成本最低增加阻力小大较大大较大耗电量小中较大较大较大耗水量无中大中大对锅炉受热面腐蚀的影响可降低SO3浓度和烟气露点,有效减缓受热面高、低温腐蚀基本无影响基本无影响有效减缓受热面高温腐蚀和低温腐蚀有效减缓受热面高温腐蚀和低温腐蚀对引风机运行的影响无影响湿灰易粘在风机叶轮上造成振动无影响湿灰易粘在风机叶轮上造成振动无影响对锅炉运行效率的影响CaCO3吸热分解和放热吸收SO2,略降低锅炉效率无影响无影响略微降低锅炉效率,小于CFB-CDF略微降低锅炉效率,小于CFB-CDF对烟尘排放浓度的影响增加除尘器入口烟尘浓度,除尘效率基本不变,略微增大烟尘排放浓度含Ca(OH)2烟尘循环利用,喷水降低了烟尘比电阻,略微增大烟尘排放浓度浆液洗涤,具有30%～50%除尘效率,有含水石膏排出,总体降低烟尘排放浓度增加除尘器入口烟尘浓度,增大烟尘排放浓度总体为降低烟尘排放对烟囱防腐要求很低低高低高运行成本低很高较高高。CFB-CDF生成但未完全反应的CaO,在CFB-FGD中继续反应较高

续表1

1.3 CFB锅炉深度脱硫方式的选择

综上所述，CFB锅炉仅靠炉内添加石灰石脱硫(CFB-CDF)或烟气循环流化床干法脱硫(CFB-FGD)很难长期维持SO2排放浓度小于35mg/m3的超低排放标准要求[3]，尤其在燃煤含硫量发生较大变化的情况下难以实现SO2达标排放。借鉴国内CFB锅炉脱硫建设和运行经验，分析认为CFB-FGD运行不如W-FGD稳定，原材料消石灰(Ca(OH)2)或生石灰(CaO)的价格偏高、运行成本也高，且存在脱硫塔“塌床”的安全隐患[27]，大多用于现役CFB锅炉脱硫改造；采用石灰石-石膏湿法脱硫(W-FGD)可保证SO2达标排放，适用于新建CFB锅炉。

综合考虑燃煤含硫量波动、W-FGD浆液循环泵检修以及投入低低温省煤器后排烟温度较低的情况，新建的3台150t/hCFB锅炉采用CFB-CDF+W-FGD的两级组合脱硫方式。

2 CFB-CDF+W-FGD设计及运行情况

2.1 设计参数

3台150t/hCFB锅炉设计煤种为神华烟煤，校核煤种为晋北烟煤，煤质分析见表2；石灰石粒径不大于0.044mm，90%通过325目，石灰石成分分析如表3所示。考虑到煤种变化和煤含硫量波动，为保证SO2排放浓度稳定达到35mg/m3限值要求，按照正常情况下不投运CFB-CDF进行W-FGD设计，此时烟气参数见表4，W-FGD设计参数见表5。

表2 煤质分析表

表3 石灰石成分分析表

表4 不投运CFB-CDF时的烟气参数(标态，湿基，实际氧α=1.363)

表5 石灰石-石膏湿法脱硫(W-FGD)设计参数

2.2 建设情况

CFB-CDF采用常规设计，与W-FGD共用石灰石储罐，见图1。CFB-CDF利用罗茨风机加压，通过炉膛前墙下部的两个石灰石入口，将粉状石灰石输入燃烧室，与SO2反应。W-FGD采用“一炉一塔”设计方案，FGD塔型为喷淋塔，不设烟气-烟气换热器(GGH)，不设置脱硫增压风机。

3台150 t/h CFB锅炉脱硫系统于2017年7月20日通过72 h+24 h试运行，2018年4月17日通过环保验收。自投运以来，环保设施高效稳定运行，各项污染物排放浓度保持较低水平，全厂实现脱硫设备设施100%投运。

2.3 CFB-CDF+W-FGD运行效果

经过两年多的运行实践，CFB-CDF+W-FGD总体运行效果稳定，其中CFB-CDF的脱硫效率在50%～60%，有效降低烟气露点，减缓低低温省煤器的腐蚀；W-FGD的脱硫效率为96.5%～99.1%，在满足SO2达标排放且排放浓度小于20 mg/m3的情况下，没有追求W-FGD脱硫效率达到98%的设计要求。在不同锅炉负荷工况、不同煤炭含硫量情况下均能满足SO2达标超低排放(见表6、表7和图2、图3)，综合脱硫效率大于99%，为中小型CFB锅炉深度脱硫树立标杆。

表6 不同锅炉负荷下的脱硫装置运行参数

Tab.6 Operating parameters of desulfurization device under different boiler loads

锅炉负荷/t·h-1煤炭含硫量/%理论生成SO2浓度/mg·m-3W-FGD入口烟气SO2浓度/mg·m-3SO2排放浓度/mg·m-3CFB-CDF脱硫效率/%W-FGD脱硫效率/%综合脱硫效率/%750.49956.48440.257.3853.9798.2999.230.531034.56492.2816.0152.4296.5698.450.811581.12788.587.9250.1398.8999.500.851659.2766.5513.2353.8098.2399.200.831620.16734.126.8554.6999.0699.581150.621210.24531.267.9156.1098.5599.350.551073.6501.5611.1153.2897.7098.970.48936.96426.8912.7954.4496.9798.630.39761.28334.2512.2956.0996.4198.390.771503.04687.3616.7254.2797.5398.891500.861678.72756.588.4854.9398.8899.490.721405.44632.1514.8255.0297.6698.950.681327.36588.358.5555.6898.5799.360.571112.64512.268.0753.9698.3999.270.621210.24566.6213.4553.1897.5398.89

表7 有资质的第三方监测结果

3 结论和建议

(1)为满足SO2排放浓度小于35 mg/m3的超低排放限值要求，CFB锅炉仅靠炉内添加石灰石脱硫(CFB-CDF)或烟气循环流化床干法脱硫(CFB-FGD)难以实现。结合国内CFB锅炉脱硫运行成功经验和超低排放改造实践，按照“运行稳定可靠、脱硫率高、初投资省、运行成本低”的原则对CFB-CDF，CFB-FGD，W-FGD(石灰石-石膏湿法脱硫)，以及这些方法的两级脱硫组合方式进行比较分析。为满足SO2达标排放并留有适度裕量，建议现有小中型CFB锅炉改造采用CFB-CDF+CFB-FGD组合脱硫方式，新建CFB锅炉采用CFB-CDF+W-FGD组合脱硫方式。

(2)3台150 t/h CFB锅炉两年多的运行实践证明，CFB-CDF+W-FGD深度脱硫设施高效稳定运行，达到了预期的效果，有效减缓低低温省煤器的低温腐蚀，综合脱硫率大于99%，SO2排放浓度小于30 mg/m3，为中小型CFB锅炉深度脱硫树立标杆。