全煤泥循环流化床锅炉炉内脱硫技术研究

2020-09-11杨晓辉

煤炭加工与综合利用 2020年8期

杨晓辉

(1.兖矿集团洁净煤技术工程研究中心，山东济宁 273599；2.兖矿科技有限公司，山东济南 250100)

纯煤泥燃烧的循环流化床锅炉多采用异重流化床结团燃烧不排渣运行的煤水混合物流化床燃烧技术，即由密度差异较大的不同颗粒组成的流化床系统，密度大的颗粒趋向于在床层下部分布，而密度小的颗粒趋向于在床层上部分布，以防止大块凝聚团在流化床内沉积。其工作方式为：煤泥经输送系统进入炉膛内并呈团块状下落，煤泥团表面水分先蒸发，外表形成硬壳；在进一步下落过程中煤泥团中的水分气化，煤泥发生热爆形成更小的泥团；然后再次结壳，热爆；当煤泥团下落到底部时，煤泥团全部爆裂消失，在炉内燃烧[1]。煤泥结团和爆裂特性是煤泥循环流化床正常燃烧的基础，池涌等[2]、曾庭华等[3]、黄国权等[4]、Omar 等[5]均利用不同方式在小型流化床试验台上对煤泥的燃烧过程进行了研究，A.M.Grishin等[6]、尹炜迪等[7]还分别构建了煤泥团燃烧过程的数学计算模型。但目前多侧重于煤泥团个体燃烧特性研究，较少涉及连续给料工况下煤泥团对工业规模循环流化床锅炉污染物排放特性的影响。兖矿科技有限公司在中试试验、工业试验的基础上，重点研究了全煤泥循环流化床锅炉SO2排放特性的不稳定性、脱硫特性，对现有全煤泥循环流化床燃烧、脱硫理论进行了补充、完善。

本研究在前人丰硕研究成果的基础上，以兖矿集团某公司全煤泥循环流化床锅炉为例，重点研究了全煤泥循环流化床锅炉SO2排放的不稳定性、脱硫特性，对现有全煤泥循环流化床脱硫理论进行了补充、完善，提出降低企业脱硫运行成本等技术建议。

1 煤泥燃烧SO2排放特性

由于自固硫作用，燃煤中的硫在循环流化床运行温度内不能完全析出。为测定某电厂煤泥中硫在不同温度下的析出量，在实验室条件下，采用煤炭全硫分测定方法测量煤泥在不同温度下硫的析出量，其值与硫含量的百分比值为硫析出所占份额。结果如图1所示。

图1 不同温度下煤泥中硫的析出量

由图1可知，在400 ℃时，燃料中的硫就大量析出。随燃烧温度升高，煤灰中碱金属与碱土金属类矿物质开始表现出对SO2析出的抑制作用[8]，硫的析出量减小。温度升高到900 ℃以上时，硫的析出重新占主要作用，析出量增大，从而最终表现形式为800 ℃时硫的析出量最小。由于低温时参与硫析出的燃料量较小，故低温时硫的析出不是决定SO2排放浓度的主要因素，即在循环流化床运行温度范围内，硫的析出量变化幅度较小。

在维持循环流化床锅炉操作条件稳定的前提下，现场测量分离器后部锅炉烟气成分，结合测量期间锅炉DSC运行数据，可获得SO2排放浓度与运行参数的关系，结果见图2至图4。

图2 炉膛温度变化对SO2排放浓度变化的影响趋势

图2为炉膛温度变化对SO2排放浓度变化的影响趋势。由图2可知，SO2排放浓度在600～900 kg/m3范围内波动。炉膛内温度变化与SO2排放浓度变化并未表现出明显的相关性，只是在个别时间段SO2排放浓度与炉膛中部温度、出口温度的变化趋势相同，特别是时间500 s附近，SO2排放浓度与炉膛中部温度表现出高度相似性。500 s附近SO2排放浓度变化趋势说明煤泥燃烧特性对硫析出的影响，热爆导致燃烧表面积增加，使得SO2排放浓度瞬时增大；个别时间段SO2排放浓度与炉膛上部温度变化趋势相同，则显示了小块煤泥团燃烧对SO2排放浓度的重要影响，说明有一部分SO2是在炉膛上部释放形成的，其值大小取决于小块煤泥团所占份额的多少。

图3 CO、SO2排放浓度随燃烧时间的变化趋势

图3中500 s附近SO2、CO浓度变化进一步说明热爆使燃烧煤泥量增加对SO2总生成量的影响，1 800 s附近的浓度变化则显示煤泥团可燃表面积增加导致局部缺氧，使SO2生成量下降，但随煤泥团充分燃烧，SO2排放浓度开始上扬。

图4 一、二次风量与SO2排放浓度随燃烧时间的变化趋势

图4所示为一、二次风量与SO2排放浓度随燃烧时间的变化趋势，由图可以看出，一次风量与SO2排放浓度没有明显关系，但二次风量在个别时间段与SO2排放浓度变化表现出一致性，这是由于二次风的搅动作用对燃烧的促进作用增大了煤泥中硫的析出量，说明总体上煤泥燃烧仍表现出煤的燃烧特性。即SO2排放浓度的变化是由煤泥燃烧量的变化导致的，造成煤泥燃烧量变化的主要原因则来自于煤泥热爆，这一点在图3中表现的更为明显。

因此，由于热爆形成的煤泥团粒度不可控，从而使得SO2排放浓度表现出了较大波动性，但煤泥团瞬时累积燃烧对SO2排放浓度的影响并未得到充分体现，这与煤泥为单点给料且煤泥团粒径相对较小有关。

2 石灰石有效存有量

在该锅炉进行炉内脱硫试验。通过对比石灰石、飞灰、循环灰的粒度分析结果(表1)可知，加入的石灰石中有30%在飞灰粒度d(90)范围内。炉内脱硫试验结果如图5、图6所示。

表1 物料粒度分布

图5所示为该电厂全煤泥循环流化床锅炉与常规循环流化床锅炉炉内脱硫工业试验[9-11]的钙/硫比与脱硫率关系对比。

图5 钙/硫比与脱硫率关系对比

由图5可以看出，与常规循环流化床锅炉相比，全煤泥循环流化床锅炉的脱硫率随钙/硫比的变化趋势完全不同。对于常规循环流化床锅炉，脱硫率随钙/硫比的增大而迅速提高，当钙/硫比高于一定值时，脱硫率的提高幅度趋缓，而本试验中脱硫率随钙/硫比的增加呈现明显的先升后降趋势：在钙/硫比为1.85时脱硫率最高，为86.4%，此时的SO2排放浓度值为163 mg/m3；钙/硫比小于或大于1.85，脱硫率均减小，当钙/硫比为1.24时脱硫效率为52.8%，SO2排放浓度为566 mg/m3；钙/硫比为3.09时脱硫率为56.5%，SO2排放浓度为522 mg/m3。

图6 不同钙硫比条件下风室压力变化

由图6可知，加入的石灰石中有30%在飞灰粒度d(90)范围内，即有30%的石灰石随飞灰排出炉外，剩余的70%石灰石被分离器捕集参与炉内灰循环，使得循环灰量增加，床层质量提高，导致床层压力升高。为了维持床层压力恒定，需进行排渣操作。由图6可以看出，随钙/硫比的增大，风室压力的阶跃幅度增大，说明排渣频率、排渣量随钙/硫比的增大而增加。现场试验过程显示，当钙/硫比小于1.85时，运行方式与原来相同，几乎为不排渣运行，大于1.85后，排渣量上升明显。显然，排渣量的变化必然引起床料量的变化，从而导致炉内石灰石量的变化。

与全煤泥循环流化床锅炉相似：常规循环流化床锅炉的脱硫率与Ca/S的数学关系式[12]也存在最佳Ca/S比。与文献[11]相比，在达到最佳Ca/S比后，本次炉内脱硫工业试验中，脱硫率的下降趋势更为明显(图5)。将炉内石灰石量定义为“石灰石有效存有量”，由此推测，常规循环流化床锅炉与全煤泥循环流化床锅炉相同，决定脱硫率大小的也是“石灰石有效存有量”。Ca/S比达到一定数值后脱硫率增幅变平缓的主要原因为，由于灰平衡的关系，Ca/S比的增加已不能改变“石灰石有效存有量”，因此脱硫率保持不变。

由此可知，对于煤泥循环流化床锅炉而言，若提高炉内脱硫率，必须提高炉内“石灰石有效存有量”，其方法包括优化石灰石粒径、减少排渣等。