CFB锅炉SO2超低排放工程应用与运行优化

田志娟,王鹏举

(中国石油化工股份有限公司 洛阳分公司,河南 洛阳 471012)

循环流化床（CFB）半干法脱硫工艺具有占地面积少、投资费用低、无脱硫废水等优点［1］，在钢铁烧结、垃圾焚烧、燃煤电厂等领域取得了较好的应用效果［2］。经过不断发展，该工艺的脱硫效率有了极大提升，并发展为近年SO2超低排放改造的一项可靠技术［3-4］，也可应用于同时脱硫脱硝［5］。CFB半干法脱硫效率受床层温度、床层压降、钙硫比（钙与硫的摩尔比，钙指炉内脱硫碳酸钙、炉后脱硫氧化钙中的钙，硫指烟气中SO2中的硫，记为Ca/S）、脱硫剂反应活性等因素影响［6］。脱硫剂在半干状态下进行脱硫反应，脱硫剂使用效率相对偏低，成本较高。某公司CFB锅炉通过炉内喷钙+炉后CFB半干法二级脱硫工艺实现了SO2超低排放，但运行成本高，总Ca/S达到3以上，脱硫剂月度成本近170万元。

本工作对上述CFB锅炉进行了炉后CFB半干法脱硫优化，考察了出口烟温、床层压降等参数对脱硫效果的影响，并从整体出发，开展了二级脱硫SO2负荷分配优化试验，探索出二级脱硫经济性较好的运行模式，为同行业类似装置的优化提供了良好的示范和调试、运行经验。

1 CFB锅炉概况

CFB锅炉额定负荷为310 t/h，2009年11月建成投用，由烟台现代冰轮重工有限公司设计制造，为单炉膛、单汽包、自然循环、平衡通风、双高温绝热旋风分离器、全钢架M型露天布置、高温高压CFB锅炉。CFB锅炉设计燃料为100%石油焦，校核燃料为石油焦、煤掺烧。炉内喷钙脱硫系统随锅炉同步建设，设计出口SO2质量浓度≤400 mg/m3（本文的SO2浓度均为标准状态、剩余烟气6%（φ）O2时的数值）。为满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）［7］要求（SO2质量浓度≤100 mg/m3），2014年建成投运炉后CFB半干法脱硫系统。

2 SO2超低排放工程应用

2.1 炉内喷钙脱硫系统概况

通过向炉膛喷入0~1 mm石灰石粉进行烟气脱硫，石灰石粉由某公司下属脱硫剂厂生产，气力输送至炉前石灰石仓，通过12个中位风喷嘴进入炉膛。石灰石粉进入燃烧区，在840~900 ℃适宜条件下受热分解为CaO和CO2，CaO与炉膛内的SO2和O2反应生成CaSO4，完成炉内脱硫反应。系统共设2套石灰石给料系统，每套可以独立运行。石灰石给料系统流程如下：石灰石仓→插板阀→石灰石给料机→石灰石混合器→分配器→气力输送管→炉膛。石灰石输送气源分两部分，从石灰石中间仓到石灰石仓使用管网工厂风，从石灰石仓到炉膛由风机提供输送用风。CFB炉内石灰石添加系统见图1。

石灰石粉添加量通过烟气在线CEMS检测的SO2数值和燃料消耗量确定，利用变频调速电机旋转给料机刮板速度调节。

图1 CFB炉内石灰石添加系统

2.2 炉后CFB半干法脱硫系统概况

炉后脱硫采用福建龙净环保股份有限公司自主研发的“LJD火电厂新型干法脱硫除尘一体化工艺”，2014年6月建成投运，主要包括烟道系统、脱硫塔系统、布袋除尘器系统、工艺水系统、吸收剂制备及供应系统、脱硫灰气力输送及灰库系统、电气系统、控制系统等，其工艺流程见图2。设置清洁烟气再循环烟道，通过调节风挡，保证脱硫塔烟气量不低于75%设计流量，确保在锅炉低负荷运行时脱硫塔内稳定的烟气流速和文丘里管速，以实现锅炉低负荷时脱硫装置的稳定运行。

脱硫塔是一个有7个文丘里喷嘴的空塔结构，主要由底部扩散段、文丘里管段、流化直管段、顶部折流和出口段等部分组成。烟气通过文丘里管加速，在反应塔内形成一个激烈湍动的高颗粒密度床层，Ca/S可达50，SO2与Ca（OH）2的接触概率高［8］，二者充分反应，实现脱硫。脱硫塔出口设置低压脉冲旋转喷吹布袋除尘器，除尘效率高、能耗低、运行可靠、维护简单，适用半干法脱硫后粉尘高浓度、高湿度且运行温度临近露点温度的环境特点。在文丘里管出口扩管段设有一套高压工艺水装置，喷入雾化水降低脱硫反应器内的烟气温度，并使SO2与Ca（OH）2的反应转化为可以瞬间完成的离子型反应。净化烟气经脱硫引风机，通过烟囱排放，排出的脱硫灰进入脱硫灰库。脱除SO2的主要化学反应见式（1）~（3）。

脱硫剂为粉状CaO，采用自卸密封罐车将CaO运输至脱硫岛内的CaO仓。设置一套干式消化系统，将CaO消化为Ca（OH）2，Ca（OH）2送入脱硫塔进行脱硫反应。炉后脱硫设计处理烟气量350 000 m3/h，设计入口SO2质量浓度≤2 500 mg/m3，出口SO2质量浓度≤50 mg/m3，脱硫率≥98%。

图2 CFB半干法脱硫工艺流程图

炉后脱硫装置于2014年6月开车调试，168 h性能考核结果整体良好，各系统运行稳定，出口SO2浓度达到设计要求。具体数据见表1。

表1 CFB锅炉炉后脱硫装置考核结果

2.3 SO2超低排放情况

根据《河南省燃煤机组超低排放改造专项行动方案》要求，燃煤机组要实现超低排放，排放标准为SO2质量浓度≤35 mg/m3［9］。炉后脱硫装置原设计出口SO2质量浓度≤50 mg/m3，通过对工艺水量、Ca（OH）2添加量等进行调整，出口SO2浓度能够稳定达到超低排放标准。2017年CFB炉的SO2排放浓度见图3。执行超低排放标准后，7~12月平均出口SO2质量浓度为4.7 mg/m3。经过实践论证，CFB锅炉炉内喷钙+炉后CFB半干法二级脱硫工艺应用后，出口SO2浓度很好地满足了超低排放标准要求。

图3 2017年CFB炉的SO2排放浓度

3 优化运行研究

3.1 炉后脱硫系统运行优化

炉后CFB半干法脱硫效率的影响因素主要包括Ca/S、CaO活性、脱硫灰循环量、床层压降、出口烟气温度等。经确认采用的CaO满足脱硫要求，故本文主要考察脱硫塔出口烟气温度、床层压降等因素。

3.1.1 脱硫塔出口烟气温度优化

研究表明，CFB半干法的脱硫率随近绝热饱和温差∆T（脱硫出口烟气温度与饱和烟气温度之差）的降低而单调上升［10］。对∆T的控制反映在喷水量的大小上，∆T越小，喷水量越大，这一方面使浆液蒸发慢，液相存在的时间长，脱硫剂与烟气中SO2反应时间长；另一方面，较高的烟气湿度提高了干态颗粒的反应活性［10］。

厂家设定的脱硫塔出口烟气温度为75~80 ℃。优化期间，通过调整不同的脱硫塔出口烟气温度，确认其对脱硫剂使用效率的影响（体现在Ca/S上）。脱硫塔出口烟气温度与Ca/S的关系见表2。由表2可知，随着脱硫塔出口烟气温度的降低脱硫Ca/S显著降低，出口烟气温度从79.12 ℃降至72.14 ℃时Ca/S降低了2.51，这表明脱硫塔出口烟气温度的降低大幅提高了脱硫剂利用率。但脱硫塔出口烟气温度过低，将接近烟气露点，有可能带来布袋糊袋、脱硫塔塌床、脱硫塔结灰等不良影响。综合考虑系统运行情况，最终将脱硫塔运行温度设定在70~75 ℃，实际运行过程中一般控制在73 ℃左右。

表2 脱硫塔出口烟气温度与Ca-S质量比的关系

3.1.2 脱硫塔床层压降优化

炉后脱硫塔运行过程中，脱硫塔床层压降与床层物料浓度成正比，可通过调整床层压降控制脱硫塔内物料浓度。厂家设定床层压降为1.1~1.2 kPa。优化期间，通过提高脱硫塔床层压降，考察其对脱硫Ca/S的影响。结果表明，提高床层压降在一定程度上能够提高脱硫剂利用率，当床层压降由1.15 kPa增至1.25 kPa时，Ca/S由2.20降至1.80。但由于出现过脱硫塔塌床情况，考虑到系统运行的稳定性，将脱硫塔床层压降设置在1.20 kPa。

3.1.3 脱硫剂给料设备优化

设计炉后脱硫塔入口SO2质量浓度为2500 mg/m3，两台Ca（OH）2给料机设计给料量分别为2.5 m3/h和5.0 m3/h。运行后发现，Ca（OH）2消耗量偏大，出口SO2浓度长时间维持低值，甚至持续为0，导致脱硫剂大量浪费。针对该情况，对2.5 m3/h Ca（OH）2给料机进行了内部改造，对给料机转子间隙进行了调整，减少给料机给料量，便于炉后脱硫系统高SO2负荷和低SO2负荷的灵活调整，提高脱硫剂利用率。此外，综合平衡环保指标与运行成本，将出口SO2控制在15 mg/m3左右，减少脱硫剂浪费。

3.1.4 炉后脱硫系统优化效果

炉后脱硫系统通过运行优化，经济效益显著。在入口SO2浓度基本一致的情况下，优化前后的数据对比见表3。优化前系统运行存在出口烟气温度较高、出口SO2浓度长时间偏低、床层压降偏低等问题；优化后，Ca/S和运行成本均显著降低，Ca/S由4.45降至2.34，脱硫剂成本由2 703元/t以SO2计，下同）降至1 441元/t。

3.2 二级脱硫整体优化

二级脱硫运行的SO2负荷分配也影响脱硫成本，合适的负荷分配可使二级脱硫均保持在较高的脱硫效率区段，实现整体Ca/S最优化，降低总脱硫剂成本。

表3 炉后脱硫系统优化前后的数据对比

在保证脱硫效率的基础上，在其他运行工况条件基本一致的情况下，通过调整炉后脱硫塔入口SO2浓度控制二级脱硫负荷分配，考察3种不同工况下二级脱硫运行Ca/S的变化情况，具体数据见表4。其中工况2、工况3运行试验28 d，工况1受公司运行需求影响，试验11 d。由表4可知：随着炉后脱硫塔入口SO2浓度的降低，炉内脱硫Ca/S变化不大，均在2以下；炉后脱硫Ca/S则显著下降，由3.23降至1.94；总Ca/S和脱硫剂成本整体也呈下降趋势。

此外，在炉后脱硫塔入口SO2质量浓度为1 710 mg/m3时，对炉后脱硫系统排出的脱硫灰进行了取样检测。结果发现，脱硫灰中Ca（OH）2含量高达43.3%（w），表明脱硫灰中含有大量未反应的脱硫剂，脱硫剂利用率低。

表4 不同脱硫塔入口SO2浓度下二级脱硫的Ca/S及脱硫剂成本变化情况

综合分析，炉后CFB半干法脱硫适于低SO2负荷下脱硫。在较高SO2负荷下，为达到脱硫效果，需大量投加脱硫剂，脱硫塔内的物料中要始终保持较高的脱硫剂浓度，相应的，排出的脱硫灰中脱硫剂成分含量高，导致脱硫剂的大量浪费。

综合考虑二级脱硫运行情况、脱硫剂成本及脱硫剂利用率，并结合日常生产过程中炉内喷钙脱硫控制的实际情况，将炉后脱硫塔入口SO2质量浓度调整范围定在700~1 100 mg/m3，实际运行过程中根据燃料含硫量变化进行适当调整。

3.3 小节

经过炉后脱硫和二级脱硫负荷分配优化后，脱硫效率显著提升。优化前，Ca/S达3.14，脱硫剂成本达1 280~1 506元/t。优化后连续运行4个月，Ca/S为1.90~2.18，脱硫剂成本为783~890元/t，月度脱硫剂成本降低53万元以上。

4 结论

a）CFB锅炉应用炉内喷钙+炉后CFB半干法二级脱硫工艺，出口SO2质量浓度能够稳定达到不高于35 mg/m3的超低排放要求。炉内喷钙+炉后CFB半干法二级脱硫工艺是实现CFB锅炉SO2超低排放的一种可行的技术途径。

b）通过对炉后脱硫运行优化、二级脱硫负荷优化，摸索出二级脱硫经济性较好的运行模式，脱硫塔出口烟气温度控制在70~75 ℃、脱硫塔床层压降控制在1.20 kPa、脱硫塔入口SO2质量浓度控制在700~1 100 mg/m3。

c）优化后，二级脱硫总Ca/S由3.14降至1.90~2.18，脱硫剂成本由1 280~1 506元/t（以SO2计）降至783~890元/t，月度脱硫剂成本降低53万元以上。通过系统优化，提高了脱硫剂利用率，降低了脱硫运行成本。