內容摘要：分析燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內脫硫技術相關的若干問題，如脫硫效率，脫硫對灰渣利用、煙塵排放和脫硝等的影響。指出燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內脫硫存在有最佳鈣硫比，開發脫硫灰渣綜合利用新技術是推動CFB鍋爐爐內脫硫技術應用的關鍵。

關鍵詞  CFB鍋爐;  福建無煙煤;  爐內脫硫

燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內脫硫若干相關問題探討

過偉麗   何宏舟 鄒崢  俞建洪 

集美大學機械工程學院， 廈門     361021

引言

    CFB鍋爐被公認是燃燒福建無煙煤的最佳爐型，近年來在我省的應用發展很快，正往大型化方向快速發展，目前已投運有60多臺，總蒸發量達 2500 t/h以上。CFB鍋爐技術在我省的能源工業與經濟建設發展中正扮演著越來越重要的角色。

    通過向爐內添加石灰石， CFB鍋爐可方便地實現在燃燒過程中脫硫。這種脫硫工藝具有操作方便、投資及運行費用低，脫硫效果好等特點。據了解，我省新投產的CFB鍋爐一般均設計有爐內脫硫技術并配備有電除塵設備。但因種種原因，目前爐內脫硫技術在絕大多數已投運的CFB鍋爐中尚未被應用。隨著我省走可持續發展道路政策的貫徹落實，環保要求日益嚴格，燃煤脫硫勢在必行。所以，研究影響CFB鍋爐爐內脫硫的因素，探討消除脫硫帶來的負面影響，使CFB鍋爐的脫硫優勢真正得到發揮，對于推廣爐內脫硫技術、實現福建無煙煤的潔凈燃燒顯然具有積極意義。

1.    脫硫效率

    燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐一般采取了低循環倍率、低流化速度和高爐膛高度、高燃燒溫度等設計運行手段，以保證鍋爐的燃燒效率。一般燃燒室的實際運行溫度在950~1050℃之間，遠高于公認的最佳脫硫溫度850℃，這使得燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的爐內脫硫效率不高。工業試驗發現[1] ，當鈣硫比為2.5左右時，實際脫硫效率（定義為 ）尚不到40％。但由于福建無煙煤自身的含硫量較低  （＜0.5%），即使在沒有采用其它脫硫措施的情況下，由于燃燒中灰的自脫硫作用，其排放濃度也并不高（800~ 1500 mg/Nm3）。所以，采用爐內添加石灰石的脫硫技術后，當鈣硫比大于2.5時，可以將SO2排放濃度控制在國家規定的400mg/Nm3排放標準以下。

    另外，研究發現[2] ，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的爐內脫硫效率隨著鈣硫摩爾比的增加而增加，其爐內脫硫效率與鈣硫摩爾比的關系曲線為下凹型（圖1），即當鈣硫比較小時，脫硫效率隨鈣硫比的增加而緩慢增長；只有當鈣硫比增加到一定值后，脫硫效率才會隨鈣硫比的增加而明顯提高。這一點有異于大多數燃燒煙煤和褐煤的CFB鍋爐（其爐內脫硫效率與鈣硫摩爾比的關系曲線為上凸型（圖2），即在較小的鈣硫比條件下，脫硫效率隨鈣硫比的增加而迅速增加；當鈣硫比增大到一定值時，繼續增加鈣硫比對提高脫硫效率的貢獻不大[3] 。由于脫硫效率不可能隨鈣硫比的增加而無限增大，因此下凹型曲線必存在有拐點即存在有最佳鈣硫摩爾比，使得當鈣硫比小于此值時，脫硫效率隨鈣硫比的增加而快速提高，而鈣硫比大于此值時，脫硫效率隨鈣硫比的增加而緩慢提高。這一點在燃燒西荼無煙煤的江西分宜電廠也得到了證實。由于“福建無煙煤”是一個廣義概念，不同福建無煙煤之間的燃燒性質也有較大差別，在實際應用中，最佳鈣硫比還應根據具體煤種通過工業試驗求取。

2.    灰渣利用

    脫硫會影響CFB鍋爐的灰渣利用。一方面，脫硫會增加灰渣的數量。由于每燃燒1 噸煤通常要加入1/3~1/2噸的石灰石進行脫硫，因此與同容量的普通煤粉爐相比，流化床鍋爐在脫硫情況下所產生的灰渣要多出30％~40％左右。同時，脫硫還會改變灰渣的性質。CFB鍋爐爐內脫硫后產生的灰渣與不脫硫的灰渣相比，所含的物質成分與特性均有較大差異。由于目前各類脫硫技術大多使用鈣基脫硫劑，如采用石灰石或直接用生石灰，通過其煅燒產物CaO與SO2的反應生成硫酸鈣或亞硫酸鈣使煤中的硫得以固化而隨灰渣排出，因此脫硫灰渣中的硫酸鈣或亞硫酸鈣含量比沒有脫硫時要高得多；另外，為達到滿意的脫硫效率， CFB鍋爐設計的鈣硫比一般都大于2，因此脫硫后灰渣中都含有一定比例沒有反應的游離CaO。表1為廈門海滄新陽熱電廠（燃燒福建龍巖無煙煤）爐內脫硫前后灰渣的成份變化情況。由表 1 可見，脫硫灰和渣的鈣（CaO）含量遠高于沒有經過脫硫的灰渣。

    迄今為止，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐所產生的灰渣由于含碳量較高，僅用于燒磚或作道路回填材料，影響了灰渣的綜合利用經濟價值。在采用一些降低飛灰碳的技術措施后，可考慮作為建材資源如水泥混合材或混凝土摻合料。但脫硫灰渣的成份變化會帶來其作為水泥混合材時的強度和膨脹特性方面的變化。一方面，由于CaO的水化以及由CaSO4參與的水化反應會生成強度較高的Ca(OH)2和一些水泥水化礦物如鈣礬石等，添加含有一定數量CaO和CaSO4的流化床脫硫灰渣的水泥（混凝土）具有較強的水硬性能，強度大為提高。但與此同時，由于脫硫反應造成了灰渣中CaO顆粒大多被致密的CaSO4外殼包裹著，CaO的水化所需時間很長，加上CaO水化成Ca(OH)2后體積會大為增加，灰渣會不斷膨脹，卻也會導致水泥性能不穩定甚至強度被破壞，大大限制了脫硫灰渣在工程上的應用。另外，根據國家標準規定，水泥中SO3的含量不能超過3.5％，而脫硫灰渣中SO3含量較高（大于10％），因此，不經處理的脫硫灰渣也很難作為水泥的混合材使用。目前，開發適合于脫硫灰渣綜合利用的新技術已成為推動CFB鍋爐爐內脫硫技術應用的關鍵。

3.    煙塵排放

    我省已投運和建設中的CFB鍋爐大多數配置有靜電除塵器除塵。由于脫硫改變了煙塵性質，增加了煙塵中飛灰顆粒的比電阻，因此會影響靜電除塵器的除塵效果，增加粉塵排放。

    靜電除塵器的除塵效率主要取決于煙塵的導電性能，在CFB鍋爐120—150℃的排煙溫度范圍內，煙塵導電性能由其粉塵的表面比電阻決定。而粉塵表面比電阻受粉塵自身化學成分和煙氣性質等雙重因素的影響：在爐內脫硫的情況下，一方面，飛灰中CaO、CaSO3和 CaSO4的存在將對比電阻產生影響，飛灰比電阻將隨煙塵中CaO含量的增加而迅速上升；另一方面，加入石灰石脫硫后使得煙氣中SO2的濃度大為降低，也會導致顆粒比電阻增加。據測試[4] ，當燃煤含硫量為1.04%、鈣硫比為2.0時，脫硫前后，煙塵中灰顆粒的比電阻將從4.0×1010增加到1.9×1012 。

    一般CFB鍋爐靜電除塵器設計的最大比電阻為1.5×1013左右，當比電阻大于1012 時，靜電除塵器的效率將會下降，導致增加粉塵排放。有試驗發現[5] ，對于燃燒高硫煤的CFB鍋爐， 當鈣硫比為3.2時，添加石灰石脫硫后使得煙塵排放量增加了約10％。因此，對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐，當采用爐內脫硫技術時，在選用靜電除塵器時，應考慮比電阻變化對其除塵效果的影響。根據我們對石獅熱電廠燃燒福建龍巖無煙煤時脫硫前后除塵效率的測試結果發現：不脫硫時，靜電除塵器出口粉塵濃度56.4mg/Nm3，除塵效率為99.75％；當在同樣的燃燒工況下進行爐內脫硫時，在 Ca/S=2.5條件下，測得除塵器出口粉塵濃度為80mg/Nm3，除塵效率為99.73％。可見，脫硫前后的除塵效率基本不變，但粉塵濃度大為增加。表2  (表中：1為添加石灰石前的情況，2為添加石灰石后情況)是我們在浙江大學1MWCFB中試爐上進行燃燒兗州煙煤爐內脫硫的試驗結果。由表2可見，添加石灰石前后，靜電除塵效率均隨飛灰粒徑的減小而減小，特別是對于粒徑在2.5以下的顆粒，減小特別顯著；另外，雖然各級除塵效率及總的除塵效率變化很小，但添加石灰石后降低了對于細顆粒的脫除效率，增加了粉塵排放。 

4.    脫硝

    脫硫對脫硝的影響較復雜。一方面，石灰石分解后生成的氧化鈣對揮發份中的NH3氧化生成NO和N2O有催化促進作用，加入石灰石脫硫對循環流化床燃燒過程中NOx的生成和排放有一定的負面影響。另一方面，添加石灰石脫硫同時卻也會減少N2O的生成。隨著鈣硫摩爾比增加，雖然NOX的排放濃度增加，但N2O排放濃度卻降低。

    福建無煙煤的揮發份和自身含氮量極低，添加石灰石脫硫對鍋爐煙氣中的NOx 排放濃度影響并不明顯。工業試驗證實[6] ，在鈣硫比較小的工況下，爐內添加石灰石脫硫會使煙氣中NOx排放量有少許增加，見圖3。

           圖 3  添加石灰石脫硫對NOx排放的影響(Ca/S=2.17)

    目前，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的NOx的排放很低，一般在100ppm左右。在有爐內脫硫情況下，即使考慮添加石灰石會增加NOx的生成，通過采取其它的一些低氮燃燒措施，NOx 的排放濃度可以控制在國家的排放標準以下。 

5.    結 語

    本文對影響燃燒福建無煙煤CFB鍋爐開展爐內脫硫的主要因素包括脫硫效率、脫硫灰渣利用、粉塵排放、脫硝等進行了分析，得到以下結論： 

（1）由于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的運行溫度較高，其爐內脫硫效率較低，達到一定脫硫效率所需的鈣硫摩爾比較高；從脫硫效率隨鈣硫比的變化規律判斷，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內脫硫存在有最佳鈣硫比值。

（2）爐內脫硫會增加CFB鍋爐的灰渣數量，改變灰渣成份和性質，影響灰渣的綜合利用價值；開發脫硫灰渣綜合利用新技術是推動CFB鍋爐爐內脫硫技術應用的關鍵。另外，脫硫會改變煙塵的化學成份和煙氣性質，增加煙塵中灰顆粒的比電阻，降低靜電除塵器的除塵效率，增加粉塵排放；對于采用爐內脫硫技術的CFB鍋爐，應考慮比電阻變化對其除塵效果的影響。

（3）對于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐而言，脫硫對脫硝的影響不明顯。在鈣硫比較小情況下，脫硫會使煙氣中NOx排放量有所增加，但NOx 的排放濃度仍可控制在國家的排放標準以下。

參考文獻

[1] He Hongzhou, Luo Zhongyang, Fang Mengxiang, et al. An industrial experimental research on desulphurization of Fujian anthracite during  combustion in CFB boiler[C]. The 5th International Symposium on Coal Combustion . ISBN: 7-81089-377-7.  2003. P: 325-328

[2] 何宏舟. CFB鍋爐潔凈燃燒福建無煙煤的理論與試驗研究[D]. 浙江大學博士學位論文. 2005.8

[3] Nowak W.  Clean Coal fluidized-bed technology in Poland. Applied Energy[J]. 2003, 74 : 405-413

[4] 呂俊復, 張建勝, 楊海瑞,等. 循環流化床鍋爐脫硫對飛灰比電阻的影響[J]. 電站系統工程. 2000(5): 259-261,286

[5] 韓道汶, 徐國榮. 循環流化床鍋爐脫硫試驗分析[J]. 鍋爐技術. 2001. 32(12) : 31-32

[6] 何宏舟,鄒崢, 俞建洪,等. 循環流化床鍋爐燃燒福建無煙煤爐內脫硫對鍋爐熱效率及煙氣中NOx排放的影響. 電站系統工程.2003, 19(5):4-8 

文章作者：過偉麗 何宏舟 鄒崢 俞建洪 集美大學機械工程學院， 廈門 361021