內容摘要：本文結合我省實際，強調燃燒Ⅱ類無煙煤的循環流化床鍋爐開展爐內脫硫的重要意義；闡述了以石灰石為脫硫劑的脫硫機理；通過計算論證了這種脫硫工藝對鍋爐熱效率的影響；并就脫硫劑的選用及其加入爐膛的位置提出看法。

關鍵詞：循環流化床鍋爐  脫硫  石灰石

1  前言

循環流化床鍋爐是八十年代初由德國、芬蘭等西歐國家首先開發研制成功的，其初衷是為了有效地控制燃煤而引起的有害氣體NOX、SO2的排放量。他們通過爐內添加石灰石等脫硫劑，并采用分段燃燒等技術措施實現了這一目標。現在這一爐型已被世界各國公認為潔凈燃燒設備。循環流化床鍋爐在我國研制的出發點卻不是基于環境保護，而是因為該爐型具有對煤種的廣泛適應性，可燃燒各種劣質煤，包括我省揮發分小于5％很難著火的Ⅱ類無煙煤，其燃燼率也很高。我省目前正在運行及在建的30多臺循環流化床鍋爐均還沒有實施或考慮爐內脫硫方案，這與當前國內外強調的能源與環境要協調發展不一致。其原因主要是對循環流化床鍋爐本身的運行特性及操作還未掌握自如，人們還顧不上考慮爐內脫硫工藝，此外也有的工廠認為我省無煙煤的含硫量較低，盡管環保部門執行了嚴格的SO2排放收費制度，但這對于一臺75t／h的循環流化床鍋爐年均花費不到五萬元，若實施爐內脫硫工藝，擔心費用可能更高，并且影響爐子的可靠運行，因此多數廠家至今仍按兵不動。但是，必須指出，自從國家環保局對SO2排放實施總量控制后，規定我省到2000年SO2年排放總量必須低于30萬噸，而1998年的SO2排放總量就已達26萬噸，目前還有若干大型電廠及燃煤或燃重油的工業鍋爐在建，SO2排放勢頭將繼續強勁上升，因此人們應當利用循環流化床鍋爐原本就具有廉價高效的脫硫優勢，把爐內脫硫問題提到議事日程上來，為降低我省SO2排放總量做出貢獻。

下面以一臺滿負荷運行的75t／h循環流化床鍋爐，計算其燃用本省Ⅱ類無煙煤時一年將要排放的SO2的重量。

一臺75t／h(3．9Mpa，450℃)的循環流化床鍋爐每小時的耗煤量約12噸／時(取鍋爐熱效率為90％，燃料發熱量為22410KJ／kg)，則煤中含硫量約為(應用基硫取0．75％)：

G=12 ×103×0．75％=90千克／時

通常煤中的硫在爐內絕大部分被氧化為SO2，只有極少量(約0．5～2％)被氧化為SO3，本計算不考慮后者，故其化學反應式如下：

S+O2→SO2

由上式計算每小時可產生180千克的SO2，按一天24小時，一年300天計算，則一臺75t／h的循環流化床鍋爐SO2年排放量Ga為：

Ga=0．18 ×24×300=1296噸／年

我省20t／h～75t／h的循環流化床鍋爐約30多臺(未考慮今后的增加量)，若燃用本省Ⅱ類無煙煤(含硫量均在0．3％—0．9％)，按上述方法可大略估算這批爐子的SO2年排放總量大約在2．5萬噸左右，這是一個很可觀的數字，若能對這批爐子實施爐內脫硫工藝，必將對我省SO2排放總量的控制作出貢獻。

2  循環流化床鍋爐爐內脫硫機理：

循環流化床鍋爐爐內脫硫通常采用添加廉價的經破碎的天然石灰石的辦法。天然石灰石是一種致密的不規則結構，主要成份是CaCO3，其顆粒中孔隙容積為0．006～0．025mm3／Kg，比表面積為l—3×103m2／Kg，這兩個指標都很小，但是石灰石經過煅燒，顆粒中CO2析出，CaCO3顆粒就變成多孔的CaO顆粒，孔隙容積比原來約擴大15—30倍，比表面積也比原來提高約10倍。CaO顆粒中由于大量氣孔的存在，以及表面積的大大增加，一方面有利于貯集反應產物，另一方面可以使反應氣體穿透至顆粒內部進行反應，因此大大加速了CaO與SO2反應生成CaSO4的機會，于是原煤中的硫分就被固化為硫酸鈣進入灰渣中，最后排出床層。因此，循環流化鍋爐爐內添加石灰石脫硫主要經歷石灰石煅燒分解和CaO的硫酸鹽化兩個過程，其反應方程式可寫為：

CaCO3→CaO+CO2↑—183KJ／MolCaCO3

SO2十CaO+1/2O2+CaSO4

從上述反應式可知，石灰石的分解是一個吸熱反應，其分解溫度約為850—900℃，這正是國內循環流化床鍋爐正常運行的溫度，而且硫酸鹽化過程是在富氧條件下進行，正在運行的循環流化床鍋爐爐膛就具備了這種條件。由此可見，循環流化床鍋爐為爐內添加石灰石脫硫提供了極有利的外部條件。

從上述反應式還可以看出，如果CaO與SO2能完全反應的話，那么鈣硫摩爾比(Ca／S)為1就可以完全把SO2吸收并就變成固體產物CaSO4固定下來。然而實際卻非如此，有一部分的石灰石粉末或由其分解成的CaO粉末與SO2起作用就被煙氣帶出爐膛；還有一部分已分解的CaO顆粒在與SO2起反應后，所生成的產物CaSO4堵塞住CaO顆粒上存在的細孔，阻礙了SO2進入到CaO顆粒內部反應，使這些CaO顆粒還沒有100％地與SO2起作用就被排出爐膛，故Ca／S必大于l。一般Ca／S的值為2—2．5時，才能有85％—90％的脫硫率．

3  關于實施爐內脫硫的幾個問題：

3．1  脫硫劑的選用：

一般的循環流化床鍋爐均選用廉價的石灰石(CaCO3)，也有選用白云石(Ca CO3·Mg CO3)作為脫硫劑，但是白云石中分解的MgO與SO2反應速度很低，一般情況下可認為是惰性的，仍然是靠其中的CaO與SO2起反應，故在同樣重量下，采用石灰石比白云石取得的脫硫效果更好。如果在某個地區剛好有廉價的石灰(CaO)下腳料，也可直接選用。

采用天然石灰石作脫硫劑還必須進行破碎，最終使石灰石的顆粒小于2mm，其中，較粗的顆粒(0．5—2mm)與原煤同時經絞龍輸入，而＜0．5mm的石灰石則用氣力輸送方式在密相區底部靠布風板處輸入，以盡量延長細顆粒在爐內的停留時間。

3．2  爐內脫硫對鍋爐熱效率的影響：

脫硫劑石灰石在爐膛內分解是一個吸熱過程，其反應式為：

Ca CO3→CaO十CO2—183KJ／MolCaCO3

即分解1Mol(0.1Kg)的石灰石需要從爐膛吸熱183KJ。

福建無煙煤含硫量較低，較具代表性的含硫量為0．75％，發熱量Q=22410KJ／Kg，當Ca／S=2時可以計算出爐內脫硫對鍋爐熱效率的影響。

由Ca／S=2計算1Kg煤需要添加的石灰石的質量。由于1Kg煤中含有0．75%的硫，即含有7．5／32摩爾的硫，則鈣的摩爾數為2 ×7．5／32摩爾。因此，可以計算出對1Kg煤因爐內脫硫所損失的熱量：

CaCO3→CaO+CO2—183KJ／MolCaCO3

1Mol             183KJ

7．5／16M01    183 ×7．5／16=85．78KJ

則因石灰在爐內分解吸熱所引起的鍋爐熱效率的降低值為：

△η= —85．78／22410= —0．38％

此外，石灰石在爐膛內從常溫被加熱到分解溫度(850—900℃)還需要吸收一部分的物理熱，但是石灰石的比熱容隨著溫度的升高降低得很快，因此這部分物理熱引起的熱效率的降低很微小。同時，CaO與SO2反應的硫酸鹽化過程是一個放熱反應，其反應方程式如下：

SO2+CaO+1／2O2→CaSO4=15141KJ／KgS

即將1Kg的硫固定為硫酸鈣會向爐膛放出15141KJ的熱量。

若取脫硫效率為90％，由反應方程式可以計算出1Kg煤(其中含有7．5g的硫)因爐內脫硫時硫酸鹽化所發出的熱量為7．5×90％×15．141=102．2KJ，則因此而使鍋爐熱效率提高的數值為：

△η’=102．2／22410=0．46％

則由上述計算的綜合結果可知，爐膛內添加石灰石脫硫對鍋爐效率不僅沒有影響，甚至可能略有提高。當然，若采用石灰石下腳料作脫硫劑則不存在石灰石分解熱損失，硫酸鹽化的放熱過程反而有利于熱效率的提高。

3．3  關于在返料系統中注入脫硫劑的方案：

我省現運行的循環流化床鍋爐，由于采用的福建無煙煤的灰熔點過低(約1100℃)，而為了充分燃盡，運行人員多選擇較高的爐膛出口溫度，有的甚至達950℃。因而存在著循環物料在高溫旋風筒或返料系統管道中結渣堵塞事故。這長期威脅著循環流化床鍋爐的安全可靠運行。若把脫硫劑中的相對粗的部分(如>0．5mm的顆粒)從容易結焦的部位加入，因石灰石分解時要吸收熱量，再加上常溫石灰石被加熱還吸收的物理熱，則可大大降低管道中物料的溫度，從而改善返料系統結焦堵塞現象的產生，有利于循環流化床鍋爐的安全可靠運行。

4  結論：

4．1  循環流化床鍋爐的爐內運行工況及氣固兩相流動特點非常適合實現爐內脫硫工藝，而且采用天然石灰石作為脫硫劑，經濟實惠，脫硫效果好，將為我省的SO2排放總量控制作出貢獻，帶來良好的環境效益。

4．2  由綜合計算的結果可知，循環流化床鍋爐采用爐內添加石灰石的脫硫工藝對鍋爐熱效率沒有影響；如有廉價的下腳料石灰(CaO)可利用，則鍋爐熱效率還可略有提高。

4．3  在考慮脫硫劑加入位置時，可分兩種情況：對于原煤的灰熔點較高，運行中不存在因超溫結渣而引起停爐事故，可以在爐內密相區加入；對于原煤的灰熔點較低，常發生返料系統結焦堵塞事故，建議把較粗的脫硫劑(0．5—2．0mm)從返料系統管道內加入。較細的脫硫劑(<0．5mm)仍從爐膛的密相區靠近布風板處輸入。

參考文獻：

1、岑可法等，循環流化床鍋爐設計與運行，  中國電力出版社，1998年

2、蔣昌盛，燃用福建無煙煤的循環流化床鍋爐之設計問題，  第一屆潔凈煤技術國際研討會論文集，煤炭工業出版社，1997年 

文章作者：俞建洪    鄒崢（集美大學 362021）