应用循环流化床洁净燃烧技术控制燃煤工业锅炉二氧化硫污染

1、应用循环流化床洁净燃烧技术控制燃煤工业锅炉二氧化硫污染中国燃煤工业锅炉二氧化硫污染综合防治对策（六）张慧明 王娟 （青岛市环境科学学会，青岛266001） （青岛理工大学环境与市政工程学院，青岛266033）摘 要 本文研究应用循环流化床洁净燃烧技术，控制燃煤工业锅炉SO2污染，其中主要包括循环流化床洁净燃烧技术，及其在燃煤工业锅炉上的应用。研究表明，应用循环流化床洁净燃烧技术，可经济、高效地控制燃煤工业锅炉SO2污染。由于循环流化床气固两相湍流混合接触良好，反应物停留时间长，因而燃烧效率高达9799%，除尘效率高达98%，脱硫效率高达90%，由于炉温低NOx的生成量会降低90，经济效益和环境

2、效益双赢。循环流化床洁净燃烧技术，是燃煤工业锅炉大气污染控制理想的替代技术。关键词 煤炭；烟尘；二氧化硫；燃煤工业锅炉；循环流化床锅炉；洁净燃烧1引言多年来，我国大气环境污染严重，已导致我国环境安全问题产生，对人民健康、生态环境、经济发展和社会进步造成的经济损失相当可观。燃煤工业锅炉煤炭年消耗量为3亿t左右，SO2年排放量为600多万t，是我国大气环境SO2污染的最主要的污染源，控制燃煤工业锅炉SO2污染，对控制我国大气环境SO2污染具有极其重要的意义。燃煤工业锅炉以SO2污染控制技术上难度大、经济上投入多为其特点，并形成全社会共同关注的热点。半个多世纪以来，燃煤工业锅炉大气污染从根本上并没有

3、解决。笔者根据国内外燃煤工业锅炉大气污染防治的经验，和对我国20多年来煤炭燃烧造成大气环境安全问题及影响的反思，从我国能源与大气环境问题入手，提出了一整套科学、经济、高效的燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策。“应用循环流化床洁净燃烧技术控制燃煤工业锅炉SO2污染”，即为中国燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策的六大对策之一。应用循环流化床锅炉洁净燃烧技术，可经济、高效地控制燃煤工业锅炉SO2污染。试验表明，循环流化床锅炉的燃烧效率高达9799%，除尘效率高达98%以上，脱硫效率高达90%，NOx生成量下降90%，经济效益和环境效益双赢。循环流化床洁净燃烧技术，是控制燃煤工业锅炉SO2污染的理想替

4、代技术。2流化床反应器的基本概念早在1922年，德国人发明了应用流态化技术强化气固相反应和传热的流化床反应器。1942年，德国将流化床反应器应用于石油催化裂化生产汽油，开创了流化床反应器在工业中广泛应用的先河。到20世纪50年代末，在西方工业发达国家中，流态化反应技术在化工、石油、冶金等工业部门已获得广泛应用。我国对流态化反应技术研究、开发及应用始于50年代。在近几十年内，我国在流化床反应器研究、开发及应用方面，取得了许多令人瞩目的重大成就，到目前为止，这类反应技术在冶金、化工、石油、有机化工等行业已得到广泛的应用。2.1流态化及流化床反应器所谓流态化就是固体粒子像流体一样进行流动的现象。除重

5、力作用外，一般是依靠气体或液体的流动来带动粒子运动的。流化床反应器是气固相反应常用的一种反应器。这种反应器的特点是催化剂采用很细的颗粒，当气体通过反应器时，床内催化剂颗粒受到气流的冲击作用悬浮起来，在反应器内作剧烈的运动，上下翻滚，整个系统如同沸腾的液体，因此得名流化床或称沸腾床。这个过程称为固体的流态化。与固定床相比，流化床的优点如下：由于固体颗粒直径较小，一定容积的固体物料与流体有较大的接触面积，增大了流体与固体颗粒之间的传热和传质面积。由于固体颗粒在流体中处于运动状态，颗粒与流体界面不断搅动、更新，颗粒湍流度增加，因而提高了传热和传质系数。由于床层温度分布均匀，又因固体颗粒的热容较大，导

6、热系数也较高，所以当大量反应热放出时，能够很快传出，以避免床层局部过热。由于流化床固体颗粒具有流动性，便于生产过程的连续操作和自动化。2.2 流态化过程当气体自下而上通过床层时，随着固体颗粒的特性、床层几何尺寸、气体流速等不同，流化床的流态化过程分为三个阶段进行：固定床阶段，流化床阶段，气流运输阶段。 固定床阶段 在一个床层内，当空床气速较小时，固体颗粒静止不动，气体从固体颗粒之间的缝隙穿过，当空床气速增加到一定值时，继续增大气速，固体颗粒的位置得到调整，床层膨胀，它的空隙率开始增加，但固体颗粒仍保持接触，此时流化状态即将进入流化床阶段。 流化床阶段浓相流化阶段 当空床气速超过流态化起点时颗粒

7、完全呈悬浮状态，他们可以往各个方向流动，此时由颗粒所形成的床层完全处于流态化状态。 气流运输阶段稀相流化阶段 当床内气速达到流态化终点时，固体颗粒开始被吹出反应器与流态化终点，相对应的流速称为最大流速，或称颗粒带出速度。超过流态化终点时，正常流态化已被破坏，此时床层空隙随气速增加将逐渐增大，最后床中颗粒全部被吹出，床层空隙率达100%。2.3 流体散式流态化及流体聚式流态化习惯上人们把流态化分为两大类：散式流态化和聚式流态化。散式流态化的特点是流化床的颗粒均匀分散在床层内，平稳流化。聚式流态化的特点是流化床内的颗粒成团的湍动，而气体主要以气泡形成通过床层而上升，中间逐渐长大或合并、破裂，造成床

8、层极不稳定，而且气泡内可能还夹带有少量粒子，整个床层呈气泡相和连续相两相状态。2.4 沟流气体大量短路穿过床层，床层内形成一条狭窄通道，此时大床层仍处于固定状态，这种现象称为沟流。如果沟流穿过整个床层，就称为贯穿沟流。如沟流仅发生在局部，就称之为局部沟流。沟流会破坏平稳的流体流态化。2.5 大气泡和腾涌床内气体与颗粒分开，形成大的团状空隙，称为“大气泡”。大气泡汇合长大，到气泡直径接近容器直径时，床内物料呈活塞状向上运动，于是床层分隔成一段或几段，产生“腾涌”。腾涌会造成床内温度分布不均和浓度返混，降低转化率等。3 循环流化床洁净燃烧技术在燃煤工业锅炉上的应用我国燃煤工业锅炉，90%为落后的层

9、燃（固定床）式锅炉。床层中煤炭的颗粒与燃烧空气，因气固两相不能充分接触，碳氧燃烧不完全，燃尽率低，燃烧反应也难以强化，一部分未燃尽的碳颗粒以烟尘大气污染物的形式排放到大气中。因此，层燃式锅炉热效率低，一般为5055%；烟尘排放浓度高，一般为400g/m3；SO2排放浓度视煤的含硫量而定；不能燃烧高灰高硫劣质煤，资源不能充分、合理利用。如采用循环流化床洁净燃烧技术，层燃式锅炉难以解决的能源与大气环境问题，可以获得圆满的解决。循环流化床锅炉，在国外是20世纪60年代研究开发的，并投入运行。例如，德国的鲁奇公司是世界上最早开发循环流化床的公司之一，从1968年开始就把循环流化床技术用于锅炉燃烧。第一

10、台用于热电联产的循环流化床锅炉为50t/h，于1982年投入运行。该公司循环流化床锅炉的发展趋势是逐步商品化、大型化。目前，该公司可以承担发电能力为500MW的大型鲁奇式循环流化床锅炉的设计、制造、安装、施工及运行的交“钥匙工程”。目前，在国外大型循环流化床锅炉在电厂的运行越来越普遍。我国从20世纪80年代开始研制循环流化床锅炉，起步较晚，但发展较快。到2000年已建成工业化循环流化床锅炉2000多台，达13200蒸吨，其中最大容量为130t/h，当时居世界领先地位。在流化床反应器内，由于反应物料之间的湍流混合接触，使化学反应得以强化。流化床应用于煤炭燃烧，即煤的流化床燃烧，是近20年来才发展

11、起来的一项新型洁净燃烧技术。破碎后的煤与脱硫剂（石灰或石灰石）混合物悬浮在空气喷射流上，在炉内以类似沸腾的液体形式激烈翻滚。由于翻滚运动，使得煤的燃烧过程加剧，燃烧温度可控制在900，几乎是常规锅炉温度的1/2。煤炭燃烧时，这样的温度有利于脱硫剂在床内吸收煤炭燃烧释放出来的大部分SO2，脱硫效率大于8590%。同时，由于燃煤温度低，空气中的N2只有少部分被氧化，故产生的NOx比常规煤粉炉要少得多。因此，流化床燃烧技术可使燃煤锅炉不安装脱硫脱氮设备，就能满足环保法规对SO2和NOx的排放要求。流化床燃烧中煤颗粒的浓度很低，床内物料大多数为煤飞灰及已经反应和未反应的脱硫剂。这样煤的燃烧过程受煤质的

12、影响将不显著，故流化床适用于燃烧各种不同的煤种。为了提高脱硫剂的利用率，旋风除尘器收集的大颗粒煤飞灰和脱硫剂重新返回炉内继续燃烧，脱硫剂和煤飞灰在炉内的停留时间大大增加，从而提高了脱硫剂的利用率，降低了钙硫比。当然，未燃尽的碳颗粒也将会继续燃烧，这就是所说的循环流化床（CFB）洁净燃烧技术，人们把这种脱硫技术称为循环流化床烟气脱硫（CFB-FGD），而采用循环流化床燃烧技术的锅炉称为循环流化床锅炉（CFBB）。由于循环流化床燃烧具有适应性广、燃烧效率高、可经济有效控制SO2和NOx ，因此受到了普遍的重视和获得广泛的应用。在近二十年内，我国先后成功研究及开发了10t/h、35 t/h、75 t

13、/h、120 t/h、130 t/h、220 t/h和410 t/h循环流化床锅炉，有的已批量生产。但是，一般多为10 t/h以下的工业锅炉和采暖锅炉，也有少数用于发电。我国循环流化床锅炉的数量和煤矸石利用量，名列世界前茅。由于环境保护法规日趋严格，燃煤工业锅炉SO2污染防治又成为我国的热点，循环流化床洁净燃烧技术及设备市场较大，其技术及设备在未来的需求量将会扩大。4 循环流化床洁净燃烧系统的工艺过程目前，循环流化床燃煤工业锅炉在国内外最为常用。本文仅介绍循环流化床燃煤工业锅炉洁净燃烧系统的工艺过程。4.1 循环流化床洁净燃烧系统的工艺过程 循环流化床洁净燃烧系统的工艺过程，如图1所示。图1

14、循环流化床锅炉燃烧系统的工艺过程1煤仓；2石灰石仓；3二次风；4一次风；5燃烧室；6旋风子；7外置流化床热交换器；8控制阀；9对流竖井；10除尘器；11引风机；12汽轮机化学吸收SO2。将粉状石灰石直接喷入循环流化床锅炉炉膛内，在高温下石灰石被煅烧分解为CaO和CO2，烟气中的SO2被CaO吸收，生成Ca SO3。炉膛内氧气充足，Ca CO3被氧化成Ca SO4，烟气中的SO2被以Ca SO4的形式分离固定下来。循环流化床锅炉炉膛内完成煅烧、吸收和氧化三个化学过程，基本化学反应如下：Ca CO3 CaOCO2 CaOSO2 Ca SO3 Ca SO3O2 Ca SO4 CaOSO2O2 Ca

15、SO4 在采用白云石（Ca CO3 Mg CO3）作吸收剂或石灰石中含有Mg CO3时，还会发生以下的反应：Mg CO3 MgOCO2Ca CO3煅烧分解温度与烟气中CO2的浓度有关，当CO2浓度为14%左右，对应Ca CO3的分解温度为765。低于此温度时，CaO就会吸收CO2再重新生成Ca CO3，Mg CO3的分解温度较低，为344。CaO与烟气中 的SO2和O2反应，按式、进行，并生成Ca CO3和Ca SO4。但是，当温度低于650左右时，反应式向生成Ca CO3的方向进行，当温度为1038时，反应向Ca CO3分解成CaO和CO2的逆方向进行。因此，在炉膛内燃烧温度下脱硫反应主要按

16、反应式进行。烟气温度愈低，愈有利于脱硫反应的进行，但反应速度较慢。CaO吸收SO2的有效反应温度为9501100。较低的煅烧分解温度和较长的停留时间，有利于CaO生成孔隙率较高的吸收剂，有利于SO2的吸收。循环流化床锅炉内的燃烧温度一般为950左右，正好介于有利于CaO吸收SO2的温度区段，也有利于生成高孔隙率的CaO吸收剂，所以循环流化床锅炉吸收SO2的能力很高，脱硫效率在90%以上。一般锅炉燃烧温度在1650左右，停留时间很短，所以吸收SO2的能力很差，一般在40%左右。4.2 循环流化床锅炉的技术性能本文以开封造纸厂、明水热电厂、宜昌造纸厂和清华大学热电厂四家循环流化床锅炉为例，其技术性

17、能列于表1。表1 四家循环流化床锅炉的主要技术性能 单位项目开封造纸厂明水热电厂宜昌造纸厂清华大学热电厂锅炉型号额定蒸发量（t/h）蒸汽压力（MPa）蒸汽温度（）燃料种类燃料粒度（mm）燃烧效率（%）锅炉热效率钙硫比脱硫效率（%）分离器形式粉尘排放浓度(mg/m3)SO2（ppm）NOx（ppmm）负荷变化（%）负荷变化速度(%/min)SHXF10-13-A101.27194烟煤、贫煤等0158087.662.080旋风除尘器315344达到环保要求300110255YG-35/39-m3353.82450烟煤、矸石、炉渣0139886882.080旋风除尘器达到环保要求3001002556

18、劣质燃料2095802.090S形分离器达到环保要求150100255203.82390烟煤、炉渣2095852.090S形分离器达到环保要求100255此外，本文又以410t/h循环流化床锅炉为例，其技术性能如下：煤炭的组成及性能Car/%Nar/%Va of/%灰溶点（未掺烧石灰石）石灰石成分CaCO3（min）/%惰性物质（max）/%烧失率/%CFBB技术特性 锅炉最大连续出力/kg·S-1 主蒸汽温度/锅炉排烟温度/最低燃烧负荷/kg·S-1Ca/S（摩尔比）CFBB污染物排放浓度SO2/mg·m-3CO/mg·m-3电除尘器出口烟尘/mg&#

19、183;m-3电除尘器除尘效率/%51.51.067.67±1127°94.03.241.5110.9537.5135.2342.22568421116999.55Sar/%Aax/%Qnet.ar/MJ.Kg-1Mg CO3（max）/%水分（max）/%主蒸气压力/Pa省煤器入口水温/锅炉效率/%锅炉可用率/%电耗/KWNOx/mg·m-3空气预热器出口烟尘/mg·m-3脱硫效率/%CFBB单位投资/元·kw-12.89±319.29±1.671.861.091.8×10522790.792.434667870

20、00091450060005 循环流化床锅炉的经济评价及环境评价本文将循环流化床锅炉CFB与常用的石灰石/石灰湿式抛弃法烟气脱硫在经济上进行比较，其中包括工程总投资、年运行费用、脱硫成本、能耗及脱硫剂消耗量等，以便对循环流化床锅炉烟气脱硫进行经济评价和环境评价。表2列出二种烟气脱硫经济比较的基本参数，表3列出二种烟气脱硫的主要经济指标。表2 四种脱硫工艺经济比较的基本参数项目CFB湿法抛弃工艺机组容量/MW处理烟气量/万m3·h-1燃煤硫分/钙硫比脱硫效率/%反应塔出口温度/循环灰量/ kg脱硫吸收剂吸收剂喷入形态电耗/kwh·h-1水耗/t·h-1吸收剂消耗/k

21、g·h-1设计寿命/a年运行时间/h1004531.39070751CaO,有效CaO85%，T6030min,以干消化后的Ca(OH)2粉喷入反应塔入口烟道。干消化石灰粉4802034522065001004531.39070751CaCO，纯度90%，颗粒细度小于61m，95%通过石灰石浆液1550454696206500表3 四种脱硫工艺的主要经济指标项目CFB湿法抛弃工艺工程总投资/万元单位容量投资/元·kw-1年运行费用/万元寿命期内脱除SO2的成本/元·t-1脱硫增加电价/元 (kw·h)-135003501079714.90.0083580

22、2580.217661170.10.01405.1 经济评价经济评价表明： 循环流化床投资、运行费用和脱硫成本均比湿法烟气脱硫低，约为湿法的5070。 循环流化床工艺过程简单，系统设备少，约为湿法的4050；转动部件少，运行可靠，维修费用低。 循环流化床占地面积小，约为湿法的3040。系统布局灵活多样，适宜现有燃煤工业锅炉的改造和场地紧缺的新建燃煤工业锅炉。 循环流化床的能耗低，电耗和水耗约为湿法的3050。5.2 环境评价环境评价表明： 脱硫效率高。当钙硫比11.5时，脱硫效率可达90以上，是目前各种烟气脱硫中最高的，可以与湿法烟气脱硫相媲美。 能有效地脱除SO3、HCl、HF等有害气体，其

23、脱除效率远高于湿法烟气脱硫，可达9099。因而对反应塔及其下游的烟道、烟囱等设备的腐蚀较少，可不采用烟气二次加热，对现有的烟囱无需进行防腐处理。 无脱硫废水处理，脱硫副产品呈干态，不会造成二次污染，对综合利用和处置堆放有利。 脱硫后烟气中烟尘，可用高效除尘器（电除尘器或袋滤器）除尘，除尘效率一般在99以上。 由于炉温低，不利于NOx的生成，NOx生成量减少90。如此低的炉温，正好是石灰石作脱硫剂的最佳反应温度区段，因而脱硫效率高。由于这些原因，循环流化床锅炉NOx的排放量可降低到129g/GJ以下。可见，循环流化床锅炉的经济效益和环境效益均佳。6 循环流化床锅炉的特点 燃烧效率高。由于气固两相

24、湍流混合接触，燃料在炉内多次循环，停留时间长，99以上的碳可燃尽，燃烧效率一般可达9799，可与粉煤炉相竞争。 燃料适应性强。不仅可用粉煤作燃料，而且能燃烧难以燃烧的无烟煤屑，高灰、高硫、高水分的泥煤、烟煤、煤矸石、石油焦、纸渣、木屑、垃圾等几乎所有的固体燃料。 环境效益可观。钙硫比1.52时，脱硫效率可达8090；NOx的排放量可减少90%，可降低到129g/GJ以下；除尘效率高达98%。 炉内脱硫投资低。 燃料和石灰石的预处理和给料系统简单。入炉煤的粒度一般要求在310mm以下，用碎煤机破碎即可。石灰石粒度在1mm以下，比烟气脱硫要求石灰石的粒度要大得多。 负荷保护适应性强。循环流化床锅炉

25、蓄热大，炉内存有大量的850900的固体颗粒，燃料在炉内处于强烈的湍流燃烧状态，负荷变化适应性强。对无烟煤在30锅炉的额定负荷，烟煤在28锅炉的额定负荷工况下，可以长时间稳定运行而不需额外投入辅助燃料。 磨损较轻。主床内不设埋入管。管束磨损也不严重。 炉内不结焦。即使燃烧低灰熔点的煤，炉内也不结焦。积灰少，炉膛内不需吹灰。 回渣便于利用。循环流化床锅炉的灰渣未经高温熔化，便于利用。脱硫灰含的CaO活性较好，且含碳量低，有利于用做建筑工程和建筑材料的掺合料及路基垫层。 循环流化床锅炉是适合国情，易于掌握的洁净煤燃烧技术，对于高硫、高灰、低挥发分、低灰熔点的燃料，优点尤为显著。 炉温低。循环流化床

26、锅炉炉温低，一般为850900，不受固体燃料灰熔点温度的制约。由于炉温低，不利于NOx生成，因而NOx的生成量要少得多，比常规粉煤炉减少90%以上。炉温850900，正好是以石灰石作脱硫剂的最佳反应温度区段，因而才具有90%以上SO2脱除的性能。 可用率高。锅炉的主要结构与沸腾炉接近，绝大部分压力部件的设计、制造、检验标准与粉煤炉相同，且能采购到技术成熟的配套辅机系列产品，故具有很高的可靠性，可用率高达9598。 投资和运行费用适中。循环流化床锅炉的投资和运行费用略高于常规的粉煤炉，但比安装烟气脱硫装置的粉煤炉低1520。 循环流化床洁净燃烧技术，是我国燃煤工业锅炉提高热效率和控制SO2污染的

27、首选技术，建议在20t/h、75t/h、120t/h、130t/h、220t/h锅炉上应用。7结 语 中国是世界上第三大能源生产国，第二大煤炭生产国，第二大煤炭消费国，也是世界上大气污染最严重的国家和世界上第三大酸雨区。严重的大气污染，已导致我国大气环境安全问题的产生，对人民身体健康、生态环境、经济发展、社会进步造成了相当可观的经济损失。未来，我国煤炭消耗量将逐年增加，SO2和烟尘的排放量还将不断增长，我国大气环境质量不容乐观。 在我国燃煤工业锅炉是仅次于燃煤发电厂居第二位的SO2污染源，控制燃煤工业锅炉SO2污染，对控制我国大气SO2污染具有极其重要的意义。燃煤工业锅炉SO2污染防治，以其存在问题多，治理难度大，经济上投入多，而成为当今全社会共同关注的热点。人们面对燃煤工业锅炉，包括污染型燃煤在内的落后燃烧方式司空见惯，见怪不怪，不是从源头上入手采用清洁燃料和洁净燃烧技术，对燃煤工业锅炉进行治本的治理，而单纯是从终端对SO2实施烟气脱硫进行治表的控制，因而由于经济技术不配套，经济效益和环境效益不能令人满意，烟气脱硫技术尚未过关，烟气脱硫技术在燃煤工业锅炉上很难推广应用。 对煤炭燃烧造成我国大气环境严重污染及影响进行反思，原煤直接燃烧和落后的燃烧方式，给我们产生了支撑经