循环流化床锅炉添加石灰石脱硫后排放与灰平衡计算

1、文章编号 :1004-7204(2000 01-0033-07 工(, 上海 200237摘要 :循环流化床锅炉添加石灰石脱硫是其特出优点之一 , 它具有脱硫效率高 , 脱硫 成本低 , 操作简单 、 无水污染等特点 。 本文通过实例分析总结了循环流化床锅炉添加 石灰石脱硫后排放与灰平衡计算方法 。关键词 :循环流化床锅炉 ; 石灰石脱硫 ; S O 2排放 ; 石灰石投入量 ; 灰平衡 ; 锅炉出 口烟气含尘量 ; NOx 排放中图分类号 :X 506 文献标识码 :A0 前言循环流化床锅炉之所以在近年来能得到很大的发展 , 除了其燃料适应性广 、 负荷调节性能好 、 燃烧效率高 (接近或达

2、到煤粉炉效率 外 , 一个重要的原因是它具有优良的环保性能 。 一方面 , 由于低温燃烧和分级送风 , 有效抑制了 NOx 的生成 ; 另一方面 , 通过炉内添加石灰石脱硫减少了 S Ox 的排放 。与煤粉燃烧锅炉的炉内喷钙脱硫相比 ,循环流化床锅炉炉内加钙 (石灰石 脱硫的脱硫效率更高 、 运行费用更低 、 更具有商业应用价值 。 煤粉燃烧锅炉的炉内喷钙脱硫在 Ca/S 比为 2. 03. 5时 , 脱硫效率仅 50%左右 ,而循环流化床锅炉炉内加钙脱硫在 Ca/S 比为 1. 82. 5时 , 脱硫效率一般可达 90% 。与常规锅炉的尾部烟气脱硫 (FG D 相 比 , 循环流化床锅炉炉内

3、加钙脱硫具有设备 投资省 、 占地面积小 、 能耗低 、 操作简单 、 无水 污染等优点 。 尾部烟气脱硫虽然也是一种实 用化 、 工业化的脱硫方式 , 并在发达国家得以 较为普遍地使用 , 但其设备投资巨大 , 至少在 目前 , 它还不太适合我国的国情 。循环流化床锅炉具有优良的环保性能已 为大家所熟知 , 但是 , 对循环流化床锅炉的工 程设计人员来说 , 仅有定性的认识是不够的 , 还需进行定量分析 。定量分析不仅包括 S O 2排放 、 石灰石投入量的定量计算 , 而且还涉及 到锅炉自身的问题 , 其中最重要的一个问题 是加入石灰石后灰平衡的计算 。所以 , 对加 入石灰石后灰平衡计算

4、方法进行系统的 、 全 面的研究不仅是必要的 , 而且是必须的 。 下面 , 我们将对循环流化床锅炉的炉内 加钙脱硫进行排放和灰平衡的定量分析 , 并 以两种参考煤种的实际计算数据来分析其影 响程度 。收稿日期 :1999-08-20作者简介 :周一工 (1965- , 男 , 上海锅炉有限公司 , 主任设计师 , 高级工程师 。 3 32000年第 1期 环境技术 1 参考煤种基本数据1. 1 煤种 , 中等发热量 , 较高含硫量 , 低水 份的烟煤C y :55.29 H y :3.16 O y :5.39 N y :0.91 S y :1.83 W y :1.49 A y :31.93V

5、 r :38.38Q y dwS ZS MA ZS =6g/M J理论空气量 V 0=5. 634Nm 3/kg理论烟气容积 V 0y =5. 963Nm 3/kg炉膛 (=1. 2 烟气容积 V =7. 1198 Nm 3/kg预热器出口 (=1. 4 烟气容积 V = 8. 2566Nm 3/kg锅炉设计效率 =89%,q 4=2. 75, 飞灰 份额 a yh =0. 65Ca/S 比为 2. 0时 , 脱硫效率 S O2=90% 1. 2 煤种 , 低发热量 、 高含硫量 、 高水份的 煤矸石C y :15.58 H y :1.32 O y :2.36 N y :0.3 S y :4.

6、16 W y :12.0 A y :64.28V r :28.4Q y dw :1400Kcal/kg (5862K J/kg 折算硫份 S S =7. 1g/M J折算灰份 A S =224. 6g/M J理论空气量 V 0=1. 7950Nm 3/kg理论烟气容积 V 0y =2. 0645Nm 3/kg 炉膛 (=1. 2 烟气容积 V =2. 4223 Nm 3/kg预热器出口 (=1. 4 烟气容积 V = 2. 9308Nm 3/kg锅炉设计效率 =80%,q 4=10, 飞灰份 额 a yh =0. 4Ca/S 比为 2. 8时 , 脱硫效率 S O2=97%煤种 和煤种 都是我

7、们在循环流化床 锅炉设计中使用过的燃料 , 煤种 具有比较 广泛的代表性 , 而煤种 是高硫燃料中比较 , 因此 , , 计算中不设定锅炉容量 , 以每公斤入炉燃 料 (注意 , 非计算燃料 为基数进行计算比较 。 2 脱硫前后 S O 2排放量2. 1 脱硫前 S O 2排放量燃料中的硫在燃烧过程中生成 S O 2, 其 化学反应过程非常复杂 , 涉及有机硫释放 , 黄铁矿硫分解 , 硫的还原及氧化等过程 , 但从 定量计算 S O 2排放的角度 , 可将化学方程式 简化为 :S +O 2 S O 232 64如燃料中的 S 全部生成 S O 2, 则每公斤 煤生成的 S O 2为 1000

8、y10032=20S y (g/kg S O 2的排放量 (理论值 G 0S O2为G 0S O2=yV 100=y(100-q 4 V 2 g/Nm 3*V 是计算燃料消耗量为基数进行计 算的 , 此处的计算应转换成每公斤入炉燃烧 的烟气容积 , 其理由是燃料在炉内燃烧时 S O 2的生成比碳的燃烧容易得多 , 所以可以 认为未燃尽碳部分的燃料中含硫也是全部氧 化的 。然而 , 实际上 , 煤的灰份中含有的金属氧 化物 CaO 、 MgO 、 Fe 2O 3等与烟气中的 S O 2接触 时 , 会生成部分硫酸盐 。换言之 , 煤灰中的 金属氧化物具有一定的脱硫作用 。 根据有关 资料 , 烟

9、气中 S O 2的排放系数43 环境技术 2000年第 1期K=63+34. 5×(0. 99 Aj %Aj 为灰的碱度 , 其经验计算公式为 Aj =0. 1. yh A ZS (7CaO +3. 5MgO + Fe 2O 3根据一些煤粉炉调查报告提供的数值 , K 值 的 范 围 一 般 在 70%92%, 均 82%。, , K 值 , 一方面 , 循环 ; 另一方 面 , 循环流化床锅炉的低温燃烧更有利于脱 硫能力的发挥 , 且灰粒在炉内的停留时间也 比煤粉炉长得多 , 综合以上两方面因素 , 我 们可以认为循环流化床锅炉的 K 值与煤粉 炉大致相当 。因此 ,S O 2的实

10、际排放量 G S O2应为 :G S O 2 =K G 0S O2=y(100-q 4 V g/Nm 3对煤种 和煤种 , 我们取 K =82%进 行计算 , 则煤种 ,G S O2=3. 738g/Nm 3=3738mg/Nm 3煤种 ,G S O2=25. 864g/Nm 3=25864mg/Nm 3可见 , 即使是煤种 ,S O 2的实际排放量 也大大高于环保控制标准 (1200mg/Nm 3 , 因 此脱硫是必须的 。2. 2 脱硫后 S O 2排放量加石灰石脱硫后 , 煤灰中金属氧化物参 与脱硫的能力大大减弱 , 因此 , 除了个别地区 煤灰中 CaO 含量很高的情况外 , 一般自脱

11、硫 部分忽略不计 , 即将自脱硫部分作为计算裕 量考虑 。 在以下的石灰石添加量计算中也是 采用的这一原则 。脱硫后 S O 2的实际排放量 G S O2为 :G S O 2 =(1-S O2G 0S O2=500S y (1-S O (100-q 4 V g/Nm 3对煤种 , S O2=90%,G S O2=0. 456g/Nm 3 =456mg/Nm 3对煤种 S O2= =Nm 3 =,灰中金属氧化物的自脱硫能力 。首先 , 列出脱硫反应化学方程式CaC O 3 CaO +C O 2S +O 2 S O 2CaO +S O 2+2O 2 CaS O 4即完全反应时 1m ol CaC

12、O 3与 1m ol S 相 匹配反应生成 1m ol CaS O 4。1kg 燃料的石灰石投入量 G A 为 :G A =32 (Sy100/CaCO3 kg/kgCaCO3为石灰石中 CaC O 3含量 。需要说明的是 , 石灰石中还含有少量的 MgO 等有一定脱硫能力的金属氧化物 , 但一 方面它们含量较少 (一般小于 5% , 另一方 面它们的脱硫能力比 CaO 差 , 因此在石灰石 投入量计算中这部分忽略不计 。CaCO3根据石灰石种类 、 特性的不同而不 同 , 一般在 85% 95%范围内 , 我们取 CaCO 3 =93%对煤种 和煤种 的石灰石投入量进 行计算 。煤种 :G

13、A =0. 123kg/kg煤种 :G A =0. 391kg/kg石灰石是目前最常用的一种脱硫剂 。 90%以上的循环流化床锅炉在脱硫时都选用 石灰石作脱硫剂 , 因此以上的计算以投入石 灰石为基础进行 。对使用其它种类脱硫剂 (如 白 云 石 (CaC O 3 MgC O 3 、 熟 石 灰 (Ca (OH 2 、 生石灰 (CaO 以及在石灰中加入各 种添加剂 要根据具体情况进行分析和试验 5 3 2000年第 1期 环境技术 研究 , 以得出脱硫剂投入量的计算方法 。 4 加入石灰石前后灰平衡计算灰平衡计算不仅与排放计算密切相关 , 而且它还是锅炉传热计算的基础 , 锅炉性能 计算的前

14、提 , 因此 , 正确分析加入石灰石后的 灰平衡计算方法是十分重要的 , 况 灰平衡计算方法 。4. 1 加入石灰石情况下的灰平衡计算1kg 析 , , , 由于 , 计算中也不考虑分离器排灰 。图 1 循环流化床锅炉灰平衡图 f 为分离效率 , 它取决于分离器的形式 和结构 。n 为循环倍率 ,n =1-fa yh A y /100进煤中的含灰量 G j =A y /100床底部排灰量 G l =(1-yh A y/100飞出流化床灰量 G f =n +a yh A y /100=1 -fa yh A y /100循环灰量 G C =n =f G f =1-f a yh A y /100未分

15、离灰量G W =(1-f G f =a yh A y /100对煤种 和煤种 进行灰平衡计算 。 在 设计中我们选定煤种 采用高效旋风分离 器 , 分离效率 f =99%, 煤种 采用阻力较小 63 环境技术 2000年第 1期的撞击式分离器 , 分离效率 f =95%, 为便于 分析比较 , 对煤种 采用 f =99%的灰平衡 也进行计算 。煤种 (f =99%煤种 (f =95%煤种 (f =99%n 20. 554. 25. 45 G jG l 0. 3857 G f 755. 142125. 71 G C 20. 54. 88525. 45 G W 0. 20750. 25710. 2

16、71注 :在设计中 , 煤种 采用 f =99%的高效旋 风分离器是不可行的 , 因其煤质太差 , 燃 料消耗量极大 , 如采用高循环倍率 (高效 旋风分离器 , 则总循环灰量太大 , 一方面 阻力太大 , 厂用电大量增加 , 另一方面 , 循 环回路 (包括炉膛 、 分离器 、 回料器等 的 磨损将非常严重 。在此 , 顺便介绍一下煤种 的使用背景 。 从燃料的热量利用角度讲 , 煤种 的利用是 很不合算的 , 燃料的低热值 、 高硫分特性使其 设备投资费用和运行费用大大增加 , 但基于 以下两个原因 , 项目的技术经济分析能够成 立 , 一是解决矿区高硫矸石的堆放和污染问 题 , 不仅矸石

17、燃料根本不要花钱 , 而且可获得 环保专项投资 ; 二是脱硫后的大量灰渣因其 高钙 、 低碳 、 中温活性 , 具有良好的灰渣综合 利用性能 , 换言之 , 灰渣很值钱 。因此 , 总体 上讲 , 该项目不但具有良好的环保性能 , 在经 济上也是合算的 。 该项目面临的最大问题是 尾部烟气除尘 , 不仅需要巨大投资 , 而且排放 仍难以满足环保标准 。 在后面的计算中可以 看到这一问题的严重性 。4. 2 加入石灰石后的灰平衡计算进行加入石灰石后灰平衡计算首先需要 解决石灰石的飞逸份额 a sf 。 石灰石的飞逸份 额与石灰石自身特性 、 石灰石粒径分布 、 石灰 石给料方式 、 床速等诸多因

18、素有关 一般情况 下 (d 50=0. 30. 5mm , sf0. 750. 85。 向炉内加入的 CaC O 3(100g/m ol , 床内 经分解和硫酸盐化反应后主要成份变为 CaO (56g/m ol 和 CaS O 4(136g/m ol , 因此重量的变 化是客观的存在 。另外 , 石灰石中 CaC O 3以 外的物质在炉内也可能存在复杂的化学反应 过程 , 但因各种成份反应后重量有增有减 , 总体变化不大 , 含量又相对很少 , 所以在重量 计算中可以认为它们是惰性的 。反应后石灰石的重量 G B 为 :G B =(1-CaCO3G A +CaCO3 G A( -S O2+ S

19、 O 2(S对煤种 和煤种 进行计算 :煤种 :G B =0. 9256G A =0. 1138kg/kg 煤种 :G B =0. 8485G A =0. 3318kg/kg 从以上的实际数据也可以看出 , 灰平衡 计算中石灰石反应后重量的变化是不可忽略 的 。下面是加入石灰石后灰平衡计算公式 : n =1-f(a yh A y /100+a sf G B G j =A y /100+G AG l =(1-a yh A y /100+(1-a sf G BG f =n +a yh A y /100+a sf G B =1-f (a yh A y /100+a sf G B G c =n =f

20、G f =1-f(a yh A y /100+a sf G B G w =(1-f G f =a yh A y /100+a sf G B 同样 , 我们取 a sf =0. 8对加入石灰石后 7 3 2000年第 1期 环境技术 环境技术 2000 年第 1 期 38 的煤种 和煤种 进行灰平衡计算 。 煤种 ( f = 99 % n Gj Gl G f Gc G w 29. 55 0. 4423 0. 1346 29. 85 29. 55 0. 2985 煤种 ( f = 95 % 9. 93 1. 0328 0. 4521 10. 45 9. 93 0. 5225 煤种 ( f = 99

21、 % 51. 73 1. 0328 0. 4521 52. 25 51. 73 0. 5225 级分离回归了主流派地位 。随着技术的发 展 ,越来越证明单级分离是循环流化床锅炉 最优越的技术形式 , 因此 , 从发展考虑 , 掌握 了单级分离的灰平衡计算方法就已能适应循 环流化床锅炉设计的需要 。 5 加入石灰石前后锅炉出口烟气含尘量的 变化 锅炉出口烟气含尘量计算需考虑进入尾 部烟道后烟气的转弯和飞灰沉降 。典型的设 计是仅考虑一处 ,即空预器出口灰斗的沉降 。 沉降率 一般可按 5 % 7 %计算 。另一种 可能的设计是除空预器出口外 , 省煤器出口 也有烟气的转弯和飞灰沉降 , 这主要发

22、生在 尾部烟道相对高度不够 , 空预器需拉开布置 的情况下 。此时省煤器灰斗和空预器灰斗的 总沉降率可按 8 %12 %计算 。 锅炉出口烟气含尘量计算中不仅要考虑 灰份的因素 , 而且还需考虑飞灰中未燃尽碳 的份额 。Cfh 为飞灰含碳量 。Cfh 的值是性能 设计中给定的 , 作为计算固体不完全燃烧热 损失 ( q4 的主要依据 。 锅炉出口烟气含尘量g 为 1 ( 1 - Gw 1 - Cfh g = 1000 × 100 - q4 V 100 ( G 1 - w = × 5 Nm3 10 g/ ( 100 - q4 V ( 1 - Cfh 取 = 10 % ,Cfh

23、 = 5 %对煤种 和煤种 加石灰石前后锅炉出口烟气含尘量进行计 算。 煤种 加石灰石前 加石灰石后 24. 5 35. 2 3 将加入石灰石前后灰平衡计算的数据进 行对比就会发现 , 向床内加入石灰石严重改 变了灰平衡 ,显然 ,这将对锅炉性能产生重大 影响 ,它不仅影响到锅炉的效率计算 、 传热计 算 ,而且影响受热面的磨损情况 ,可能迫使设 计中降低受热面的烟气流速 , 使锅炉的结构 设计发生变化 , 同时还会影响到锅炉岛辅机 的选型 ,如风机 、 出渣机 、 除尘器等 ,还会改变 整台机组的厂用电率 。 4. 3 灰平衡计算的一点说明 以上进行的灰平衡计算是以高温单级分 离为基础考虑的

24、 , 中温单级分离也可适用 。 对有飞灰再循环系统的灰平衡计算也可参照 以上的计算方法 ,但是 ,并不是说以上的计算 方法是通用的 ,它不适用于两级分离的情况 。 两级分离的灰平衡计算更复杂 , 并存在一些 不可确定的因素 。如石灰石颗粒的一次飞逸 份额和二次飞逸份额的关系问题目前仍是一 个不可知的领域 。 所幸的是 ,单级分离 ,尤其是高温单级分 离是循环流化床锅炉的主流派设计 , 目前世 界上 95 %以上的循环流化床锅炉都是采用 单级分离的 。 两级分离技术的开发虽然对循 环流化床锅炉的发展作出了一些有益的尝 试 ,并有一些实际应用的例子 , 尤其在我国 , 90 年代初两级分离的循环流

25、化床锅炉一度 煤种 93. 1 187. 7 3 曾作为主导产品 ,现在这种状况已经改变 ,单 3 注 : 加入石灰石后烟气容积 V会有所变 化 , 但变化不大 , 变化范围小于 2 % , 因此以上的计算未考虑容积变化的因 素。 2000 年第 1 期 环境技术 39 从以上数据可以看出 , 加入石灰石脱硫 引起锅炉出口烟气含尘量很大的变化 , 这将 直接影响除尘器的除尘方式和效率选择 , 尤 其是煤种 加石灰石后的烟气含尘量 , 对除 尘来说简直是一个可怕的巨大数字 。值得庆 幸的是 ,尽管目前我国的循环流化床锅炉主 要燃用劣质燃料 , 但象煤种 这样的 “超级” 劣质燃料也是很少使用的

26、。 与除尘有关的另一个问题是 , 加入石灰 石后飞灰的碱性增大 ,比电阻率改变 ,对静电 除尘器的除尘效率大有影响 , 这是循环流化 床锅炉出给静电除尘器的研究课题 。 6 加石灰石脱硫对 NOx 及其它污染物排放 流化床锅炉的工程设计人员来说 , 可以不考 虑添加石灰石脱硫对 NOx 排放增加的影响 。 研究表明 ,添加石灰石脱硫会造成 N2O 、 CO 、 、 排放的下降 。 HF HCl 7 结论 7. 1 对含硫量较高的煤来说 , 脱硫是必须 的。 7. 2 可根据燃料特点 , 计算脱硫深度 、 脱硫 后 SO2 排放和石灰石投入量 。 7. 3 加入石灰石严重改变了循环流化床锅 炉的灰平衡 ,将对锅炉的性能 、 结构设计及辅 机选型 、 厂用电耗等产生重大影响 。 7. 4 加入石灰石脱硫引起锅炉出口烟气含 的影响 众所周知 , 循环流化床锅炉因其低温燃 烧和分级送风 ,NOx 排放量很低 , 仅为煤粉 燃烧锅炉的 1/