煤在mwh循环流化床燃烧室中自脱硫性能的试验研究

煤在mwh循环流化床燃烧室中自脱硫性能的试验研究

循环流放锅炉（cpb）的一个主要优点是在循环流处理器（cfbc）中添加适当的石灰，以固定燃料中的硫。同时,试验发现即使不加入石灰石,SO2排放浓度也小于理论计算的排放浓度。这是因为,一方面,煤中有一部分硫为不可燃硫;另一方面,煤灰中含有一定的碱金属氧化物,这些物质也同石灰石一样具有一定的固硫能力。煤燃烧生成的SO2来源于煤中可燃的有机硫和无机硫。有机硫主要存在于挥发分中,无机硫主要存在于煤热解后的焦炭中。在有氧气条件下,SO2与CaO的反应可简化为:CaO+SO2+1/2O2=CaSO4(1)CaΟ+SΟ2+1/2Ο2=CaSΟ4(1)但上式确切的反应途径还不十分清楚。通常认为在CFB温度范围内,对粒径较小的CaO颗粒,上述反应是二氧化硫浓度CSO2的一级反应。在还原条件下,存在着SO2的固定和释放反应。具体反应见有关文献。投入CFBC内的石灰石脱硫,需要SO2扩散到其表面上进行反应。一般认为,反应生成的CaSO4很容易将石灰石颗粒表面覆盖并堵塞孔隙,因而投入炉内的石灰石利用率不高。随着投入炉内的石灰石与燃料的Ca/S比增加,脱硫效率迅速提高,在一定温度条件下,当Ca/S比为2.2左右时,脱硫效率可达90%,再增大Ca/S比,脱硫效率的增加不太明显。通常认为投入炉内的石灰石脱硫效率主要受如下一些因素影响:石灰石特性;石灰石粒径;温度;炉内氧化和还原气氛。目前评价石灰石脱硫性能的方法主要为煤和石灰石在试验台上进行试烧,实际的测试数据较少。有关CFBC内脱硫的模型研究也很多,已有的模型发现,如果不考虑煤的自脱硫效率,模型计算结果同试验测定结果有较大出入。添加石灰石后的脱硫效率实际包含了煤自脱硫效率的因素,因此,要更客观地评价石灰石的脱硫效率,需要对煤的自脱硫效率有一个较为深入的认识。1试验台的工作原理国家电力公司热工研究院1MWthCFBC试验台结构简图见图1。整个燃烧室采用上部支撑下部悬吊方式。试验台燃烧室净高度为23m,下部横截面积为0.175m×0.351m,上部横截面积为0.351m×0.351m。燃烧室受热面采用7节“抽屉式”结构,便于拆装。燃烧室下部布置有水冷壁,上部布置有蛇形管受热面。通过受热面的灵活组合,可以调节分离器入口温度,还可调节沿燃烧室高度的温度分布。试验台尾部烟道布置有水冷受热面和一次风空气预热器。试验台的燃烧启动采用床下液化气点火,启动方便可靠。送风机将试验所需空气分为2路,一路作为二次风分三级直接进入燃烧室下部,一路作为一次风通过升压风机进入尾部烟道内的空气预热器,预热后的空气通过布风板进入燃烧室,一次风和二次风管道上布置有标定过的孔板流量计以控制一、二次风比率和总空气量。升压风机后有少量空气作为回料阀松动风。在布风板上和回料阀处分别布置排渣口和排灰管,通过炉渣和循环灰的排放可以调节炉膛压力和温度变化。飞灰通过尾部烟道的二级除尘器分离,也可在尾部烟道内取样。该试验台布置有43个温度测点和21个压力测点,分离器出口处设有固定的烟气取样器,并配备有最新的FISHER-ROSEMOUNTNGA2000系列烟气分析仪,可实时测定尾部烟气中的O2、SO2、CO2、CO、N2O、NO、NO2等气体成分。本试验台已经进行了10多种煤的工程试烧,主要涉及到燃烧效率测定、脱硫效率测定、污染物排放浓度测定、燃料成灰特性和灰平衡测定等项目。在这些煤种试烧的过程中,国家电力公司热工研究院CFB锅炉研究所还注重CFB的机理研究。2氧化碳生成量1MWthCFB试验台试烧所用5种煤的元素分析和工业分析见表1。试验用煤的主要灰成分见表2。煤的自脱硫效率ηs,self可用如下方法计算:V0SO2=0.007Sar(2)ηs,self=100(1−xSO2Vy/V0SO2)(3)VSΟ20=0.007Sar(2)ηs,self=100(1-xSΟ2Vy/VSΟ20)(3)V0SO2SΟ20是理论计算的二氧化硫生成量,Vy和xSO2是实际测量的烟气量和SO2浓度。煤固有的CaO与硫含量的摩尔比计算如下:(Ca/S)coal=0.571AarwCaO/Sar(4)(Ca/S)coal=0.571AarwCaΟ/Sar(4)wCaO是煤灰中CaO含量,煤固有的(CaO+MgO)与硫含量的摩尔比计算如下:[(CaO+MgO)/S]coal=(0.571wCaO+0.8wMgO)Aar/Sar(5)[(CaΟ+ΜgΟ)/S]coal=(0.571wCaΟ+0.8wΜgΟ)Aar/Sar(5)不同过量空气系数下,燃烧室平均温度与煤1自脱硫效率的试验结果见图2。试验过程中,一次风份额为0.6。试验平均结果见表3。排渣和飞灰中CaO和MgO成分见表4。煤1和煤2是同一旋风分离器结构条件下进行的试验,煤1的飞灰中粒径为16μm,排渣中粒径为5.34mm,煤2的飞灰中粒径为34μm,排渣中粒径为4.06mm。3煤的自脱硫效率从煤1的自脱硫效率与温度关系可看出,随着温度提高,自脱硫效率逐渐降低。这反映出煤中CaO脱硫机理同石灰石脱硫有类似规律。燃烧温度从870℃提高到930℃,煤1的自脱硫效率从25%降到8%。从自脱硫效率的下降幅度可看出,当投入石灰石进行脱硫,随着温度提高,脱硫效率降低的一个重要因素是由于煤自脱硫效率降低。至于脱硫效率降低主要来源于煤自身的CaO还是投入的石灰石脱硫效率降低还需要进一步的试验研究。从5种煤种的平均试验数据可看出,煤的自脱硫规律与石灰石的脱硫规律基本一致,燃烧温度提高,自脱硫效率降低,(CaO+MgO)/S比值增加,自脱硫效率提高。对煤1,即使平均床温在900℃条件下,煤的自脱硫效率也在12%之上。从排渣和飞灰成分分析可看出,3种煤的飞灰CaO含量相对于煤灰中的含量无较大变化,而排渣中煤1的CaO含量减少近一半,煤2和煤3的CaO含量变化不大。这说明煤1在密相区的自脱硫过程进行得较为充分,其原因可能为:(1)煤1的CaO在灰中分布较为均匀,有利于CaO与SO2的反应进行。(2)煤1为挥发分含量极低的无烟煤,SO2主要通过煤热解后的焦炭燃烧生成,因而灰中的CaO与SO2的反应进行得更为充分。(3)煤1的挥发分含量很低,造成煤的成灰特性与其它煤种有较大差别。焦炭颗粒的燃烧可看作是颗粒外层不断剖离的过程,因而煤中CaO能够及时同SO2发生反应。从以上分析可进一步认为,在CFBC内,煤的自脱硫效率和煤的特性有关。4煤自身cao与应发展性煤的自脱硫过程要客观评价石灰石的脱硫性能,需要对煤的自脱硫效率有一个正确认识。通常所给定的石灰石Ca/S比还不能较为准确地描述石灰石的脱硫性能,应该加上煤的固有Ca/S和(CaO+MgO)/S。煤自身的CaO与外来石灰石的反应机理应该不存在太大差异,但发生反应的位置却有较大差别。因为煤自身的CaO包含在煤灰之中,煤燃烧生成SO2过程也就伴随着脱硫过程,煤自身的CaO与SO2发生反应的可能性大于石灰石。在CFBC的脱硫模型中,应该考虑煤的自脱硫对模型的影响。对煤的自脱硫过程可简化为如下步骤:(1)假定CaO存在于煤热解后的焦炭颗粒中,且均匀分布;(2)灰颗粒的破碎和磨耗过程是灰颗粒中新的CaO不断暴露在颗粒表面的过程(如图3所示)。从以上假定可看出,煤中CaO的脱硫性能是强于外加石灰石,因为一方面,煤的燃烧过程加强了焦炭颗粒的破碎和磨耗;另一方面,SO2扩散到焦炭颗粒表面与自身的CaO反应的概率更大。对破碎特性较差的煤,煤的磨耗使煤中CaO能够充分地