超低排放循环流化床锅炉的设计及其应用(2)

　　煤在循环流化床锅炉中燃烧，黄铁矿硫（FeS2）在300℃时即开始失去硫分，但其大量分解则发生在650℃以上。在氧化气氛中，FeS2直接生成SO2。有机硫在煤中是均匀分布的，一般在煤被加热至400℃时即开始大量分解析出，但对不同煤种稍有差异。有机硫经过燃烧分解析出，氧化后生成SO2。在循环流化床锅炉中，单质硫从流化床到密相区、稀相区、分离器、返料器都可能生成SO2。反应方程式为

　　S+O2=SO2。

　　2.4CaO的生成和脱硫

　　目前降低循环流化床锅炉烟气初始SO2排放最便捷方法是采用石灰石干法炉内脱硫，将CaCO3送入炉膛内煅烧，分解出的CaO与烟气中的SO2发生反应，生成CaSO4随炉渣排出。该过程主要分为两步：

　　（1）石灰石在流化床锅炉中煅烧，石灰石中的CaCO3煅烧分解为CaO析出CO2。反应方程式为

　　CaCO3=CaO+CO2

　　（2）煅烧生成的CaO表面呈多孔状，孔隙为硫的固化反应奠定了基础。硫的固化反应即CaO与SO2反应生成硫酸盐。其反应方程式为

　　CaO+SO2+1/2O2=CaSO4

　　影响循环流化床锅炉脱硫的主要因素为：

　　（1）床温

　　当床温低于800℃时，CaO孔隙减少，孔径小，反应速度低；当床温高于950℃时，CaO内部的孔隙结构会发生部分烧结，降低CaO与SO2的反应速度，导致脱硫效率降低。

　　（2）石灰石入炉粒径

　　石灰石入炉粒径分布对脱硫效率也有较大的影响。理论上，石灰石粒径越小炉内脱硫效果越好，因为减小石灰石粒径能增加其表面积，从而提高反应面积。如果石灰石粒径太小，分离器捕捉能力差，就会有很大一部分随烟气逃逸，从而不能随物料进行多次循环并与SO2长时间发生化学反应，反而增加尾部烟道的飞灰量。最佳的石灰石粒径分布与该锅炉分离器切割粒径有关，分离器对脱硫效率影响很大。

　　（3）石灰石品质

　　石灰石品质对脱硫效率影响十分敏感。不同品质的石灰石反应性能差异很大，在CaCO3含量、晶体结构和孔隙特征上也有所不同。一般应对石灰石做热重分析，测定其反应率指标，从而准确推算钙硫摩尔比。

　　3超低排放循环流化床锅炉工程设计

　　超低排放循环流化床锅炉是在节能型流态重构循环流化床锅炉的基础上延伸设计开发的。该锅炉采用单汽包、单炉膛、自然循环、全悬吊结构。锅炉主体结构由膜式水冷壁炉膛、两台高温绝热分离器和尾部对流豎井烟道组成。50MWe循环流化床锅炉基本结构如图1所示。炉膛内部布置水冷屏和过热屏，尾部竖井布置包墙过热器、对流过热器、省煤器和空气预热器。为了确保锅炉在流态重构后仍能满足传热要求，对超低排放循环流化床锅炉的燃烧热量分配和主要部件做了较大的改进。下面对主要部件改进原理和方向作简要描述。

　　图150MWe循环流化床锅炉基本结构

　　Fig.1Fundamentalstructureof50MWeCFBboiler

　　3.1流化床床温设计

　　流化床床温的合理确定是循环流化床锅炉能否实现超低排放的重要基础。在超低排放循环流化床锅炉设计中，首先依据煤种、循环物料流态、受热面结构等确定合理的流化床床温。该床温既要满足炉内石灰石的煅烧要求，又要抑制NO的生成。流化床床温与流化床面积、收缩率、炉膛受热面积、物料燃烧热量分配、循环物料质量、风的配比等因素有关，工程上一般控制在800～900℃，以控制在850～880℃为佳。目前在役的常规循环流化床锅炉床温一般在900℃以上。

　　3.2流化床和密相区还原气场设计

　　由于循环流化床锅炉烟气中NO形成主要集中在流化床和密相区，因此超低排放循环流化床锅炉必须在此相应设计一贫氧区，这样既抑制NO的生成，又可大量生成CO，使NO与CO发生化学反应，将NO还原成N2。炉膛内生成CO需要具备一定的燃烧温度、燃烧物料的表面积、含碳量和欠氧等条件。还原气场设计如图2所示。

　　3.2.1欠氧燃烧

　　循环流化床锅炉床上物料含碳丰富，气固混合强烈，温度较高，物料燃烧速度较快，如果此时减少氧气供给，物料燃烧后烟气中会生成大量CO。循环流化床锅炉床上氧气是由一次风提供的，减少一次风量就能减少供氧量。早期的循环流化床锅炉一次风占总风量的55%左右，超低排放循环流化床锅炉一次风量占总风量的40%～45%，降低了10%～15%。

　　3.2.2低料层阻力

　　增加有效物料床存量，提高物料床质量是还原气场设计的必要条件。提高物料床质量，燃料颗粒表面积增大，可提高燃料燃烧速度，有利于CO形成，同时可以保证循环流化床锅炉运行时物料携带量，保证传热的需要。降低料层阻力，虽然减小了一次风量，但仍可保证物料正常流化，可以降低一次风机耗电量。循环流化床锅炉要实现低料层阻力运行，分离器的分离效率是关键。

　　3.2.3提升二次风高度

　　循环流化床锅炉属于分段燃烧。为了确保物料燃尽、炉内传热，二次风以上炉膛部分氧量必须是过剩的。目前一般设计过剩空气系数为1.2～1.25。提升二次风高度，拉大二次风与布风板之间的距离，可为NO和CO发生充分的化学反应留出足够的时间与空间。

　　3.3分离器设计

　　分离器是超低排放循环流化床锅炉的一个关键部件。一般要求分离器对分离物料切割粒径d50在10μm以下，否則循环物料的床质量不能满足传热和循环燃烧需要。超低排放循环流化床锅炉必须对分离器进行优化设计。分离器的优化设计集中体现在分离器入口形状，流速，加速段、分离器直径，中心筒的形状与布置等。

　　4工程应用

　　基于前文提出的超低排放原理设计的50MWe超低排放循环流化床锅炉（锅炉1）于2015年4月在山西霍氏自备电厂投入运行。2016年8月国家特种设备检测研究院对该锅炉燃用不同煤种时的性能进行了鉴定试验。该锅炉设计参数见表1。鉴定试验煤种元素分析结果见表2，其中：Qnet为低位发热量；Mar、Vdaf、Aar分别为水分、挥发分、灰分质量分数；Car、Har、Oar、Nar、Sar分别为碳元素、氢元素、氧元素、氮元素、硫元素质量分数。

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