内容摘要：分析燃烧福建无烟煤CFB锅炉炉内脱硫技术相关的若干问题，如脱硫效率，脱硫对灰渣利用、烟尘排放和脱硝等的影响。指出燃烧福建无烟煤CFB锅炉炉内脱硫存在有最佳钙硫比，开发脱硫灰渣综合利用新技术是推动CFB锅炉炉内脱硫技术应用的关键。

关键词  CFB锅炉;  福建无烟煤;  炉内脱硫

燃烧福建无烟煤CFB锅炉炉内脱硫若干相关问题探讨

过伟丽   何宏舟 邹峥  俞建洪 

集美大学机械工程学院， 厦门     361021

引言

    CFB锅炉被公认是燃烧福建无烟煤的最佳炉型，近年来在我省的应用发展很快，正往大型化方向快速发展，目前已投运有60多台，总蒸发量达 2500 t/h以上。CFB锅炉技术在我省的能源工业与经济建设发展中正扮演着越来越重要的角色。

    通过向炉内添加石灰石， CFB锅炉可方便地实现在燃烧过程中脱硫。这种脱硫工艺具有操作方便、投资及运行费用低，脱硫效果好等特点。据了解，我省新投产的CFB锅炉一般均设计有炉内脱硫技术并配备有电除尘设备。但因种种原因，目前炉内脱硫技术在绝大多数已投运的CFB锅炉中尚未被应用。随着我省走可持续发展道路政策的贯彻落实，环保要求日益严格，燃煤脱硫势在必行。所以，研究影响CFB锅炉炉内脱硫的因素，探讨消除脱硫带来的负面影响，使CFB锅炉的脱硫优势真正得到发挥，对于推广炉内脱硫技术、实现福建无烟煤的洁净燃烧显然具有积极意义。

1.    脱硫效率

    燃烧福建无烟煤的CFB锅炉一般采取了低循环倍率、低流化速度和高炉膛高度、高燃烧温度等设计运行手段，以保证锅炉的燃烧效率。一般燃烧室的实际运行温度在950~1050℃之间，远高于公认的最佳脱硫温度850℃，这使得燃烧福建无烟煤CFB锅炉的炉内脱硫效率不高。工业试验发现[1] ，当钙硫比为2.5左右时，实际脱硫效率（定义为 ）尚不到40％。但由于福建无烟煤自身的含硫量较低  （＜0.5%），即使在没有采用其它脱硫措施的情况下，由于燃烧中灰的自脱硫作用，其排放浓度也并不高（800~ 1500 mg/Nm3）。所以，采用炉内添加石灰石的脱硫技术后，当钙硫比大于2.5时，可以将SO2排放浓度控制在国家规定的400mg/Nm3排放标准以下。

    另外，研究发现[2] ，燃烧福建无烟煤CFB锅炉的炉内脱硫效率随着钙硫摩尔比的增加而增加，其炉内脱硫效率与钙硫摩尔比的关系曲线为下凹型（图1），即当钙硫比较小时，脱硫效率随钙硫比的增加而缓慢增长；只有当钙硫比增加到一定值后，脱硫效率才会随钙硫比的增加而明显提高。这一点有异于大多数燃烧烟煤和褐煤的CFB锅炉（其炉内脱硫效率与钙硫摩尔比的关系曲线为上凸型（图2），即在较小的钙硫比条件下，脱硫效率随钙硫比的增加而迅速增加；当钙硫比增大到一定值时，继续增加钙硫比对提高脱硫效率的贡献不大[3] 。由于脱硫效率不可能随钙硫比的增加而无限增大，因此下凹型曲线必存在有拐点即存在有最佳钙硫摩尔比，使得当钙硫比小于此值时，脱硫效率随钙硫比的增加而快速提高，而钙硫比大于此值时，脱硫效率随钙硫比的增加而缓慢提高。这一点在燃烧西荼无烟煤的江西分宜电厂也得到了证实。由于“福建无烟煤”是一个广义概念，不同福建无烟煤之间的燃烧性质也有较大差别，在实际应用中，最佳钙硫比还应根据具体煤种通过工业试验求取。

2.    灰渣利用

    脱硫会影响CFB锅炉的灰渣利用。一方面，脱硫会增加灰渣的数量。由于每燃烧1 吨煤通常要加入1/3~1/2吨的石灰石进行脱硫，因此与同容量的普通煤粉炉相比，流化床锅炉在脱硫情况下所产生的灰渣要多出30％~40％左右。同时，脱硫还会改变灰渣的性质。CFB锅炉炉内脱硫后产生的灰渣与不脱硫的灰渣相比，所含的物质成分与特性均有较大差异。由于目前各类脱硫技术大多使用钙基脱硫剂，如采用石灰石或直接用生石灰，通过其煅烧产物CaO与SO2的反应生成硫酸钙或亚硫酸钙使煤中的硫得以固化而随灰渣排出，因此脱硫灰渣中的硫酸钙或亚硫酸钙含量比没有脱硫时要高得多；另外，为达到满意的脱硫效率， CFB锅炉设计的钙硫比一般都大于2，因此脱硫后灰渣中都含有一定比例没有反应的游离CaO。表1为厦门海沧新阳热电厂（燃烧福建龙岩无烟煤）炉内脱硫前后灰渣的成份变化情况。由表 1 可见，脱硫灰和渣的钙（CaO）含量远高于没有经过脱硫的灰渣。

    迄今为止，燃烧福建无烟煤CFB锅炉所产生的灰渣由于含碳量较高，仅用于烧砖或作道路回填材料，影响了灰渣的综合利用经济价值。在采用一些降低飞灰碳的技术措施后，可考虑作为建材资源如水泥混合材或混凝土掺合料。但脱硫灰渣的成份变化会带来其作为水泥混合材时的强度和膨胀特性方面的变化。一方面，由于CaO的水化以及由CaSO4参与的水化反应会生成强度较高的Ca(OH)2和一些水泥水化矿物如钙矾石等，添加含有一定数量CaO和CaSO4的流化床脱硫灰渣的水泥（混凝土）具有较强的水硬性能，强度大为提高。但与此同时，由于脱硫反应造成了灰渣中CaO颗粒大多被致密的CaSO4外壳包裹着，CaO的水化所需时间很长，加上CaO水化成Ca(OH)2后体积会大为增加，灰渣会不断膨胀，却也会导致水泥性能不稳定甚至强度被破坏，大大限制了脱硫灰渣在工程上的应用。另外，根据国家标准规定，水泥中SO3的含量不能超过3.5％，而脱硫灰渣中SO3含量较高（大于10％），因此，不经处理的脱硫灰渣也很难作为水泥的混合材使用。目前，开发适合于脱硫灰渣综合利用的新技术已成为推动CFB锅炉炉内脱硫技术应用的关键。

3.    烟尘排放

    我省已投运和建设中的CFB锅炉大多数配置有静电除尘器除尘。由于脱硫改变了烟尘性质，增加了烟尘中飞灰颗粒的比电阻，因此会影响静电除尘器的除尘效果，增加粉尘排放。

    静电除尘器的除尘效率主要取决于烟尘的导电性能，在CFB锅炉120—150℃的排烟温度范围内，烟尘导电性能由其粉尘的表面比电阻决定。而粉尘表面比电阻受粉尘自身化学成分和烟气性质等双重因素的影响：在炉内脱硫的情况下，一方面，飞灰中CaO、CaSO3和 CaSO4的存在将对比电阻产生影响，飞灰比电阻将随烟尘中CaO含量的增加而迅速上升；另一方面，加入石灰石脱硫后使得烟气中SO2的浓度大为降低，也会导致颗粒比电阻增加。据测试[4] ，当燃煤含硫量为1.04%、钙硫比为2.0时，脱硫前后，烟尘中灰颗粒的比电阻将从4.0×1010增加到1.9×1012 。

    一般CFB锅炉静电除尘器设计的最大比电阻为1.5×1013左右，当比电阻大于1012 时，静电除尘器的效率将会下降，导致增加粉尘排放。有试验发现[5] ，对于燃烧高硫煤的CFB锅炉， 当钙硫比为3.2时，添加石灰石脱硫后使得烟尘排放量增加了约10％。因此，对于燃烧福建无烟煤的CFB锅炉，当采用炉内脱硫技术时，在选用静电除尘器时，应考虑比电阻变化对其除尘效果的影响。根据我们对石狮热电厂燃烧福建龙岩无烟煤时脱硫前后除尘效率的测试结果发现：不脱硫时，静电除尘器出口粉尘浓度56.4mg/Nm3，除尘效率为99.75％；当在同样的燃烧工况下进行炉内脱硫时，在 Ca/S=2.5条件下，测得除尘器出口粉尘浓度为80mg/Nm3，除尘效率为99.73％。可见，脱硫前后的除尘效率基本不变，但粉尘浓度大为增加。表2  (表中：1为添加石灰石前的情况，2为添加石灰石后情况)是我们在浙江大学1MWCFB中试炉上进行燃烧兖州烟煤炉内脱硫的试验结果。由表2可见，添加石灰石前后，静电除尘效率均随飞灰粒径的减小而减小，特别是对于粒径在2.5以下的颗粒，减小特别显著；另外，虽然各级除尘效率及总的除尘效率变化很小，但添加石灰石后降低了对于细颗粒的脱除效率，增加了粉尘排放。 

4.    脱硝

    脱硫对脱硝的影响较复杂。一方面，石灰石分解后生成的氧化钙对挥发份中的NH3氧化生成NO和N2O有催化促进作用，加入石灰石脱硫对循环流化床燃烧过程中NOx的生成和排放有一定的负面影响。另一方面，添加石灰石脱硫同时却也会减少N2O的生成。随着钙硫摩尔比增加，虽然NOX的排放浓度增加，但N2O排放浓度却降低。

    福建无烟煤的挥发份和自身含氮量极低，添加石灰石脱硫对锅炉烟气中的NOx 排放浓度影响并不明显。工业试验证实[6] ，在钙硫比较小的工况下，炉内添加石灰石脱硫会使烟气中NOx排放量有少许增加，见图3。

           图 3  添加石灰石脱硫对NOx排放的影响(Ca/S=2.17)

    目前，燃烧福建无烟煤CFB锅炉的NOx的排放很低，一般在100ppm左右。在有炉内脱硫情况下，即使考虑添加石灰石会增加NOx的生成，通过采取其它的一些低氮燃烧措施，NOx 的排放浓度可以控制在国家的排放标准以下。 

5.    结 语

    本文对影响燃烧福建无烟煤CFB锅炉开展炉内脱硫的主要因素包括脱硫效率、脱硫灰渣利用、粉尘排放、脱硝等进行了分析，得到以下结论： 

（1）由于燃烧福建无烟煤CFB锅炉的运行温度较高，其炉内脱硫效率较低，达到一定脱硫效率所需的钙硫摩尔比较高；从脱硫效率随钙硫比的变化规律判断，燃烧福建无烟煤CFB锅炉炉内脱硫存在有最佳钙硫比值。

（2）炉内脱硫会增加CFB锅炉的灰渣数量，改变灰渣成份和性质，影响灰渣的综合利用价值；开发脱硫灰渣综合利用新技术是推动CFB锅炉炉内脱硫技术应用的关键。另外，脱硫会改变烟尘的化学成份和烟气性质，增加烟尘中灰颗粒的比电阻，降低静电除尘器的除尘效率，增加粉尘排放；对于采用炉内脱硫技术的CFB锅炉，应考虑比电阻变化对其除尘效果的影响。

（3）对于燃烧福建无烟煤CFB锅炉而言，脱硫对脱硝的影响不明显。在钙硫比较小情况下，脱硫会使烟气中NOx排放量有所增加，但NOx 的排放浓度仍可控制在国家的排放标准以下。

参考文献

[1] He Hongzhou, Luo Zhongyang, Fang Mengxiang, et al. An industrial experimental research on desulphurization of Fujian anthracite during  combustion in CFB boiler[C]. The 5th International Symposium on Coal Combustion . ISBN: 7-81089-377-7.  2003. P: 325-328

[2] 何宏舟. CFB锅炉洁净燃烧福建无烟煤的理论与试验研究[D]. 浙江大学博士学位论文. 2005.8

[3] Nowak W.  Clean Coal fluidized-bed technology in Poland. Applied Energy[J]. 2003, 74 : 405-413

[4] 吕俊复, 张建胜, 杨海瑞,等. 循环流化床锅炉脱硫对飞灰比电阻的影响[J]. 电站系统工程. 2000(5): 259-261,286

[5] 韩道汶, 徐国荣. 循环流化床锅炉脱硫试验分析[J]. 锅炉技术. 2001. 32(12) : 31-32

[6] 何宏舟,邹峥, 俞建洪,等. 循环流化床锅炉燃烧福建无烟煤炉内脱硫对锅炉热效率及烟气中NOx排放的影响. 电站系统工程.2003, 19(5):4-8 

文章作者：过伟丽 何宏舟 邹峥 俞建洪 集美大学机械工程学院， 厦门 361021