内容摘要：本文结合我省实际，强调燃烧Ⅱ类无烟煤的循环流化床锅炉开展炉内脱硫的重要意义；阐述了以石灰石为脱硫剂的脱硫机理；通过计算论证了这种脱硫工艺对锅炉热效率的影响；并就脱硫剂的选用及其加入炉膛的位置提出看法。

关键词：循环流化床锅炉  脱硫  石灰石

1  前言

循环流化床锅炉是八十年代初由德国、芬兰等西欧国家首先开发研制成功的，其初衷是为了有效地控制燃煤而引起的有害气体NOX、SO2的排放量。他们通过炉内添加石灰石等脱硫剂，并采用分段燃烧等技术措施实现了这一目标。现在这一炉型已被世界各国公认为洁净燃烧设备。循环流化床锅炉在我国研制的出发点却不是基于环境保护，而是因为该炉型具有对煤种的广泛适应性，可燃烧各种劣质煤，包括我省挥发分小于5％很难着火的Ⅱ类无烟煤，其燃烬率也很高。我省目前正在运行及在建的30多台循环流化床锅炉均还没有实施或考虑炉内脱硫方案，这与当前国内外强调的能源与环境要协调发展不一致。其原因主要是对循环流化床锅炉本身的运行特性及操作还未掌握自如，人们还顾不上考虑炉内脱硫工艺，此外也有的工厂认为我省无烟煤的含硫量较低，尽管环保部门执行了严格的SO2排放收费制度，但这对于一台75t／h的循环流化床锅炉年均花费不到五万元，若实施炉内脱硫工艺，担心费用可能更高，并且影响炉子的可靠运行，因此多数厂家至今仍按兵不动。但是，必须指出，自从国家环保局对SO2排放实施总量控制后，规定我省到2000年SO2年排放总量必须低于30万吨，而1998年的SO2排放总量就已达26万吨，目前还有若干大型电厂及燃煤或燃重油的工业锅炉在建，SO2排放势头将继续强劲上升，因此人们应当利用循环流化床锅炉原本就具有廉价高效的脱硫优势，把炉内脱硫问题提到议事日程上来，为降低我省SO2排放总量做出贡献。

下面以一台满负荷运行的75t／h循环流化床锅炉，计算其燃用本省Ⅱ类无烟煤时一年将要排放的SO2的重量。

一台75t／h(3．9Mpa，450℃)的循环流化床锅炉每小时的耗煤量约12吨／时(取锅炉热效率为90％，燃料发热量为22410KJ／kg)，则煤中含硫量约为(应用基硫取0．75％)：

G=12 ×103×0．75％=90千克／时

通常煤中的硫在炉内绝大部分被氧化为SO2，只有极少量(约0．5～2％)被氧化为SO3，本计算不考虑后者，故其化学反应式如下：

S+O2→SO2

由上式计算每小时可产生180千克的SO2，按一天24小时，一年300天计算，则一台75t／h的循环流化床锅炉SO2年排放量Ga为：

Ga=0．18 ×24×300=1296吨／年

我省20t／h～75t／h的循环流化床锅炉约30多台(未考虑今后的增加量)，若燃用本省Ⅱ类无烟煤(含硫量均在0．3％—0．9％)，按上述方法可大略估算这批炉子的SO2年排放总量大约在2．5万吨左右，这是一个很可观的数字，若能对这批炉子实施炉内脱硫工艺，必将对我省SO2排放总量的控制作出贡献。

2  循环流化床锅炉炉内脱硫机理：

循环流化床锅炉炉内脱硫通常采用添加廉价的经破碎的天然石灰石的办法。天然石灰石是一种致密的不规则结构，主要成份是CaCO3，其颗粒中孔隙容积为0．006～0．025mm3／Kg，比表面积为l—3×103m2／Kg，这两个指标都很小，但是石灰石经过煅烧，颗粒中CO2析出，CaCO3颗粒就变成多孔的CaO颗粒，孔隙容积比原来约扩大15—30倍，比表面积也比原来提高约10倍。CaO颗粒中由于大量气孔的存在，以及表面积的大大增加，一方面有利于贮集反应产物，另一方面可以使反应气体穿透至颗粒内部进行反应，因此大大加速了CaO与SO2反应生成CaSO4的机会，于是原煤中的硫分就被固化为硫酸钙进入灰渣中，最后排出床层。因此，循环流化锅炉炉内添加石灰石脱硫主要经历石灰石煅烧分解和CaO的硫酸盐化两个过程，其反应方程式可写为：

CaCO3→CaO+CO2↑—183KJ／MolCaCO3

SO2十CaO+1/2O2+CaSO4

从上述反应式可知，石灰石的分解是一个吸热反应，其分解温度约为850—900℃，这正是国内循环流化床锅炉正常运行的温度，而且硫酸盐化过程是在富氧条件下进行，正在运行的循环流化床锅炉炉膛就具备了这种条件。由此可见，循环流化床锅炉为炉内添加石灰石脱硫提供了极有利的外部条件。

从上述反应式还可以看出，如果CaO与SO2能完全反应的话，那么钙硫摩尔比(Ca／S)为1就可以完全把SO2吸收并就变成固体产物CaSO4固定下来。然而实际却非如此，有一部分的石灰石粉末或由其分解成的CaO粉末与SO2起作用就被烟气带出炉膛；还有一部分已分解的CaO颗粒在与SO2起反应后，所生成的产物CaSO4堵塞住CaO颗粒上存在的细孔，阻碍了SO2进入到CaO颗粒内部反应，使这些CaO颗粒还没有100％地与SO2起作用就被排出炉膛，故Ca／S必大于l。一般Ca／S的值为2—2．5时，才能有85％—90％的脱硫率．

3  关于实施炉内脱硫的几个问题：

3．1  脱硫剂的选用：

一般的循环流化床锅炉均选用廉价的石灰石(CaCO3)，也有选用白云石(Ca CO3·Mg CO3)作为脱硫剂，但是白云石中分解的MgO与SO2反应速度很低，一般情况下可认为是惰性的，仍然是靠其中的CaO与SO2起反应，故在同样重量下，采用石灰石比白云石取得的脱硫效果更好。如果在某个地区刚好有廉价的石灰(CaO)下脚料，也可直接选用。

采用天然石灰石作脱硫剂还必须进行破碎，最终使石灰石的颗粒小于2mm，其中，较粗的颗粒(0．5—2mm)与原煤同时经绞龙输入，而＜0．5mm的石灰石则用气力输送方式在密相区底部靠布风板处输入，以尽量延长细颗粒在炉内的停留时间。

3．2  炉内脱硫对锅炉热效率的影响：

脱硫剂石灰石在炉膛内分解是一个吸热过程，其反应式为：

Ca CO3→CaO十CO2—183KJ／MolCaCO3

即分解1Mol(0.1Kg)的石灰石需要从炉膛吸热183KJ。

福建无烟煤含硫量较低，较具代表性的含硫量为0．75％，发热量Q=22410KJ／Kg，当Ca／S=2时可以计算出炉内脱硫对锅炉热效率的影响。

由Ca／S=2计算1Kg煤需要添加的石灰石的质量。由于1Kg煤中含有0．75%的硫，即含有7．5／32摩尔的硫，则钙的摩尔数为2 ×7．5／32摩尔。因此，可以计算出对1Kg煤因炉内脱硫所损失的热量：

CaCO3→CaO+CO2—183KJ／MolCaCO3

1Mol             183KJ

7．5／16M01    183 ×7．5／16=85．78KJ

则因石灰在炉内分解吸热所引起的锅炉热效率的降低值为：

△η= —85．78／22410= —0．38％

此外，石灰石在炉膛内从常温被加热到分解温度(850—900℃)还需要吸收一部分的物理热，但是石灰石的比热容随着温度的升高降低得很快，因此这部分物理热引起的热效率的降低很微小。同时，CaO与SO2反应的硫酸盐化过程是一个放热反应，其反应方程式如下：

SO2+CaO+1／2O2→CaSO4=15141KJ／KgS

即将1Kg的硫固定为硫酸钙会向炉膛放出15141KJ的热量。

若取脱硫效率为90％，由反应方程式可以计算出1Kg煤(其中含有7．5g的硫)因炉内脱硫时硫酸盐化所发出的热量为7．5×90％×15．141=102．2KJ，则因此而使锅炉热效率提高的数值为：

△η’=102．2／22410=0．46％

则由上述计算的综合结果可知，炉膛内添加石灰石脱硫对锅炉效率不仅没有影响，甚至可能略有提高。当然，若采用石灰石下脚料作脱硫剂则不存在石灰石分解热损失，硫酸盐化的放热过程反而有利于热效率的提高。

3．3  关于在返料系统中注入脱硫剂的方案：

我省现运行的循环流化床锅炉，由于采用的福建无烟煤的灰熔点过低(约1100℃)，而为了充分燃尽，运行人员多选择较高的炉膛出口温度，有的甚至达950℃。因而存在着循环物料在高温旋风筒或返料系统管道中结渣堵塞事故。这长期威胁着循环流化床锅炉的安全可靠运行。若把脱硫剂中的相对粗的部分(如>0．5mm的颗粒)从容易结焦的部位加入，因石灰石分解时要吸收热量，再加上常温石灰石被加热还吸收的物理热，则可大大降低管道中物料的温度，从而改善返料系统结焦堵塞现象的产生，有利于循环流化床锅炉的安全可靠运行。

4  结论：

4．1  循环流化床锅炉的炉内运行工况及气固两相流动特点非常适合实现炉内脱硫工艺，而且采用天然石灰石作为脱硫剂，经济实惠，脱硫效果好，将为我省的SO2排放总量控制作出贡献，带来良好的环境效益。

4．2  由综合计算的结果可知，循环流化床锅炉采用炉内添加石灰石的脱硫工艺对锅炉热效率没有影响；如有廉价的下脚料石灰(CaO)可利用，则锅炉热效率还可略有提高。

4．3  在考虑脱硫剂加入位置时，可分两种情况：对于原煤的灰熔点较高，运行中不存在因超温结渣而引起停炉事故，可以在炉内密相区加入；对于原煤的灰熔点较低，常发生返料系统结焦堵塞事故，建议把较粗的脱硫剂(0．5—2．0mm)从返料系统管道内加入。较细的脱硫剂(<0．5mm)仍从炉膛的密相区靠近布风板处输入。

参考文献：

1、岑可法等，循环流化床锅炉设计与运行，  中国电力出版社，1998年

2、蒋昌盛，燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉之设计问题，  第一届洁净煤技术国际研讨会论文集，煤炭工业出版社，1997年 

文章作者：俞建洪    邹峥（集美大学 362021）