循环流化床锅炉环保特性的认识与分析论文

循环流化床锅炉环保特性的认识与分析摘 要本文主要介绍了循环流化床锅炉的环保特性、排放标准、脱硫效率及影响因素,并列举了几台典型CFB锅炉的实际运行参数及排放指标,对正确认识循环流化床锅炉的环保特性和排放要求具有参考意义。Abstract Introduce the Environmentperformance of CFB , Emission Standard, Desulfurization Efficiency and Influence, Typical CFB Operation Experience, For Correctly Judgment Environment Performance of CFB关键词循环流化床锅炉 排放标准 脱硫效率Key WordsCFB, Emission Standard, Desulfurization Efficiency 1. 循环流化床锅炉环保特性的一般认识循环流化床CFB燃烧技术是近年发展起来的一种新型的清洁燃烧技术,在国、外得到了广泛应用和大力发展。一方面循环流化床锅炉燃料适应性广,可燃用一般动力煤,也可燃用煤洗选下来的煤矸石、洗中煤和煤泥等,还可以燃用石油焦和造气炉渣等劣质燃料；另一方面循环流化床锅炉燃烧效率高、炉高效脱硫、NOx排放低等环保特性；同时循环流化床锅炉还具有负荷调节围大,低负荷稳燃性好,灰渣易于综合利用等优点。因此循环流化床燃烧技术是目前我国燃煤技术领域最适用和最现实的高效低污染燃烧技术。 但随着循环流化床锅炉的快速发展和广泛应用,以及环保要求的进一步提高,广大用户对循环流化床锅炉产品性能的要求也进一步提高,特别是对其环保特性主要是排放指标要求更高。针对循环流化床CFB锅炉的环保特性,当前有许多不同看法,甚至有比较极端的观点。一种看法认为:CFB锅炉炉石灰石干法脱硫,其脱硫效率较低8085%,且不可能高于90%；现投运的CFB锅炉,还不能完全满足NOx的排放要求,需要增加脱硝装置NCR；不同看法则认为：循环流化床锅炉运行是炉石灰石脱硫的最佳温度,合理的Ca/S条件下,其脱硫效率可以大于90%；低燃烧温度和分级送风,从形成机理上限制了NOx的生成,NOx排放很低,CFB无疑是一种清洁燃烧技术。本文就环保和脱硫指标的理解、循环流化床CFB锅炉清洁燃烧的理论依据,以及典型CFB锅炉运行实例分析,便于对CFB锅炉的环保特性做出正确评价。2. 燃煤分类与环保标准2.1. 燃煤分类 我国动力用煤主要有无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤等,由于它们的成分和特性不同,在燃烧中的反应也显著不同。根据煤中硫含量的多少,煤又分为低硫煤、中硫煤、高硫煤三类：表1 发电用煤国家分类标准VAMST分类指标煤种名称等级代号分级界限鉴定方法全硫Sd.t低硫煤1级S11%煤中全硫的测定方法GB214-77中硫煤2级S21%2.8%同上高硫煤3级S32.8%同上折算硫份St.zs*低硫煤1级S10.2%煤中全硫的测定方法GB214-77中硫煤2级S20.20.55%同上高硫煤3级S30.55%同上*注：折算硫份St.zs = 4168Sd.t/Qnet.ar,物理意义为每1000大卡热量中硫含量。 实际燃煤中,硫含量Sd.t相同的煤,其热值可能变化较大,同等级的的电厂,锅炉热输入是基本相同的,因此在考虑锅炉排放和添加石灰石脱硫时,应以煤中的折算硫分St.zs来分析和判断,这比单纯用硫含量Sd.t大小更为科学。2.2. 排放标准随着国民经济的发展和能源需求的不断增长,我国酸雨和二氧化硫污染防治面临巨大压力。20XX我国二氧化硫排放量达2220万吨左右,比去年增加290万吨,超过环境容量的81%；酸雨覆盖国土面积已达1/3左右,部分地区酸雨污染呈恶化趋势,必须严格限制二氧化硫的排放。原有GB13223-1996 标准中二氧化硫最高允许排放量限值过于宽松。S含量1%, SO2 2100mg/Nm3；S含量1%, SO21200mg/Nm3。该标准与欧盟、美国、英国等发达国家相比有较大差距,与一些发展中国家比也有一定差距,因此在GB13223-1996 标准基础上重新制定了更加严格的污染物排放标准,即GB13223-2003标准。下表为国外火电厂污染物排放标准。表2 国外火电厂二氧化硫排放浓度单位：mg/m3标准国标地标GB 2003标准GB 96标准欧盟菲律宾英国美国印尼朝鲜在用电厂12002100仅规定全厂排放量400200010904002000148015001430新建电厂400120012002100200850760400740750770表3 国外火电厂NOx排放浓度单位：mg/m3标准比较国标地标GB 2003标准GB 96标准欧盟菲律宾美国印尼朝鲜在用电厂6501500650130010908601700720新建电厂45011006501000*2004001090617737850720720从上述各国对污染物的排放标准可以看出,对污染物都是控制其排放浓度,对锅炉的脱硫效率都没有作出相应的规定,脱硫效率不具有唯一可比性。因此评判电厂污染物的排放是否达到要求,应该看其污染物排放浓度是否满足国家或当地标准。3. 脱硫及影响因素3.1. 脱硫原理循环流化床CFB锅炉炉石灰石干法脱硫,即是将喷入炉膛的CaCO3高温煅烧分解成CaO,与烟气中的SO2发生反应,生成硫酸钙,从而达到脱硫的目的。石灰石脱硫过程主要分以下三个步骤来完成：（1） 石灰石的煅烧分解（2）CaCO3= CaO + CO2 - 178 kj/mol2 硫的析出和氧化S + O2 = SO2 SO2+ 1/2 O2 = SO3燃料煤中的硫可以分为有机硫、黄铁矿硫两大部分,也含有少量硫酸盐硫。有关实验表明,煤在被加热并被燃烧的过程中,SO2的析出呈现出明显的阶段性。对SO2析出影响最大的因数是床温和过剩空气系数。实验表明：SO2析出率随着床温的升高而单调增加：过剩空气系数越大,区域氧浓度越高,SO2析出也越多。因此,单从提高SO2的析出率而言,燃烧温度越高,过剩空气系数越大,则脱硫效率就越高。3 硫酸盐的生成CaO + SO2+ 1/2 O2 = CaSO4+ 500kj/mol实验研究表明：燃烧温若小于800时,脱硫反应的速率很低,从而引起床料中石灰石捕获SO2的效果降低,难以达到有效脱硫；相反,当燃烧温度过高920时,虽然反应速率很高,但脱硫效率反而会下降,原因是：温度过高,会引起石灰石颗粒的表面孔隙过早堵塞,而孔物质未得到充分利用；同时,温度过高时,颗粒表面会产生局部低氧和还原气氛,使已经生成的CaSO4,重新分解为CaO并释放出SO2,从而降低脱硫剂的利用率。 因此就脱硫效果而言,存在一最佳脱硫温度。尽管这一最佳温度还受到脱硫剂品种、粒径、煅烧条件等诸多条件的限制,但目前比较公认的最佳反应温度为850900之间。3.2. 影响脱硫的两个主要因素床温、Ca/S摩尔比对脱硫均有较明显的影响,Ca/S摩尔比增加,脱硫效率增加,运行床温在870以下脱硫效果较好。运行床温在860870围,Ca/S摩尔比在1.5左右即可达到70%的脱硫效率,Ca/S摩尔比在2.2左右时,脱硫效率则可达到85%以上；但运行床温在900以上,要达到同样的脱硫效率,Ca/S摩尔比则要达到2.0以上。图1 床温、Ca/S摩尔比与脱硫效率的关系曲线3.3. 影响S02排放指标的因数3.3.1. Ca/S比对S02排放指标的影响Ca/S摩尔比是影响锅炉脱硫效率和S02排放的首要因素。在不投石灰石的情况下,S02排放与燃煤的含硫量成正比,燃烧时燃料硫约有30%残留于灰渣中,70以气体形式逸放出来。此时S02排放浓度大致取决于燃煤中无机硫的析出程度和燃煤本身的自脱硫性能。工业循环流化床锅炉的运行实践表明：随着添加石灰石量的增加,脱硫效率逐渐提高,在Ca/S摩尔比小于2.5的围,脱硫效率随Ca/S摩尔比的增加提高很快；当继续增大Ca/S摩尔比时,脱硫效率增加速度明显减慢。而且,过高的Ca/S摩尔比还会带来一些副作用,如灰渣物理热损失增大、NOx排放提高。CFB锅炉实验和工业实践表明：为保证脱硫效率90,较经济的Ca/S摩尔比为1.82.2。3.3.2. Ca/S比对成本的影响对确定的媒质,当Ca/S摩尔比增加时,脱硫效率就会提高,但Ca/S摩尔比的增加会带来成本的增加,主要包括： 1 随着Ca/S摩尔比增大,石灰石系统容量增大,带来工程项目基建投资的增加； 2 随着Ca/S摩尔比增大,为保证脱硫效果,添加的石灰石量将增加,带来运行成本的增加。3.3.3. 煤质特性对S02排放指标的影响 S02的排放指标直接受到燃煤中含硫量的影响。燃煤中含硫量越高,S02排放的绝对值就越大,为了降低S02排放量,首先希望燃用低硫煤；当设计煤种确定以后,则必须通过提高脱硫效率来降低S02的排放量。在机组正常运行过程中,可以通过检测S02排放指标的变化,调节加入脱硫剂的量来控制S02排放指标。不同的煤种有不同的元素成分,含硫量、含氮量、发热量以及不同的灰中Ca0量,从而使脱硫性能和效率发生变化。3.3.4. 石灰石品质对S02排放指标的影响 石灰石品质对S02排放指标的影响十分敏感。不同品种的石灰石反应性能差异很大,具有不同的CaC03含量、晶体结构和孔隙特性,从而影响脱硫性能；一般应对石灰石做热重分析TGA,测定其反应率指标,从而准确推算的钙硫比Ca/S,工程设计中选择脱硫剂品种时除考虑其化学成分外,更重要的是反应率指标。 3.3.5. 石灰石入炉粒度对S02排放指标的影响 脱硫剂的粒径分布对脱硫效率有较大影响。采用较小的脱硫剂粒度时,循环流化床锅炉的脱硫效果较好。一方面,脱硫剂粒度越小,对NOx的刺激作用越小,脱硫温度也可以相对稍高,燃烧更完全,脱硫效率也相对提高。循环流化床锅炉石灰石粒径一般采用02mm,平均为100500m；另一方面,减小石灰石颗粒的尺寸能增加其表面积,从而提高反应面积。但脱硫剂的粒度也不是越小越好,如果脱硫剂的粒度太小,则会增加其以飞灰形式的逃逸量,增加静电除尘器的负担,反而引起脱硫效率的下降,一般脱硫剂的平均粒径不宜小于100m。最佳的脱硫剂粒度与CFB锅炉设计参数有关,CFB锅炉制造厂商一般会根据自己的技术特点,推荐最适合的脱硫剂粒度要求。3.3.6. 燃烧温度对S02排放指标的影响燃烧温度的影响主要在于改变了脱硫剂的反应速度、固体产物分布及孔隙堵塞特性,从而影响脱硫效率和脱硫剂的利用率。理想的反应温度是850900,当温度超过950时,反应就几乎不发生了,根据床温度变化和脱硫率的关系曲线图1：在最佳状态下,脱硫效率可超过90%,一旦超出最佳温度围,就必须大量增投石灰石,才能保证S02排放值在允许或保证的围之。4. CFB锅炉运行实例4.1. 江高坝电厂江高坝电厂100MW CFB锅炉为九十年代引进芬兰奥斯龙公司产品,是全国的CFB示工程,燃用川南高硫无烟煤,长期投石灰石脱硫。4.1.1. 燃料特性锅炉燃用无烟煤,煤质资料如下：名称符号单位设计南川煤种校核芙蓉无烟煤收到基碳Car%59.5951.3收到基氢Har%2.932.18收到基氧Oar%2.491.32收到基氮Nar%0.711.06全硫Sd.t%3.122.80收到基灰分Aar%22.1632.14全水分Mt%9.09.0可燃基挥发分Vdaf%10.567.67固定碳FC%58.2851.19低位发热量Qnet.arkJ/kg2256019290折算硫份St.zs%0.580.614.1.2. 石灰石特性种 类与测试的石灰石一样质量中活性CaCO3最小 94MgCO3最大 1.8%惰性最大 3.2水份最大 1反应磨损系数3.4%能力指数最小 904.1.3. 环保指标标准项目高坝发电厂实际排放中芬合同规定排放省标准DB51-93国家标准GBl3223-1996其它非循环流床锅炉排放S02mgNm368470012006078.7Kgh2601200N0xmgNm3782006501404.85Kgh29.670C0mgNm3211250Kgh80.2110004.1.4. 锅炉实际排放测试结果序号项目单位工况1工况2工况3工况4工况5工况61石灰石量kg/s2.492.512.492.642.422.452钙硫摩尔比2.4942.5222.4942.7052.3962.4383床温9108918808708888794床压kPa4.184.133.954.234.274.295炉膛出口氧量%2.963.033.873.933.373.286排烟氧量%3.214.355.085.134.654.577煤低位发热值Kj/kg2085920859208592085920859208598含硫量%1.821.821.821.821.821.829理论SO2排放值mg/Nm346344342415741444268428710实测SO2排放值mg/Nm3778.4526.8594.3423.9292.4214.811SO2排放值6%O2mg/Nm3656.3474.7559.9400.6268.2196.112脱硫效率%85.889.186.590.393.795.413实测NOx排放值mg/Nm345.6266.76 56.97 56.5478.7970.4114NOx排放值6%O2mg/Nm338.4760.1653.67 53.54 72.2764.274.2. 江白马电厂江白马电厂300MW CFB为国家九五批准建设的国最大容量循环流化床示电站,锅炉引进法国ALSTOM公司技术,燃用川南高硫无烟煤,20XX4月通过168h考核运行。4.2.1. 主要设计参数名 称单位数值主蒸汽最大流量t/h1025过热蒸汽出口温度540过热蒸汽出口压力MPa17.5再热蒸汽流量t/h844再热蒸汽进/出口压力MPa3.88/3.70再热蒸汽进/出口温度330/540给水温度2814.2.2. 燃料特性锅炉燃用高硫无烟煤,煤质资料如下：名称符号单位设计煤种校核煤种收到基碳Car%48.7245.09收到基氢Har%2.091.94收到基氧Oar%2.772.03收到基氮Nar%0.560.48收到基硫Sar%2.92.95收到基灰分Aar%35.2738.01全水分Mt%7.699.50可燃基挥发分Vdaf%8.558.6收到基低位发热量Qnet.arkJ/kg1849517040折算硫份St.zs%0.660.724.2.3. 锅炉主要运行参数电负荷MW301汽包压力MPa16.95锅炉蒸发量t/h986给煤总量t/h176主汽温度530总风量Nm3/h864794主汽压力MPa15.6一次风温度310再热蒸汽温度535二次风温度323再热蒸汽压力MPa3.2风室压力kPa19.6/22.1给水温度237平均床温901给水流量t/h842排烟温度减温水流量t/h排渣温度1424.2.4. 锅炉烟气排放测试结果含硫量Sar%2.9飞灰浓度g/Nm3/Ca/S摩尔比2.3排烟O2含量%5.2理论SO2含量mg/m38649排烟CO含量O2=6%mg/Nm3229排烟SO2含量O2=6%mg/Nm3510排烟H2含量ppm/脱硫效率%94%排烟NOx含量O2=6%mg/Nm354白马电厂还做过试验,随着石灰石的投入量增减,SO2排放可以自如控制,最低可到100 mg/Nm3以下。4.3. 电厂电厂安装100MW、150MW CFB锅炉各一台,均为东方锅炉设计制造。其中100MW高压 CFB锅炉采用引进美国FW公司技术设计,150MW超高压中间再热 CFB锅炉为东方锅炉自主开发设计。电厂地处市区,环保要求严格,当地环保控制指标为1200 mg/Nm3,电厂长期投入石灰石脱硫,两台锅炉均能长期达标运行。4.3.1. 燃料特性锅炉燃用高硫贫煤,煤质资料如下：名称符号单位设计煤种校核煤种运行煤种收到基碳Car%50.3649.5842.61收到基氢Har%2.392.442.74收到基氧Oar%1.612.33.04收到基氮Nar%0.640.710.80收到基硫Sar%2.92.953.78收到基灰分Aar%33.233.2238.44全水分Mt%8.99.07.01可燃基挥发分Vdaf%15.231111.14收到基低位发热量Qnet.arkJ/kg190191890017229折算硫份St.zs%0.640.650.924.3.2. 石灰石特性名称符号单位数值碳酸钙CaCO3%90.45碳酸镁MgCO3%4.06水H2O%0.15其它%5.34最大粒径dmax=1.5mm；d50=0.450mm4.3.3. 锅炉烟气排放计算结果含硫量Sar%3.78飞灰浓度g/Nm3110.7Ca/S摩尔比2.48排烟O2含量%4.91理论SO2含量mg/m312102排烟CO2含量%/排烟SO2含量O2=6%mg/Nm3680排烟CO含量O2=6%mg/Nm346脱硫效率最高值%94.5排烟NOx含量O2=6%mg/Nm316.64.3.4. 烟气排放实时检测曲线下面两条曲线为电厂100MW机组4月29日到5月1日、5月9日到5月11日中不同时段取连续8小时锅炉排放指标实时检测结果。从该曲线可以看出,锅炉可在SO2排放在1200 mg/Nm3以下连续稳定运行,最低SO2排放可以小于700 mg/Nm3,此时脱硫效率达到了94.5%,充分证明了CFB炉石灰石干法脱硫,完全可以达到高的脱硫效率,低的SO2排放,满足严格的环保指标要求。实时DCS画面同样说明了,通过添加石灰石,CFB锅炉完全能达到90%以上的脱硫效率,排放指标达到环保要求。4.4. 大屯能源股份发电厂2135MW机组CFB锅炉4.4.1. 燃料特性锅炉燃用劣质烟煤矸石,煤质资料如下：名称符号单位设计煤种校核煤种收到基碳Car%47.0843.66收到基氢Har%3.162.97收到基氧Oar%7.374.60收到基氮Nar%0.880.75全硫Sd.t%0.750.84收到基灰分Aar%34.6541.78全水分Mt%6.115.4可燃基挥发分Vdaf%40.5643.03低位发热量Qnet.arkJ/kg1878016480折算硫份St.zs%0.170.214.4.2. 锅炉性能试验结果保证项目单位设计/保证值试验值锅炉最大出力t/h440468主蒸汽温度538534主蒸汽压力MPa13.813.27锅炉热效率%91.0391.14锅炉最低稳燃负荷%BMCR3030锅炉升负荷变化率MW/min4.54.57锅炉降负荷变化率MW/min55.31设计一次风侧阻力kPa17.710%18.73设计二次风侧阻力kPa10.2710%11.04设计烟侧阻力kPa3.9110%3.68过热器阻力MPa1.30.819再热器阻力MPa0.160.127预热器漏风系数0.030.043/0.036SO2排放6%O2mg/m3400296.76NOx排放6%O2mg/m325051.54.4.3. 锅炉烟气排放测试结果含硫量Sar0.75飞灰浓度g/Nm322.59Ca/S摩尔比2.2排烟O2含量%4.43理论SO2含量mg/m32203排烟CO2含量%14.62排烟SO2含量O2=6%mg/Nm3296.76排烟CO含量O2=6%mg/Nm392.97脱硫效率%84.28排烟NOx含量O2=6%mg/Nm351.51由于大屯煤折算硫份0.2%,属低硫煤,脱硫效率仅84%时,SO2排放指标仅为296.76 mg/Nm3,远低于我国最严格的400 mg/Nm3指标要求,实际运行中也就没有必要追求更高的脱硫效率。5. 循环流化床锅炉排放现状及分析上述几个工程既有引进的美国FW技术、法国ALSTOM技术,也有自行开发的CFB技术,燃料有高硫煤也有低硫煤,有无烟煤也有烟煤。根据更大围的调查,目前CFB锅炉实际运行的环保特性体现在以下几方面：5.1. 循环流化床锅炉通过添加石灰石能保证二氧化硫SO2达标排放,但添加石灰石影响到电厂的经济性,电厂一般不积极主动脱硫。5.2. 现在国许多CFB锅炉没有做到二氧化硫长期、连续达标排放,主要是缺少经济利益驱力、同时环保执法力度不够。5.3. 二氧化硫 排放应按浓度和总量控制,既体现了环保标准要求的精神,又具有科学可比性。脱硫效率因与折算硫份密切相关,应仅作为参考指标。5.4. CFB技术控制污染物排放的难度不在于控制二氧化硫排放的绝对水平,而在于所要求的钙硫比Ca/S前提下达到很高的脱硫效率,降低Ca/S是不同CFB流派技术先进性的体现。5.5. 氮氧化物排放远优于国家最新的环保指标450mg/Nm3,一般都在100 mg/Nm3以下,运行中也不需要任何额外系统和消耗性器材,不需增加任何成本。因此可以下结论：全国的CFB锅炉氮氧化物都长期稳定地达到了国家环保要求。5.6. 高硫燃料折算硫份St.zs0.2%脱硫效率可以达到9395%,甚至更高,也只有这样高的脱硫效率才能满足环保浓度指标的要求；低硫燃料折算硫份St.zs0.2%脱硫效率一般80%就可达到环保排放指标要求,没有追求90%以上脱硫效率的技术和经济必要。5.7. CFB锅炉的一氧化碳CO排放一般在约100 mg/Nm3,高于煤粉锅炉,还有极少量N2O排放,但考虑到CO和N2O化学结构不太稳定,在大气中将较快氧化为CO2和NO,我国环保标准对CO排放无明确要求,N2O低到几乎测不出,所以CFB锅炉清洁燃烧特性不可否认。6. 结论6.1. 根据不同的燃料特性,只要满足SO2排放浓度指标要求,脱硫效率在7095%间大幅变化都是合理、科学的。6.2. CFB完全能满足最严格的NOx排放要求,没有必要再考虑烟气脱销措施。6.3. CFB锅炉的运行实践反复验证的结论是：CFB技术完全能达到燃用不同的燃料,二氧化硫、氮氧化物同时长期连续达标排放。6.4. CFB技术是一种高效、经济的清洁燃烧技术,并具有燃料适应性广,调节特性好的优点,在燃用高硫、低热值、矸石等劣质燃料时有明显的竞争优势,应大力推广应用。参考资料1 江发电总厂,引进410t/h循环流化床运行特性试验研究,2000。2 夏华澄,火电厂大气污染物排放标准编制课题报告,2002。3 热工院,大屯矸石电厂135MW机组CFB锅炉性能测试报告,2005。15 / 15