煤在mwh循環(huán)流化床燃燒室中自脫硫性能的試驗研究

煤在mwh循環(huán)流化床燃燒室中自脫硫性能的試驗研究

循環(huán)流放鍋爐（cpb）的一個主要優(yōu)點是在循環(huán)流處理器（cfbc）中添加適當?shù)氖?，以固定燃料中的硫。同時,試驗發(fā)現(xiàn)即使不加入石灰石,SO2排放濃度也小于理論計算的排放濃度。這是因為,一方面,煤中有一部分硫為不可燃硫;另一方面,煤灰中含有一定的堿金屬氧化物,這些物質(zhì)也同石灰石一樣具有一定的固硫能力。煤燃燒生成的SO2來源于煤中可燃的有機硫和無機硫。有機硫主要存在于揮發(fā)分中,無機硫主要存在于煤熱解后的焦炭中。在有氧氣條件下,SO2與CaO的反應可簡化為:CaO+SO2+1/2O2=CaSO4(1)CaΟ+SΟ2+1/2Ο2=CaSΟ4(1)但上式確切的反應途徑還不十分清楚。通常認為在CFB溫度范圍內(nèi),對粒徑較小的CaO顆粒,上述反應是二氧化硫濃度CSO2的一級反應。在還原條件下,存在著SO2的固定和釋放反應。具體反應見有關文獻。投入CFBC內(nèi)的石灰石脫硫,需要SO2擴散到其表面上進行反應。一般認為,反應生成的CaSO4很容易將石灰石顆粒表面覆蓋并堵塞孔隙,因而投入爐內(nèi)的石灰石利用率不高。隨著投入爐內(nèi)的石灰石與燃料的Ca/S比增加,脫硫效率迅速提高,在一定溫度條件下,當Ca/S比為2.2左右時,脫硫效率可達90%,再增大Ca/S比,脫硫效率的增加不太明顯。通常認為投入爐內(nèi)的石灰石脫硫效率主要受如下一些因素影響:石灰石特性;石灰石粒徑;溫度;爐內(nèi)氧化和還原氣氛。目前評價石灰石脫硫性能的方法主要為煤和石灰石在試驗臺上進行試燒,實際的測試數(shù)據(jù)較少。有關CFBC內(nèi)脫硫的模型研究也很多,已有的模型發(fā)現(xiàn),如果不考慮煤的自脫硫效率,模型計算結果同試驗測定結果有較大出入。添加石灰石后的脫硫效率實際包含了煤自脫硫效率的因素,因此,要更客觀地評價石灰石的脫硫效率,需要對煤的自脫硫效率有一個較為深入的認識。1試驗臺的工作原理國家電力公司熱工研究院1MWthCFBC試驗臺結構簡圖見圖1。整個燃燒室采用上部支撐下部懸吊方式。試驗臺燃燒室凈高度為23m,下部橫截面積為0.175m×0.351m,上部橫截面積為0.351m×0.351m。燃燒室受熱面采用7節(jié)“抽屜式”結構,便于拆裝。燃燒室下部布置有水冷壁,上部布置有蛇形管受熱面。通過受熱面的靈活組合,可以調(diào)節(jié)分離器入口溫度,還可調(diào)節(jié)沿燃燒室高度的溫度分布。試驗臺尾部煙道布置有水冷受熱面和一次風空氣預熱器。試驗臺的燃燒啟動采用床下液化氣點火,啟動方便可靠。送風機將試驗所需空氣分為2路,一路作為二次風分三級直接進入燃燒室下部,一路作為一次風通過升壓風機進入尾部煙道內(nèi)的空氣預熱器,預熱后的空氣通過布風板進入燃燒室,一次風和二次風管道上布置有標定過的孔板流量計以控制一、二次風比率和總空氣量。升壓風機后有少量空氣作為回料閥松動風。在布風板上和回料閥處分別布置排渣口和排灰管,通過爐渣和循環(huán)灰的排放可以調(diào)節(jié)爐膛壓力和溫度變化。飛灰通過尾部煙道的二級除塵器分離,也可在尾部煙道內(nèi)取樣。該試驗臺布置有43個溫度測點和21個壓力測點,分離器出口處設有固定的煙氣取樣器,并配備有最新的FISHER-ROSEMOUNTNGA2000系列煙氣分析儀,可實時測定尾部煙氣中的O2、SO2、CO2、CO、N2O、NO、NO2等氣體成分。本試驗臺已經(jīng)進行了10多種煤的工程試燒,主要涉及到燃燒效率測定、脫硫效率測定、污染物排放濃度測定、燃料成灰特性和灰平衡測定等項目。在這些煤種試燒的過程中,國家電力公司熱工研究院CFB鍋爐研究所還注重CFB的機理研究。2氧化碳生成量1MWthCFB試驗臺試燒所用5種煤的元素分析和工業(yè)分析見表1。試驗用煤的主要灰成分見表2。煤的自脫硫效率ηs,self可用如下方法計算:V0SO2=0.007Sar(2)ηs,self=100(1?xSO2Vy/V0SO2)(3)VSΟ20=0.007Sar(2)ηs,self=100(1-xSΟ2Vy/VSΟ20)(3)V0SO2SΟ20是理論計算的二氧化硫生成量,Vy和xSO2是實際測量的煙氣量和SO2濃度。煤固有的CaO與硫含量的摩爾比計算如下:(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)與硫含量的摩爾比計算如下:[(CaO+MgO)/S]coal=(0.571wCaO+0.8wMgO)Aar/Sar(5)[(CaΟ+ΜgΟ)/S]coal=(0.571wCaΟ+0.8wΜgΟ)Aar/Sar(5)不同過量空氣系數(shù)下,燃燒室平均溫度與煤1自脫硫效率的試驗結果見圖2。試驗過程中,一次風份額為0.6。試驗平均結果見表3。排渣和飛灰中CaO和MgO成分見表4。煤1和煤2是同一旋風分離器結構條件下進行的試驗,煤1的飛灰中粒徑為16μm,排渣中粒徑為5.34mm,煤2的飛灰中粒徑為34μm,排渣中粒徑為4.06mm。3煤的自脫硫效率從煤1的自脫硫效率與溫度關系可看出,隨著溫度提高,自脫硫效率逐漸降低。這反映出煤中CaO脫硫機理同石灰石脫硫有類似規(guī)律。燃燒溫度從870℃提高到930℃,煤1的自脫硫效率從25%降到8%。從自脫硫效率的下降幅度可看出,當投入石灰石進行脫硫,隨著溫度提高,脫硫效率降低的一個重要因素是由于煤自脫硫效率降低。至于脫硫效率降低主要來源于煤自身的CaO還是投入的石灰石脫硫效率降低還需要進一步的試驗研究。從5種煤種的平均試驗數(shù)據(jù)可看出,煤的自脫硫規(guī)律與石灰石的脫硫規(guī)律基本一致,燃燒溫度提高,自脫硫效率降低,(CaO+MgO)/S比值增加,自脫硫效率提高。對煤1,即使平均床溫在900℃條件下,煤的自脫硫效率也在12%之上。從排渣和飛灰成分分析可看出,3種煤的飛灰CaO含量相對于煤灰中的含量無較大變化,而排渣中煤1的CaO含量減少近一半,煤2和煤3的CaO含量變化不大。這說明煤1在密相區(qū)的自脫硫過程進行得較為充分,其原因可能為:(1)煤1的CaO在灰中分布較為均勻,有利于CaO與SO2的反應進行。(2)煤1為揮發(fā)分含量極低的無煙煤,SO2主要通過煤熱解后的焦炭燃燒生成,因而灰中的CaO與SO2的反應進行得更為充分。(3)煤1的揮發(fā)分含量很低,造成煤的成灰特性與其它煤種有較大差別。焦炭顆粒的燃燒可看作是顆粒外層不斷剖離的過程,因而煤中CaO能夠及時同SO2發(fā)生反應。從以上分析可進一步認為,在CFBC內(nèi),煤的自脫硫效率和煤的特性有關。4煤自身cao與應發(fā)展性煤的自脫硫過程要客觀評價石灰石的脫硫性能,需要對煤的自脫硫效率有一個正確認識。通常所給定的石灰石Ca/S比還不能較為準確地描述石灰石的脫硫性能,應該加上煤的固有Ca/S和(CaO+MgO)/S。煤自身的CaO與外來石灰石的反應機理應該不存在太大差異,但發(fā)生反應的位置卻有較大差別。因為煤自身的CaO包含在煤灰之中,煤燃燒生成SO2過程也就伴隨著脫硫過程,煤自身的CaO與SO2發(fā)生反應的可能性大于石灰石。在CFBC的脫硫模型中,應該考慮煤的自脫硫對模型的影響。對煤的自脫硫過程可簡化為如下步驟:(1)假定CaO存在于煤熱解后的焦炭顆粒中,且均勻分布;(2)灰顆粒的破碎和磨耗過程是灰顆粒中新的CaO不斷暴露在顆粒表面的過程(如圖3所示)。從以上假定可看出,煤中CaO的脫硫性能是強于外加石灰石,因為一方面,煤的燃燒過程加強了焦炭顆粒的破碎和磨耗;另一方面,SO2擴散到焦炭顆粒表面與自身的CaO反應的概率更大。對破碎特性較差的煤,煤的磨耗使煤中CaO能夠充分地