（热能工程专业论文）循环流化床锅炉混烧石油焦与煤脱硫特性试验研究.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着国民经济的迅猛发展，石油的开采和利用也急速增加。石油焦作为石油炼制过程的附属产 品，其产量也逐年增加。由于其着火、燃烧都比较困难，成分里含有相当多的硫、氮元素和钒、镍 等碱金属元素，是造成污染、沾污等的主要原因，故石油焦是一种劣质燃料。基于燃烧和污染物排 放两方面考虑，利用循环流化床技术对石油焦与煤进行混烧是一种高效、清洁利用石油焦的有效方 法。 石油焦与煤在循环流化床锅炉中混合燃烧脱硫特性研究大部分都处于实验室研究中，在商业运 行锅炉上较为系统的试验研究很少。旨在为商业运行循环流化床锅炉混烧石油焦与煤提供指导及优 化方案，本论文首次在金陵石化2 2 0 t h 商业运行循环流化床锅炉上进行了石油焦与煤混合燃烧脱硫 性能试验研究。研究内容包括燃烧过程中，床温、c a s 摩尔比、石油焦煤热量比等参数对烟气中s 0 。 排放浓度的影响规律；脱硫过程中n o 和c o 的排放特性；不同运行工况下飞灰和炉渣特性。研究表明， 床温是影响脱硫的一个重要因素。在本试验温度范围内，随着床温升高，脱硫效率下降很快。在床 温为8 5 3 0c m t ，脱硫效果达到最佳。随着c a s 摩尔比增加，s o ：排放浓度降低。对于石油焦与煤的 混合燃料，c a s 摩尔比选2 5 左右比较合适。石油焦煤热量比对脱硫效果没有明显的影响。c o 排放 浓度随床温升高而降低。c 0 平均排放浓度为1 5 6 m g m 3 。床温是影响n o 排放的重要参数。随着床温升 高，n 0 排放浓度升高。随着c a s 摩尔比增加，n o 排放浓度降低。飞灰中c a o 含量和碳含量较高，而且 随着石油焦煤热量比的增加，含碳量有增加的趋势。炉渣中c a 0 含量和碳含量都较低。飞灰的累积 比表面积和累积比孔容积都比炉渣大。 影响循环流化床锅炉脱硫效率的主要因素有运行参数、设计参数和脱硫剂特性等。本试验脱硫 效率相对较低，故从脱硫剂特性方面，对石灰石进行了化学成分分析，并利用氮吸附解吸附对石灰 石煅烧后产物的微观结构及孔径分布进行了测量，利用s e m 观察了石灰石煅烧后产物的表观形貌。 结果表明该锅炉脱硫试验用石灰石的s i o z 含量较高、c a o 含量较低、孔径分布较差，孔比表面积和 孔隙率较低，表观形貌较差，最终导致脱硫效率较低。 关键词：循环流化床，混合燃料，石油焦，脱硫，混合燃烧 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m y , m o r ea n dm o r ep e t r o l e u mi se x p l o i t e da n du t i l i z e d a sb y p r o d u c t so fs o l i dr e s i d u a l sf r o mt h ec r u d er e f i n i n gp r o c e s s ，t h ep e t r o l e u mc o k e sy i e l da l s oi n c r e a s e s y e a rb yy e a r t h ep e t r o l e u mc o k ei sak i n do fi n f e r i o rf u e l ，b e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt oi g n i t ea n db u r n c o m p l e t e l y ，m e a n w h i l ei tc o n t a i n st h ea l k a l im e t a l sa n dt h es u l p h u r ，t h en i t r o g e nc h e m i c a le l e m e n tw h i c h r e s u l ti np o l l u t i o na n df o u l i n gi nb o i l e r f o rt h es a k eo fc o m p l e t ec o m b u s t i o na n dp o l l u t i o nc o n t r o l ，i ti sa c l e a na n dm o r ee f f e c t i v ew a yt ob u mt h ep e t r o l e u mc o k eb l e n d e dw i t hc o a li nc i r c u l a t i n gf i u i d i z e db e d ( c f b ) b o i l e r m o s to ft h ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n t so nd e s u l f u r i z a t i o np e r f o r m a n c eo fp e t r o l e u mc o k eb l e n d e dw i t h c o a lo nc f bb o i l e rw e r ec a r r i e do u ti nl a b o r a t o r y , b u taf e wo ft h o s eo nc o m m e r c i a lc f bb o i l e r sw e r e r e p o r t e d i no r d e rt oi n s t r u c ta n do p t i m i z et h eo p e r a i o no nd e s u l f u r i z a t i o np e r f o r m a n c eo fp e t r o l e u mc o k e b l e n d e dw i t hc o a lo nc o m m e r c i a lc f bb o i l e r s ，as y s t e m a t i cc o m b u s t i o ne x p e r i m e n to nd e s u l f u r i z a t i o n p e r f o r m a n c eo fp e t r o l e u mc o k eb l e n d e dw i t hc o a lw a sc o n d u c t e do na2 2 0 t hc o m m e r c i a lc f bb o i l e ri n j i n l i n gp e t r o - c h e m i c a lc o f o rt h ef i r s tt i m e t h ee f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r s ，i nt e r m so ft h ec a l o r i e s r a t i oo f p e t r o l e u mc o k eo v e rc o a l ，t h eb e dt e m p e r a t u r ea n dc a sm o l er a t i oo nt h es 0 2e m i s s i o ni nt h ef l u e g a sa r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r t h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn o a n dc ow e r ea l s ov e r i f i e dm e a n w h i l e ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l ya s ha n db o t t o ma s hu n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n sw e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tb e dt e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n gd e s u l f u r a t i o n ，w i t ht h e i n c r e a s ei nt h eb e dt e m p e r a t u r e ，t h ed e s u l p h u r a t i o ne f f i c i e n c yr e d u c e sv e r yq u i c k l y 8 5 3 i sa no p t i m a l t e m p e r a t u r ea tw h i c ht h es o zc o n c e n t r a t i o ni st h el o w e s td u r i n gc o f i r i n go f p e t r o l e u mc o k eo v e rc o a lw i t h t h ec a l o r i e sr a t i oo f5 0 ：5 0i nt h ee x p e r i m e n t t h es 0 2c o n c e n t r a t i o ni nf l u eg a sr e d u c e sw i t hi n c r e a s ei nc a sm o l a rr a t i o f o rt h em i x e df u e lo fp e t r o l e u mc o k ea n dc o a l ，t h ec a sm o l a rr a t i oo f2 5o r s oi s a p p r o p r i a t e t h ec a l o r i e sr a t i oo fp e t r o l e u mc o k eo v e rc o a th a sn oo b v i o u si m p a c to nd e s u l f u r i z a t i o n p e r f o r m a n c e t h ec oc o n c e n t r a t i o nr e d u c e s w i t hi n c r e a s ei nt h eb e dt e m p e r a t u r et h e a v e r a g e c o n c e n t r a t i o ni s 1 5 6 m g m 3 t h eb e dt e m p e r a t u r ei s a ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a ti n f l u e n c e sn o c o n c e n t r a t i o n w h e nt h eb e dt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h en oc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s w i t hi n c r e a s ei nc a s m o l a rr a t i o ，t h en oc o n c e n t r a t i o nr e d u c e s t h ec a oc o n t e n ta n dt h ec a r b o nc o n t e n ti nf l ya s ha r eh i g h e r t h a nt h o s ei nb o t t o ma s h w h e nt h ec a l o r i e sr a t i oo fp e t r o l e u mc o k eo v e rc o a li nt h em i x e df u e li n c r e a s e s ， t h ec a r b o nc o n t e n t si n c r e a s e s t h es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dt h es p e c i f i cv o l u m eo f p o r e si nt h ef l ya s ha r e h i g h e rt h a nt h o s ei nt h eb o t t o ma s h t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c ed e s u l f u r i z a t i o np e r f o r m a n c ei nc f bb o i l e ri n c l u d eo p e r a t i o n p a r a m e t e r s ，d e s i g np a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fc a l c i u m - b a s e ds o r b e n t se t c t h ed e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c yd u r i n gt h ee x p e r i m e n tw a sr e l a t i v e l yl o w , s o ，f u r t h e rs t u d yo np r o p e r t i e so fl i m e s t o n ea n d m i c r o s t r u c t u r ea n dt h ep o r es i z ed i s t r i b u t i o no fl i m e s t o n ea f t e rc a l c i n a t i o nw a sc a r r i e do u tb ym e a n so f n i t r o g e na d s o r p t i o n d e s o r p t i o nm e t h o d t h ea p p a r e n ts h a p eo f t h el i m e s t o n ea f t e rc a l c i n a t i o nw a so b s e r v e d w i t hs e m h i g h e rc o n t e n to fs i 0 2 ，l o w e rc o n t e n to fc a o ，s m a l l e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o r o s i t yo f i i 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o r e s ，i n f e r i o rs h a p eo f c a l c i n e dc a ol e a dt ol o w e rd e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c y k e y w o r d s ：c f b ，m i x t u r ef u e l ，p e t r o l e u mc o k e ，d e s u l f u r i z a t i o n ，c o f i r i n g i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：丛日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 我国能源与环境现状 能源作为人类赖以生存的基础，对社会、经济的发展和人民生活水平的提高具有极其重要的作 用，是人们每日每时不可或缺的。随着经济的高速增长，快速的工业化、都市化与城市化，中国成 为了能源消费大国，原油的消费在2 0 0 3 年超过了日本，成为全球第二，仅次子美国。中国g d p 未 来2 0 年要翻两番，中国将成为最大的经济体。未来经济和社会的发展需要有相应的能源发展提供支 撑和保障。 根据地矿部门的普查和勘探。中国预测资源总量为4 0 0 1 7 亿吨标准煤。在能源资源中，煤炭资 源占8 5 以上，水能占1 2 ，石油和天然气占2 3 。能源资源条件决定了我国以煤为主的能 源消费结构在短期内难以转变，未来煤炭仍将在整个能源过程中发挥着不可替代的作用。我国一次 能源消费构成统计与预测如表1 1 所示。 表1 1 中国一次能源消费构成统计和预测“ 年份消费总量 煤石油天然气水电核能新能源 ( m t 标准煤) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) 1 9 8 06 0 2 7 5 7 1 g2 1 | 22 9 4 0 1 9 9 09 8 7 0 37 6 z1 6 6 2 1 5 1 2 0 0 0 1 5 0 2 0 7 1 21 9 83 04 2 18 2 0 3 03 0 7 5 0 6 5 o8 0 5 0 7 51 1 03 5 能源消费的迅速增加，必然增加环境质量恶化的风险，同时付出高昂的经济和公众健康成本 环境问题日益引起人们的重视。 中国传统的能源结构以煤炭为主，在其开采、运输、加工、转换、利用和消费过程中，都直接 或间接地改变着地球上物质平衡和能量平衡，决定了能源消费活动要排放大量污染物，必然对生态 系统产生各种影响，造成了城市环境质量恶化。能源活动对环境的污染主要表现在：温室效应、酸 雨、破坏臭氧层、热污染、放射性污染和影响人体健康。 从有关部门的统计来看，煤炭使用过程产生的污染是中国最大的环境污染问题。在我国，烟尘 排放量的7 0 ，二氧化硫排放量的9 0 ，氮氧化物的6 7 ，二氧化碳的7 0 都来自燃煤。 在大气污染物排放中，二氧化硫排放与电力行业发展密切相关。燃煤电厂是煤炭的主要用户 电力耗煤占煤炭总量的6 0 ，同时也是二氧化硫排放大户。2 0 0 0 年，能源生产相关行业烟尘排放量 占全国烟尘总排放量的2 9 8 ，对大气环境造成严重的污染。 能源( 尤其是煤炭) 使用过程中排放出大量的污染物，导致大气污染和酸雨污染，造成了中国 城市空气质量的严重恶化。2 0 0 1 年世界银行发展报告列举的世界污染最严重的2 0 个城市，中国占 了1 6 个。 空气污染使慢性呼吸道疾病成为最主要的导致死亡的疾病，慢性支气管炎症状随大气污染程度 东南大学硕士学位论文第一章绪论 的增高而加重。其造成的污染和经济成本占中国的3 8 ，达到1 2 8 0 亿美元，相当于广东和上 海的g d p 总和”1 。世界银行根据目前发展趋势预计，2 0 2 0 年中国燃煤污染导致的疾病需付出经济代 价达3 9 0 0 亿美元，占国内生产总值的1 3 。 能源活动对环境与公众健康的影响将是未来中国社会和经济发展的突出问题之一，成为环境污 染的主要根源。能源消费正越来越严重威胁着环境质量和公众健康。 环境问题是一个全球性的问题。污染物可以在生物圈中停留相当长的时阀，并且通过扩散或漂 移输送到离污染源很远的地方。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化。 除了环境问题，能源短缺已经成为制约我国经济发展的主要因素。随着国民经济的发展，每年 的能源消耗量也迅速增加。作为我国的主要能源煤和石油，其资源十分有限。据有关部门统计，到 下个世纪，煤和石油资源将逐步枯竭。 随着国民经济的迅猛发展，石油的开采和利用也急速增加，石油焦作为石油炼制过程的附属产 品，其产量也逐年增加。面对日益紧张和严重的能源和环境问题，如何高效和洁净利用能源，已经 成为一个迫切需要解决的问题。将煤和石油焦作为混合燃料燃烧成为一个有效的解决途径。 1 1 2 石油焦特性 石油焦是炼油工艺的副产品，是由延迟焦化装置生产的黑色固体或粉末。根据炼焦过程的不同， 石油焦可分为以下几种：海绵焦、流化焦( f l u i dc o k e ) 、针状焦( n e e d l ec o k e ) 和粒焦( s h o tc o k e ) 。 石油焦中多数为海绵焦，具有多孔特性。目前市面上用作燃料的石油焦主要为海绵焦；针状焦是由 含硫很低的芳香基原料排列规则的石油焦，一般工艺技术很难达到；针状焦主要用于制造炼钢工业 用的石墨电极；流化焦也是由不同的生产工艺生产出来的“1 。 由于石油炼制工业的发展和技术的提高，今后我国石化企业炼制进口高琉原油的比例也会迅速 增加，高硫石油焦的产量也逐年增加。在加工中东高硫原油时，石油焦中的硫含量可以达到6 以上。 石油焦按硫含量的高低可分为高硫焦( sa r 4 ) 、中硫焦( s a t = 2 4 ) 和低硫焦( s a t ( 2 ) 。我 国生产的石油焦含硫量的变化范围较大，一般为1 5 6 。石油焦的典型成分分析见表1 2 4 。 表1 2 石油焦成分分析 i成分水分挥发分固定碳灰分硫分低位发热量 i ( )( )( )( )( )( k j k g ) 3 0 1 2 4 l含量 3 1 2 1 0 2 0 7 l 8 8 o 2 3 0 1 5 6 3 6 4 0 1 由于石油焦中的硫和重金属含量高，大多不适合用作要求较高的化工和冶金工业的原料，只能作 为燃料使用”。 石油焦作为燃料有以下特点：石油焦中碳、氮和硫等的含量较高，并且热值也较高；烟煤着火 温度约为4 7 0 y ：，而石油焦着火温度约为5 2 5 c ，属准难燃燃料；石油焦的比表面积、孔体积和孔表 面积都比烟煤小，这对燃烬也不利；石油焦具有特有的物理和机械性质，机械强度一般不高，哈氏可 磨度通常在1 0 0 左右，属易破碎固体燃料和易磨细燃料；石油焦中富含有硫、氮等元素，其燃烧生成 的n o 、s 侥等污染物排放量相对较高，由于石油焦的金属、重金属含量也较高，易造成环境污染；石 油焦成份里含有相当多的钒、镍等碱金属元素，是造成腐蚀、沾污等的主要原因“”“ 当把石油焦作为燃料时，应选择合适的燃烧方式和燃烧设备，以达到高效低污染燃烧目的。由 2 东南大学硕士学位论文第一章绪论 于石油焦含硫量高，特别是石油焦中含有金属钒使灰熔点降低，使高硫石油焦在常规煤粉炉中燃烧 会遇到很多困难。考虑到循环流化床特点，采用循环流化床锅炉低温燃烧技术，可综合利用石油焦 资源，又避免了对环境造成污染。循环流化床锅炉能够进行炉内脱硫，而且还能降低燃烧过程中的 n m 排放量，比较适合燃烧高硫石油焦。将石油焦和煤作为混合燃料利用循环流化床技术燃烧成为一 个有效利用石油焦的途径。 1 1 1 3 石油焦产量 随着原油变重、重质燃料油市场缩小以及环保对汽油、柴油质量要求的提高，焦化已成为重要 的渣油加工手段，随之而来的是越来越多的石油焦投放到市场。2 0 0 1 年世界延迟焦化能力已达到1 - 5 亿t a 。延迟焦化能力在2 0 0 1 年增加了2 ，7 5 ，从1 9 9 7 年到2 0 0 i 年总计增加7 5 7 。按石油焦产率 3 0 计算，每年世界延迟石油焦产量达到4 6 0 0 万吨左右。美国是世界上的炼油大国。每年生产2 8 0 0 万吨左右的石油焦，其中6 6 出口。日本和欧洲是石油焦的消耗大户，欧洲生产及进口的石油焦中 5 6 用作水泥窑和锅炉燃料，而在日本，6 6 石油焦用作水泥窑和锅炉燃料。 随着我国经济的快速增长和环保法规的日益严格，中国炼油工业面临提高轻质燃料油收率和改 善质量的双重挑战。截至2 0 0 2 年，在我国共有3 1 套延迟焦化装置，延迟焦化能力从2 0 世纪9 0 年代初 期的7 9 1 万t a 发展到2 0 0 2 年的2 3 5 4 万t a ，石油焦产量已达5 0 0 多万吨，占世界石油焦市场的1 0 左 右。我国延迟焦化及石油焦生产能力见表1 3 ： 表1 3 我国延迟焦化及石油焦生产能力( 万t a ) 年份焦化加工能力石油焦产量 1 9 9 07 9 1 1 9 9 51 3 4 82 4 0 1 9 9 92 0 6 33 9 2 2 0 0 22 3 5 45 0 2 1 1 4 洁净煤燃烧技术 面对日益严重的环境污染问题和资源短缺问题，世界各国从2 0 世纪7 0 年代开始研究和发展高 效、洁净的煤燃烧和发电技术，主要包括以下几种： ( 1 ) 常规煤粉锅炉+ 烟气脱硫和烟气脱氦装置( p u l v e r i z e dc o a l f i r e db o i l e r + f l u eg a s d e s u l p h u r i z a t i o n + s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，p c + f g d + s c r ) , ( 2 ) 采用循环流化床锅炉( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，c f b b ) 的燃煤发电技术； ( 3 ) 增压流化床联合循环( p r e s s u r i z e df l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n - c o m b i n e dc y c l e ，p f b c c c ) 发电技术： ( 4 ) 整体煤气化联合循环( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ，i g c c ) 发电技术。 现有烟气脱硫脱硝装置的常规煤粉炉燃烧发电技术已经比较成熟，并且得到了大量应用；循环 流化床锅炉燃煤发电技术也已经进入了商业化运行阶段，国外的循环流化床锅炉技术已经进入大型 化阶段。在我国，循环流化床锅炉技术也正在向大型化发展，采用循环流化床锅炉的机组容量占总 机组装机容量的8 左右，3 0 0 m w 级发电机组已经投产发电，增压流化床燃烧联合循环发电技术完成 3 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 中试运行，而整体煤气化联合循环发电技术尚未进入商业化运行阶段。预计未来的十几年中循环流 化床燃烧发电技术将迅猛发展，成为国内洁净煤发电技术的主力军。 这几种发电技术的优缺点如表1 4 所示。 表1 4 几种洁净煤发电技术的比较“” 燃煤和发电技术优点缺点 技术成熟，副产品为石膏，能满足尺寸大，占地面积多，投资较大，沾污后设 p c + f g d + s c r 环保要求备易受腐蚀 易于操作，降低污染物排放，有好排出的灰未经烧结，而且含有硫酸盐，n 2 0 c f b b 的性能价格比，燃料适应性广排放量高 结构紧凑，煤种适应性广，发电效高温除尘有难度，固体添加和排放的技术难 p f b c c 率高度大，需特殊的燃气轮机 i g c c 污染物排放低，发电效率高 技术难度大，装置系统复杂，投资较高 1 2 循环流化床锅炉混烧石油焦与煤的研究 1 2 1 循环流化床燃烧技术 流化床燃烧技术是本世纪初源于化学工业、五十年代初应用于锅炉燃烧领域的一种新型的煤炭 洁净燃烧技术。经过长期发展，目前流化床锅炉可分为鼓泡流化床锅炉、循环流化床锅炉和增压流 化床锅炉等。其中循环流化床是目前发展最快、应用最广的一种流化床燃烧技术。 据目前循环流化床锅炉的应用表明，循环流化床锅炉具有如下优点“”3 “1 。 ( j ) 燃料适应性好：在循环流化床锅炉中按质量百分比计，燃料仅占床料的1 3 ，其余为 灼热的床料，循环流化床内的特殊气固流动特性使得气固和固固混合得非常好。因此，即使是很难 着火的燃料，进入炉膛后也能很快与灼热的床料混合，被迅速加热至着火温度，这使得循环流化床 锅炉几乎可以燃用所有的固体燃料； ( 2 ) 污染物排旅率低：s o z 和n 饶是煤燃烧中产生的主要污染性气体，这两种气体对环境和人类的 健康都能产生严重危害。循环流化床锅炉采用低温及分级送风燃烧方式，可以较容易地控制n 仉的排 放；通过往炉膛里添加石灰石可以方便地实现燃烧中脱硫，而且循环流化床的燃烧温度也很适合钙 基脱硫剂脱硫； ( 3 ) 燃烧效率高：由于灰及燃料的多次循环，虽然床内温度不是很高，但在燃用不同煤种，在不 同负荷下，燃烧效率却比较高，可达9 8 9 9 以上，完全可以和煤粉锅炉相比； ( 4 ) 负荷调节性能好：负荷调节比大，运行操作灵活方便。实际运行表明，可以在2 5 的负荷 下稳定运行，调节负荷变化速度也很快； ( 5 ) 投资与运行费用适中：循环流化床的投资费用略高于煤粉炉，但综合考虑锅炉经济运行及污 染物排放控制( 脱硫、脱氮及灰渣的综合利用) 时，循环流化床锅炉投资及运行费用均低于带脱硫 脱氩装置的煤粉锅炉； ( 6 ) 易于调整：c f b 炉内高浓度密相区的存在和中温( 8 5 0 。c - - 9 5 0 0 ) 燃烧的特点使得燃烧稳定， 不易结渣，燃烧调整方便，降低了运行人员的工作强度。 4 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内外循环流化床锅炉的发展现状 基于以上循环流化床燃烧技术的优点，世界各国对循环流化床锅炉的研究都给予了极大的热情。 近二十年来，国内外循环流化床锅炉生产厂家和科研部门投入了大量的精力从事循环流化床的研制 和开发工作。使循环流化床锅炉得到了较大的发展和广泛的应用，开发出了具有各自特色的锅炉。 国外主要包括德国l l l r g i 型锅炉、美国f o s t e r 瓢e e l e r 公司的循环流化床锅炉、德国b a b c o c k 公司的 c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉、美国的b 的内循环循环流化床锅炉“”；国内主要包括中科院工程 热物理所开发的两级分离循环流化床锅炉、清华大学开发的炉内分离循环流化床锅炉等。 两台3 0 0 m w 容量的循环流化床锅炉于2 0 0 2 年在美国弗罗里达州的j e a 电厂投入运行，容量为4 6 0 m w 的循环流化床锅炉正在波兰建造，容量为6 0 0 m w 的循环流化床锅炉的设计也已完成0 1 。 我国四川白马循环流化床示范电站有限责任公司从法国阿尔斯通公司引进一台3 0 万千瓦循环 流化床锅炉设备，3 家大型锅炉制造厂同时从该公司引进大型循环流化床锅炉设计制造技术。该台 机组总投资1 6 5 亿元。工程于2 0 0 3 年5 月开工，锅炉于2 0 0 5 年底开始调试。该项目的建设，不仅 对引进大型循环流化床锅炉设计制造技术和系统设计技术的消化吸收，并在此基础上创新、发展适 合中国国情的大型循环流化床锅炉设备，减少环境污染，提高电网调峰能力及综合经济效益，实现 高效率、低能耗、低排放，实现经济与环境协调发展有十分重要的意义“”。三大锅炉制造厂目前已 接到3 0 台3 0 0 孵c f b 锅炉的订单。 1 2 3 循环流化床锅炉混烧石油焦与煤的应用 基于燃烧和污染物排放两方面的考虑，利用循环流化床技术混烧石油焦与煤，同时添加石灰石 是一种成功利用石油焦的有效途径。循环流化床锅炉混烧石油焦业绩见表1 5 “。 表1 5 循环流化床锅炉混烧石油焦业绩表 国家或地区企业 容量t h 。投用时间燃料 韩国 o r l e n t a l 化工公司 1 2 01 9 8 4 石油焦1 0 0 、煤1 0 0 韩国 k u kd o n g 石油公司 1 2 01 9 8 8 石油焦1 0 0 、煤1 0 0 韩国 s u n y o n g 纤维公司 1 3 01 9 8 8 石油焦1 0 0 、油7 0 等 日本o m i k e n s h l 公司3 51 9 8 8 石油焦1 0 0 ，沥青溘1 0 0 等 台湾 y u e nf o o n g y u 造纸公司 1 3 01 9 8 8 石油焦1 0 0 、沥青渣1 0 0 美国b i t u m i n o u sp o w e r1 8 01 9 9 2 石油焦1 0 0 、沥青渣1 0 0 p a r t n e r s 美国n i s c o 热电厂3 7 8 21 9 9 2 石油焦1 0 0 美国 c i t yo fm a n l t o w o c 9 01 9 8 1 石油焦1 0 0 、烟煤1 0 0 等 韩国 s u n k y o n gf i b r e s 公司 2 0 01 9 8 9 石油焦1 0 0 、沥青渣1 0 0 等 美国 f o r th o w a r d 纸业公司1 4 5 1 9 8 8石油焦、烟煤 美国加州水泥公司9 01 8 8 5 煤1 0 0 ，石油焦7 0 美国佛罗里达j a c s o n v i l l e2 x 3 0 0 m w e2 0 0 1 混烧或单烧石油焦 中国 镇海炼化股份公司 2 2 0 21 9 9 7 石油焦1 0 0 中国 金陵石化热电厂 2 2 0 22 0 0 2 石油焦5 0 、煤5 0 中国镇海炼化股份公司4 1 0 x22 0 0 3石油焦5 0 、煤5 0 9 6 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 f o s t e rw h e e l e re n e r g y 公司、c o m b u s t i o np o w e r 公司、p y r o p o w e r 公司、a b b 公司和l u r g i 公 司等是利用流化床燃用石油焦技术的倡导者，到目前为止，已有多台燃用石油焦的流化床锅炉投入 工业运行并获得成功。在1 9 8 8 年至1 9 9 2 年间，f o s t e rw h e e l e re n e r g y 公司分别为三家公司提供 了四台循环流化床锅炉，容量最大的两台1 0 0 姗锅炉，是为c i t g op e t r o l e u m c o m p a n y 、c o n o c o i n c 、 v i s t ac h e m i c a lc o m p a n y 、c u i fs t a t e su t i l i t i e s 这几家公司合资组建的n i s c o 公司提供的，从 1 9 9 0 年开始建设，1 9 9 2 年9 月投入运行，锅炉燃用1 0 0 的延迟焦，采用炉内石灰石脱硫运行。结 果表明，由于燃用石油焦，使生产蒸汽和电力的成本大大下降，而s o , 、n m 等污染物的排放又远远 低于美国1 9 9 0 年排放法规限制。其它几家公司的试验及运行结果也同样表明，利用循环流化床锅炉 可以高效率、低污染地利用石油焦，尤其是高硫石油焦，是处理石油焦的有效途径之一。在国内， 将石油焦用作循环流化床锅炉也已有先例，镇海炼化公司于1 9 9 7 年投产2 x 2 2 0 t h 循环流化床锅炉， 按照石油焦1 0 0 设计，于2 0 0 3 年投产2 x 4 1 0 t h 循环流化床锅炉，按照石油焦和煤发热量1 ：l 设 计。南京金陵石化热电联合车间于2 0 0 2 年投产2 x 2 2 0 t h 循环流化床锅炉，按照煤和石油焦发热量 l ：1 设计。 1 3 课题研究目的及内容 1 3 1 研究目的及意义 由于石油焦含有较高的硫含量，所以利用循环流化床锅炉混烧石油焦时，添加石灰石进行炉内 脱硫是一种简便易行的方式。对循环流化床锅炉混烧石油焦添加石灰石脱硫特性的研究大部分都处 于实验室研究中“”1 ，在商业运行锅炉上较为系统的试验研究很少。为此，本文首次在金陵石化 2 2 0 t h 商业运行循环流化床锅炉上进行混烧石油焦添加石灰石脱硫特性试验研究。分析了脱硫工况 下n o ，和的排放特性、飞灰和炉渣特性，并计算了某一混烧石油焦与煤添加石灰石运行工况的锅 炉热效率，为高效、安全和清洁利用石油焦提供理论基础。 1 3 。2 研究内容 本文主要研究内容如下： ( 1 ) s o ：排放特性研究：研究不同床温、c a s 摩尔比、石油焦煤热量比等因素对s 0 2 排放浓度的影 响规律，分析c f b 锅炉中以石油焦和煤为混合燃料的s 0 z 生成机理； ( 2 ) n o x 排放特性研究：研究不同床温对n o x 浓度的影响，初步分析循环流化床锅炉中混烧石油焦 与煤n 仉排放浓度与c a s 摩尔比的关系； ( 3 ) c o 排放特性研究：研究床温对c o 排放浓度的影响规律，分析混烧石油焦运行工况下c o 的 排放对锅炉热效率的影响； ( 4 ) 飞灰和炉渣特性的研究：研究不同运行工况下飞灰和炉渣的碳含量和c a o 含量、飞灰和炉渣 的孔隙结构特性，为飞灰和炉渣的综合利用提供参考； ( 5 ) 炉渣的可视化扫描电镜分析：利用s e m 照片，观察不同床温下炉渣的表观形貌，研究混烧石 油焦对锅炉结焦特性的影响； ( 6 ) 不同石灰石煅烧后产物c a o 的孔隙结构特性研究：利用n 2 吸附定量测定石灰石煅烧后产物 c a o 的微观结构及孔径分布；利用s e m 定性分析石灰石煅烧后产物c a o 的表观形貌。从石灰石孔隙 6 东南大学硕士学位论文第一章绪论 结构特性角度分析石灰石特性对脱硫的影响，为石灰石的优选提供理论基础： ( 7 ) 石油焦与煤混烧、添加石灰石脱硫锅炉热效率的计算：计算燃用石油焦和煤添加脱硫剂循环 流化床锅炉热效率，研究影响c f b 锅炉热效率的主要因素。 1 4 本章小节 本章系统介绍了课题的研究背景及选题依据，拟定了本论文的研究目的及内容。本文首次在商 业运行循环流化床锅炉上进行混烧石油焦与煤脱硫特性试验研究，为指导和优化运行提供理论支持。 论文内容主要包括两个方面，首先，系统研究了混烧石油焦与煤的脱硫特性，c o 和n o x 的排放特性， 并研究了飞灰和炉渣特性。其次，从石灰石的化学成分和微观结构特性方面，分析了脱硫效率偏低 的原因，为石灰石的优选提供理论基础。 7 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 参考文献 l 胡祖六能源、环境与经济增长 n ! 如；丛i n 竖：n 墅：! 塑：q 型1 3 2 z ! 塑! 2 q q 4 1 二2 1 q ：b 鲤! ，2 0 0 5 0 4 1 6 2 冯俊凯，岳光溪，吕俊复循环流化床燃烧锅炉 m ，北京：中国电力出版社，2 0 0 3 3崔成，中国正面临着严重的能源、环境挑战 鲢! p ；! 笪：! i b b 女垫! ：q s 2 q q 二q z 丝3 q 吐世3 堑塑2 ：b 地，2 0 0 5 0 7 2 3 4 沈伯雄石油焦燃烧特性的综合试验研究和模拟 d ： 博士学位论文 武汉：华中科技大学， 2 0 0 0 5 寥健燃料级石油焦的合理利用 j 齐鲁石油化工1 9 9 9 ，2 7 ( 1 ) ：6 3 6 7 6 刘耕戊高硫石油焦的利用 j 石油炼制与化工1 9 9 8 ，2 9 ( 4 ) ：3 6 - 4 1 7 万武洋高硫石油焦的利用途径 j 能源研究与利用，1 9 9 5 ：2 4 - 2 7 8 吴正舜，张春林等石油焦的燃烧特性 刀化工学报，2 0 0 1 ，5 2 ( 9 ) ：8 3 4 8 3 7 9 张建胜，吕俊复循环流化床中一种高硫石油焦燃烧的结焦特性 j 热能动力工程， 2 0 0 0 ，1 5 ( 5 ) ：5 1 0 5 1 2 1 0 章名耀增压流化床联合循环发电技术 m 南京：东南大学出版社，1 9 9 8 1 1 房德山循环流化床锅炉整体动态数学模型及运行特性分析 d ： 博士学位论文 南京：东南 大学动力工程系，2 0 0 2 1 2 岑可法，倪明江，骆仲泱等循环流化床锅炉理论设计与运行 m ，北京：中国电力出版社，1 9 9 8 1 3 刘德昌。流化床燃烧技术的工业应用 m 北京：中国电力出版社，1 9 9 9 1 4 四川省电力工业局，四川省电力教育协会循环流化床燃烧技术 m 北京：中国电力出版社。 1 9 9 8 1 5g o i d i c hsj h y p p a n e nt f o s t e rw h e e l e rc o m p a c tc f bb o i l e r sf o ru t i l i t ys c a l e 1 6 ” i n t c o n f o nf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n ，2 0 0 1 ，p a p e rn o f b c o l - 0 0 9 9 1 6b e l i n f ，m a r y a m c h i km ，w s l k e rdj ，e ta 1 b a b c o c k w i l c o xc f bb o i l e r - d e s i g n a n d e x p e r i e n c e 1 6 “i n t c o n f ，o nf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n ，2 0 0 1 ，p a p e rn o f b c 0 1 0 9 1