（工程热物理专业论文）层燃炉燃烧脱硫的基础和实验研究.pdf

浙江大学博士学位论文汤龙华 摘要 摘要 r 由于中国特殊的能源消费结构和燃煤设备结构，散煤的高效低污染燃烧 在中国具有重大的现实意义。作为煤的洁净燃烧技术总体规划的组成部分， 研究层燃炉中散煤的燃烧固硫及高温固硫剂的开发也作为一项重要内容得到 了国家重点科技攻关项目的支持。目前国内外对层燃炉燃烧国磅涉及到的一 系列重要基础问题进行系统地研究工作还比较少见，y 本文就业对层燃炉燃烧 过程、层燃炉硫析出、固硫产物分解、燃烧固硫过程、提高燃烧固硫率的机 理措旌等进行了深入细致的系统研究：形成了一套完整的有关层燃炉燃烧固 硫问题的基础理论，明晰了层燃炉燃烧固硫问题的一些重大基础问题。 本文首先分析了影响固硫反应的层燃炉燃烧过程，建立了研究层燃炉燃 烧和燃烧固硫的小、中、大三种配套的试验装置以及层燃炉燃烧的单元体模 型，为研究工作创造了良好完善的实验条件。 煤的硫分析出规律对研究固硫反应机理及优化选择固硫剂具有重要意 义，本文通过试验研究摸清了单颗粒煤以及未曾研究过的实际层燃炉煤层的 硫分析出规律，并建立了硫分析出规律与煤的硫分组成的内在联系。 a s 0 4 高温分解特性对研究燃烧固硫问题意义十分重要。本文不仅研究 了c i 蛞0 4 高温分解的一般规律及杂质成分的影响，而且首次通过设计层燃炉 硫分析出实验得到了一条重要结论：对层燃炉燃烧装置，只要煤层能够达到 稳定燃烧，其形成的燃烧环境就足以使c a s o 。能够大部分分解，通常能够达 到8 0 左右或更高的分解率。厂一 本文率先将纳米碳酸钙用作固硫剂的理论设想应用于实践，研究纳米碳 酸钙用作固硫剂的基础问题，为以后深入研究和应用纳米碳酸钙作固硫剂提 供了基础依据a， 作者重点研究了层燃炉燃烧固硫机理以及提高固硫效率的技术途径。f 链 条炉燃烧固硫试验结果表明：常规钙基固硫剂的脱硫率都在3 0 以下，对谴 的固硫率一般在4 0 以下，这是一个普遍性的结论。作者分析了层燃炉燃烧 固硫效率低的两个主要原因。针对层燃炉内燃烧固硫效率低的现状，作者提 出了提高层燃炉燃烧固硫效率的几点技术途径。对复合型固硫剂、固硫添加 剂及分层与喷钙脱硫技术途径方面进行了专门的试验研究。所有这些研究成 果是对层燃炉燃烧固硫问题的全面总结，对正确理解层燃炉燃烧固硫，确定 层燃炉s o ：污染治理方向和研究工作重点具有重要意义。卜4 最后本文建立了目前还不常见的层燃炉煤层的硫分析出及燃烧固硫总体 规律模型。 关键词：层燃炉，燃烧固硫，固硫剂 塑垩查塑主兰堡垒苎：墨垄兰 竺! ! ! 竺! t h em a c h a n i s ma n d e x p e r i m e n t a l s t u d i e so ns 0 2 r e m o v a l d u r i n g c o m b u s t i o ni nf i r e db e d a b s t r a c t c k mc o n l b l l s d o n 姐dh i 咖e 伍c i c yl i s eo fd i s p c r s e dc o a li sv e r y 岫p o n a n t e s p e c i a l l yf o rc t l i n ab e c a i i s eo f i t sc o 唧o s i t i o no f 朋e f g yc o n s u m p t i o n u n d e rt l l e g o v e r m ：n e n ts 哪邺n o f c l e a nc o a lp l 柚，m es y s t 锄i cs t i i d i e so ns 0 2r e r n o v a id 砸n g s t o k e 卜丘r e db 。dc o m b u s d o ni sc a r r i e do u ti i l v o l 、r e dc o m b u 鲥o ni i lf i r e d - b e d s u l 脏 r c l e a s e ，d e c o i 叩o s i n go fs u l p h a t e ，s 0 2r e m o v a ld l l 咖g c o r i l _ b u s d o n ，b e t t e rs 0 2 玎。l i l o v a lm e m o d 趾ds oo n n a n o - c 砷o n a t ea ss o d ) 眈ni s 砒s os t l l d i e d f i r s tm ec o m b u s t i o n m 丘坞db c dw l l i c hi i l f l u e n c e sd e s u l p h 吡a t i o n g r e a t l yi s a i l a i y z e d t h es m a l ls i z e d m e d i u ms i z e da n dp i 】o t 缸_ n a c ei si n s t a l l c df o rn l es t u d y t h er e l e a s co f 锄1 f i l f s h o w sd i 脑e n ts t a g e sd 证n gc o a lc o r n 【b u s t i o n t h e s t a g e s 盯e 他l a t e d t om cs u l f i l r 铀r i c i nm e c o a l i l l f j r e d b e d t h es u l f i l rr e l e a s ea l s o s h o w s s t a g e s w l l i c ha r ei n f l u e n c e d d i s t i l l c t l yb y 血ep r o c e s s o fc o a lb e d c o m b u s t i o n d e c o m p o s i t i o no f 跚l p h a t e i sak e yp r o b l 锄蠡 s 0 2r 锄o v a l d i l r i n g c o l b u s t i o n t h ed e c o m p o s i n g 蜘1 p e r a t u r ei sd i 疵r e n tw i md i 虢瑚tt e s tc o n d i t i o n a n d i so n m u 雠c e d 锄d d e c f e 篮e d b y t l l e i m p 嘣q h a f i 由l g b e d8 0 o re v 肌 m o r e d e c o m p o s i r t g r a t i oc a nb er e a c h c db e c a u s eo ft l l e h j g ht e m p e r a n 王r e 栅o s p h e r e t h ea u m o rt u r n e dt h et t 鲥v ep l 挑o f l l s i n gn 锄o c a r b o n a t ea ss o r b e n ti n t o r e a l 时瓶ds t i l d i e dm e 舢n d 锄e n t a lp r o b l e mo f n 如。一c a r b o n a t es o r b e n t t h er e s u l t w i l 王b eu s e 血l 南rt t l e1 a t e r 嘲e a i ho nn 铋o c a r b o n a t es o r b e n t h e 锄p h 锄i s 蜘d t l l em a i nt 鹊ko fm i s p a p e r a r et os t u d ym em e c h 卸i s mo f s 0 2 r e r n o v a ld l l f i i l gc a 玎曲岫t i o ni ，lf i r e d 七e d 船dt l l et e c h i l i c a lm e t l l o d st oi m p r o v e t l l e s 0 2r e r n o v a le 伍c i e n c y i t i s 锄u m v 懿a 1c o n c l l l s i o nm a ts 0 2r e m o v a l e 丘k i e n c yi sa b o u i3 0 f o r m o s tc a l c i i m l - b 硒e ds o r b e n to nt h ec h a i n - 掣甜es 协k e r b o i l e t h ea u l l o r 翘a l y z e dm em a i nt 、d 硒n d so fr e a s o n 如rl h bl o we 塌c i e n c y ， t h c np r e s e n t e ds c v e 豫lt e c c 8 lm e t h o d st o j m p r o v et 王l ee 币c i e n c y a m o n go f t l l e s e c o m p o 哪ds o r b e n t ，a d d “i v e f o rd e s u l 缸娩a t i o n ，l a y e r c dc o m b u s n o na n d i i 浙扛大学博士学位论文汤龙华 s o r b e n t 蝎e c t i o nt e c h n 0 1 0 9 y h a db e e ns m d i e d t l l o r o u 曲ly f i n a l l ym a t h e m a t i c a lm o d e l i n g o fs u l 缸r e l e a s e 锄ds 0 2r e m o v a l i nf i r c db e d a r ed e v e l o p e d b y t h ea u 血o l k e yw o r d s ： f i r e d _ b e db o i l e ls 0 2r e m o v a ld u r i n gc o m b l l s t i o n ，c a l c i 啪一 b a s e ds o r b e n t p h ds t u d c n t ： a d v j s e d b y ： 一i i j 一 9 1 0 n 曲u a p r o f c e n k e f a p r o f c a o x i n y l l p m f y a o q i a i l g j u n e 1 9 9 9 浙江大学博士学位论文涵龙华 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 由燃煤产生的s o ，和酸雨的污染已成为中国和全球环境污染的核心问题 之一。s o ，作为大气主要污染物，对自然生态环境、人类健康、工农业生产、 建筑物和材料等方面造成了严重危害，并缓慢、持续、长期地影响着人类目 前和今后的生存【l “。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是目前少数几个以煤炭为 主要能源的国家之一。大量的燃煤和其它经济活动用煤导致我国s o ，排放量 急剧增加，9 0 年到9 3 年我国的s o ，排放量就从1 4 9 5 万吨猛增到1 7 9 5 万吨， 平均每年增加1 0 0 万吨。表1 一l 是9 0 年代初世界主要国家s 0 ，排放量统计表。 原来估计到2 0 0 0 年我国s o ，排放量将达到2 5 0 0 万吨，超过美国而成为世界 s o ，排放第一大国。但实际上到1 9 9 5 年，我国s q 排放量已经达到2 3 7 0 万 吨，并超过美国居世界首位旧。 表l l 世界主要国家s 0 2 的捧放量( 9 0 年代初万附年) 国家美国中国德国加拿大英国意大利法国日本 s 0 2 捧放量 2 0 7 01 7 6 07 5 l3 7 2 23 5 83 0 72 1 8 61 0 79 s o ，排放量的剧增使我国城市大气污染程度加重。根据国家环保局对全 国环境监测站1 3 年监测数据分析表明，我国大气s 0 ，超标的城市不断增加， 目前已有6 2 _ 3 的城市环境空气s o 年平均浓度超过国家环境空气质量二级 标准，日平均浓度超过三级标准。可见我国城市s 0 ，污染程度之严重。在8 0 年代，中国的酸雨主要发生在西南地区，到9 0 年代中期，酸雨已发展到长江 以南、青藏高原以东及四川盆地的广大地区，酸雨面积扩大了l o o 多万平方 公里，并部分跨过了黄河，延伸到东北地区，年均降水p h 值低于5 6 ( 酸雨 评判标准) 的区域面积已占全国面积的4 0 左右。可见，我国酸雨的发展速 度十分惊人，目前仍呈逐年加重的趋势叫。 针对酸雨和s 0 2 污染的不断加剧，我国政府部门加大了控制s 0 ，排放的 力度和措施。1 9 9 5 年全国人大通过了新修订的大气污染防治法，专门规 定在全国范围内划定酸雨控制区和二氧化硫污染控制区( 简称“两控区”) 。 浙江大学博士学位论文扬龙华 第一章绪论 根据国务院关于环境保护若干问题的决定和国家环境保护“九五”计 划和2 0 l o 年远景目标，“两控区”分阶段控制目标为：( 1 ) 到2 0 0 0 年，排 放s o ，的工业污染源达标排放，并实施s o ，排放总量控制i 环境保护重点城 市环境空气s o ，浓度达到国家环境质量标准，缓解酸雨控制区内酸雨恶化的 趋势i ( 2 ) 到2 0 1 0 年，s 0 ，排放总量控制在2 0 0 0 年排放水平内，“两控区” 内所有城市空气s o ：浓度达到国家环境质量标准，酸雨控制区内降水p h 值 小于4 5 的面积比2 0 0 0 年有明显减少。 针对燃煤s o ，污染排放，目前已开发出各种脱硫技术。脱硫工艺按其在 燃烧过程中所处位置可分为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫。燃烧前脱硫m 1 主 要是采用物理、化学或生物方式对原煤进行清洗，将煤中的硫去除，如洗煤、 煤的气化和液化等方法，该方法的应用受煤种、成本、处理量等多方面的限 制应用有限；燃烧后脱硫主要指烟气脱硫技术，该技术比较成熟，目前成本 较高，系统复杂，主要应用于大容量烟气处理，如电站锅炉，应用在中小型 锅炉上存在较大的困难；燃烧中脱硫主要是指预先在煤中掺入固硫剂或者在 煤燃烧过程中往煤中或燃烧空间添加固硫剂，包括喷钙脱硫、流化床脱硫、 型煤燃烧脱硫、链条炉燃烧脱硫( 散煤) 等方法，这在后面1 ，4 中将详细 介绍。 研究和开发适合我国国情的实用脱硫技术是支持有关法规和规划制定、 实施的重要保障，对于解决我国大气污染的首要问题具有十分重要的意义。 1 2 工业锅炉燃煤污染与控制问题 1 2 ，1 我国燃煤s o ：排放源组成特点 我国能源消费以煤为主，煤炭在今后相当长的时间内都将是我国能源的 主体，目前煤炭在我国的能源消费总量中比例约占7 5 ，其在能源结构中的 主导地位不会有太大的改变【1 ” 。作为矿物燃料的煤炭的主要利用形式是燃 烧，我国每年所产煤炭的8 4 直接用于燃烧 1 “。在众多燃煤设备中，电站锅 炉和工业锅炉( 包括工业炉窑) 为最主要污染源。表卜2 为9 0 年代初中国燃 煤排放的烟尘和二氧化硫分布。从表中数据来看，电站锅炉的s 0 ：排放量约 占二氧化硫总排放量的3 0 ，而工业锅炉和工业窑炉的s 0 ，排放量占二氧化 硫总排放量已经超过了i ，2 ，达到5 2 。不考虑工业窑炉，仅工业锅炉的s o ， 排放量也超过电站锅炉，约占二氧化硫总排放量的4 0 。因此，工业锅炉是 s o ，的最大污染排放源。 浙江大学博士学位论文汤龙华 第一章绪论 表1 29 0 年代初中国燃煤排放的烟尘和二二氧化硫分布 1 2 2 工业锅炉s o ，排放污染问题 我国目前中小型工业锅炉有4 6 万多台，每年递增约l 万台左右，每年 煤炭消耗量为3 1 亿吨，约占全国煤耗量的3 0 【l “，而s o ，排放量更超过电 站锅炉达到了二氧化硫总排放量的4 0 。更为不利的是，中小型工业锅炉的 s o ，排放容量小，地点分散，难以集中集约处理。而电站锅炉容量大，数量 少，地点集中，相对要容易处理得多。因此在今后，中小型工业锅炉s o ，污 染排放控制将成为s o ，排放控制工程的主要难点。研究中小型工业锅炉的s o ， 污染排放控制技术措施对整个二氧化硫污染控制工程将具有重大意义。 在中小型工业锅炉中，应用最广泛的是链条炉燃烧设备。链条炉是一种 有着悠久历史的层燃炉，它具有燃烧效率高，机械化程度较高等特点，在我 国中小型锅炉中使用得十分普遍，在数量上占有绝对的优势。因此，我们主 要讨论链条炉的燃烧脱硫问题。 1 2 3 链条炉脱硫技术 链条炉的燃煤s o ，排放治理目前有三种途径：烟气脱硫技术，型煤技术 和层燃炉脱硫技术，另外还有少量的喷钙脱硫技术，但仅限于实验阶段。 1 烟气脱硫技术 目前，国内的中小型锅炉烟气脱硫技术有干法和湿法两大类。干法脱硫 吸引着广大用户但是该法仍处于研究阶段或中试阶段，近期内还难以推广”一 ”】，湿法是目前应用较多的脱硫技术。链条炉的湿法脱硫工艺与电站锅炉的 湿法脱硫工艺有极大差别，这主要是因为链条炉的容量和烟气流量较小，不 可能采用复杂的类似电站锅炉所用的湿法烟气脱硫工艺，链条炉采用的大多 是一种简化的湿法脱硫工艺。由于环境保护政策和措施越来越严格，国内量 大面广的工业锅炉都面临着s o ：排放治理的迫切需要，纷纷研究探索脱硫的 技术方案和途径。但同时脱硫工艺的应用又十分强烈地受到应用锅炉的场地、 浙江大学博士学位论文汤龙华第一章绪论 成本、人员专业素质、维护和物料的运输处理等多方面因素的影响和制约， 使得目前的湿法脱硫工艺大多十分简单，有很多工艺只是在原有的湿法除尘 工艺上添加了固硫剂反应过程，工艺的长期可用性和可靠性较差。目前，还 没有一种成熟公认的能够得到大规模推广应用的简易湿法脱硫工艺。 基于链条炉烟气脱硫技术应用现状，人们普遍认为，应用洁净煤技术( 型 煤和层燃炉脱硫) 治理量大面广的工业锅炉s o ，排放污染是种比较合理有 效的技术选择，也就是从源头入炉煤的角度来控制s o 排放污染。 2 型煤技术 对于大量分散的燃煤民用炉灶和工业锅炉，采用固硫型煤来减少燃烧时 的s 0 2 和粉尘排放，提高燃烧效率，是世界上很多国家都在采用的方法，也 是我国洁净煤规划技术的主要内容之一。型煤技术在燃煤民用炉灶和中小型 工业锅炉污染治理方面具有其它技术所无法取代的优势，也是我国目前大力 推广支持的洁净煤技术。”。 型煤分民用型煤和工业型煤。我国民用型煤技术已达国际水平，城镇民 用型煤销售量达4 0 0 0 万吨年。工业型煤有锅炉、型焦、化肥、城市煤气、 机车、燃料气型煤等。从表1 2 我国燃煤s o ，排放源组成特点来看，影响总 体s o ，排放最大的是工业锅炉，因此，在工业锅炉上推广应用工业型煤技术 对控制工业锅炉s o ，污染排放具有重要意义。但是，工业锅炉型煤比散煤价 格要高出5 0 7 0 元吨，巨大的燃烧成本以及对锅炉设备的改造及辅助设备 使得用户不愿意使用工业锅炉型煤技术，工业型煤的应用处于低谷之中。随 着环保政策的日益严格及对型煤使用的政策优惠扶助，型煤技术应用在中国 将具有非常大的发展空间。 3 层燃炉脱硫技术 正因为工业型煤技术由于成本、设备等原因对它的应用具有一定的消极 作用，人们一直在研究型煤技术以外其它经济方便的工业锅炉脱硫技术，这 就是层燃炉燃烧脱硫技术。这里所说的层燃炉燃烧脱硫技术指的是在层燃炉 的散煤燃料层中直接掺混固硫添加剂实现在燃烧过程中脱硫的技术方法。 由于工业型煤并没有真正应用推广，目前我国煤炭消费结构中约3 0 的 煤炭以散煤形式燃烧f l “，主要是链条炉的散煤燃烧，解决这部分层燃炉散煤 燃烧s o ：排放污染是控制整个工业锅炉s o ：污染排放的关键。研究在散煤中 掺混固硫剂实现s 0 污染排放控制便成为最直接的技术思路。这也f 是本文 研究的主要对象和内容。 浙江大学博士学位论文汤龙华第一章绪论 通过在燃煤中掺混固硫剂达到脱硫目的是最自然普遍的想法，国内外也 早就开展了这方面的实验研究和应用尝试。但是实际燃烧固硫效果却不很理 想，层燃炉燃烧固硫效率较低，固硫效果不稳定，随燃烧工况变化比较大， 可信的固硫效率基本上在3 0 以下，这一状况一直没有取得突破。该脱硫技 术没有得到广泛的应用。最主要的原因就是固硫效果不令人满意，特别是在 国外，环保要求水平高，散煤燃烧固硫方式基本上没有应用市场。但在国内， 一方面大量工业锅炉面临着脱硫的迫切需要；另一方面中国目前的环保标准 相对较低，并且更重要的是工业锅炉s o ，排放总量控制具有重要意义。因此， 人们仍希望能够通过进步的研究，适当提高层燃炉燃烧固硫效率，比如能 够达到5 0 ，这样应用这种经济方便的脱硫技术就具有较强的竞争力和大规 模应用的现实可能性。 1 3 本文研究目的和主要内容 由于中国特殊的能源消费结构和燃煤设备结构，散煤的高效低污染燃烧 在中国具有重大的现实意义。作为煤的洁净燃烧技术总体规划的组成部分， 研究散煤的燃烧脱硫及高温固硫剂的开发也作为一项重要内容得到了国家重 点项目的支持。浙江大学热能工程研究所先后承担了“八五”国家重点科技 攻关项目催化洁净燃烧及优化配煤技术研究、“九五”浙江省重大科技攻 关项目煤的催化洁净燃烧及产业化应用。在这两个项目的支持下，我们对 散煤的燃烧固硫机理主要是层燃炉燃烧固硫机理、高温固硫剂的开发及产业 化应用进行了深入细致的研究。本文是整个研究项目中有关层燃炉高温燃烧 固硫机理和高温固硫剂开发的基础研究成果总结。 系统地研究层燃炉燃烧固硫问题，阐明层燃炉燃烧固硫的一些重要机理 和结论，这样的研究还比较少见。本文研究的目的是希望通过对层燃炉燃烧 固硫涉及到的一系列重要基础问题包括层燃炉燃烧过程、层燃炉硫析出、固 硫产物分解、燃烧固硫过程、提高燃烧固硫率的机理措施等进行专门深入的 系统研究，给出这些基础问题的研究成果和初步结论，探讨层燃炉燃烧固硫 技术的可行性和应用前景，为人们提供有关层燃炉燃烧固硫问题的系统明晰 的整体概念和结论，同时也为合理开发利用层燃炉燃烧固硫技术以及选择层 燃炉脱硫技术途径提供重要的参考和决策依据。 本文的研究内容主要包括涉及到层燃炉燃烧固硫基础问题的七个方面内 容： 浙江大学博士学位论文汤龙华 第一章绪论 1 影响层燃炉燃烧固硫反应的层燃炉燃烧过程分析 2 单颗粒煤的硫分析出规律及层燃炉中煤层硫分析出规律 3 固硫产物c a s o 分解特性及其在层燃炉中的分解规律 4 钙基固硫剂燃烧固硫机理特性 5 提高层燃炉燃烧固硫效率的机理和实验探索 6 纳米c a c o ，作固硫剂的基础研究 7 层燃炉硫分析出及固硫过程数学模型研究 1 4 其它燃烧固硫技术研究概况 层燃炉燃烧固硫是燃烧脱硫技术的一种，系统的研究阐述还比较少见。 但其它与之相关类似的燃烧固硫技术则研究成果很多，这主要包括三种燃烧 脱硫技术：炉内喷钙脱硫，流化床燃烧脱硫和型煤燃烧脱硫。其中型煤燃烧 脱硫在前面已有所介绍，在此不再细述，我们将对炉内喷钙脱硫和流化床燃 烧脱硫进行简单的概括。 由于各种燃烧固硫技术的基本反应过程都是固硫剂与二氧化硫气体之间 的气周反应，对其它燃烧脱硫技术的总结有助于研究本文讨论的层燃炉燃烧 固硫问题，也有利于研究层燃炉燃烧固硫时比较它们之间的不同差别。 1 4 1 炉内喷钙脱硫技术 喷钙脱硫是一种传统的燃烧脱硫技术。锅炉直接喷射吸着剂烟气脱硫技 术流程简单、占地小、投资少、运行操作方便，使用的原料石灰石( 或白云石) 及其制品来源广、价格低，不仅适用于新建大型火电机组，而且特别适用于 现有机组的技术改造，被认为是最适合中国国情的烟气脱硫技术。以炉内喷 钙为基础的技术变形如尾部增湿活化、中小容量锅炉尾部除尘与增湿脱硫联 合脱除等技术使脱硫率大大提高，增强了该技术的竞争能力，显示了良好的 应用发展前景。美国及欧洲一些国家f l s 删早在5 0 、6 0 年代就对炉内喷钙脱 硫工艺做了实验研究，几经起伏。目前，美国、西德、荷兰、加拿大、瑞典、 奥地利、丹麦等国都在逐步实现该工艺商业化【2 1 】，美国炉内直接喷射石灰石 分级燃烧器( l m 毋) 计划是这一技术的研究代表。而芬兰t a 呷e l l a 公司近年开 发成功的l 1 a c 系统则已经走向商业应用推广阶段。该技术炉内喷钙与尾部 增湿活化相结合，在c “s 为2 2 5 的情况下，脱硫率可达8 0 或更高。国 内则从6 0 年代中期上海南市电厂开始研究炉内喷钙，在“七五”“九五” 浙江大学博士学位论文面龙华 第一章结论 期间将炉内喷射技术列入了科技攻关项目进行了系统的研究，并在中试基地 投入实验运行【2 ”。由于喷粉系统及辅助设备复杂，喷钙脱硫的应用研究对象 主要是针对电厂，对中小型工业锅炉应用喷钙脱硫技术存在一定的困难。东 南大学赵长遂教授为南京炼油厂2 台l o 讹锅炉开发设计的喷钙脱硫装置系 统在这方面做了有益的尝试f 2 3 】。 喷钙脱硫的主要问题是脱硫效率不高，钙基固硫剂利用率低。美国环保 局l m m 技术的实验结果得到的脱硫率一般在2 0 6 0 f 2 4 】，我国“八五” 期间在贵阳轮胎厂2 0 佣工业锅炉喷钙脱硫实验得到的炉内部分脱硫率在 2 0 3 0 【。 炉内喷钙脱硫效率不高主要是由喷钙脱硫过程中固硫剂与二氧化硫的气 固反应特性及固硫反应的外部环境共同决定的，其中固硫剂在高温有效反应 区段停留时间短、反应时间不足是固硫率低的最主要原因。脱硫剂喷入炉膛 的有效反应时间不超过l o o m s 】，在这么短的反应时间内显然不能使固硫剂 发生充分的反应，而圃硫剂的烧结以及反应产物的孔闭塞效应更加剧了这个 矛盾。脱硫反应是热解、烧结和硫酸盐形成的复杂反应过程，这些因素共同 影响了钙基利用率的高低。关于钙基脱硫剂反应过程的研究一直是国内外研 究的热点，并有大量的文献报道。 1 4 2 流化床燃烧脱硫技术2 ”7 1 煤的流化床燃烧技术是本世纪6 0 年代开始发展起来的新型煤燃烧技术， 3 0 多年来发展很快，其应用范围从小型工业流化床锅炉发展到大型电站锅 炉，投入运行的最大容量为2 5 0 m w ，并已具备3 0 0 m w 以上容量的能力。流 化床燃烧技术也由第一代所谓的鼓泡床( 沸腾床) 发展到第二代循环床。在 我国，自1 9 6 5 年建成第一台燃烧油页岩的工业流化床锅炉以来，很快在全国 得到推广，现已有数千台鼓泡床及数百台循环床锅炉投入运行，但均为中小 型工业锅炉，目前正在向大型化发展。流化床除了燃料适应性广、床内传热 能力强、负荷调节性好等优点外，最根本突出的优点是其低污染特性和经济 特性。 流化床燃烧是种“清洁”的燃烧方式，可以将燃烧温度控制在8 0 0 9 0 0 的温度范围内而保持稳定和高效的燃烧，这种低温燃烧方式可以有效地抑 制n o x 的生成和排放。在燃烧过程中向床内加入石灰石或白云石，由于燃烧 温度正是石灰脱硫反应的最佳温度，因而可以有效地脱除在燃烧过程中产生 的s o ：，根据煤中含硫量的大小投入床内适当的石灰石量，可以达到9 0 的 浙江大学博士学位论文沥龙华第一章绪论 脱硫效率。因此，流化床是一种最经济有效的低污染燃烧技术，这也是它在 世界范围内受到重视，得到很快发展的最根本的原因。 流化床脱硫技术具有非常高的脱硫效率及钙基固硫剂利用率，这是由流 化床内特殊的气固反应条件决定的。其中固硫剂在床层内反复循环应用具有 足够长的气固反应停留时间以及合适的温度条件是脱硫率高的最主要原因， 同时床层内强烈的湍动不仅为气固反应提供了非常好的传热和传质条件，而 且能够破坏固硫剂反应后的致密生成物层，促进气固反应的继续进行。正因 为在流化床内有非常好的脱硫反应条件，对固硫剂的适应性广，因此流化床 不象其它燃烧固硫技术那样对固硫剂的物理和化学特性有较高的要求，它可 以直接选用一般的石灰石或白云石矿物原料，加工的粒度范围也不需要达到 微米量级，脱硫成本大大降低。 参考文献： 1 张新生，李长春等，燃煤烟气脱硫，中国地质大学出版社，1 9 9 l 2 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t d 1 1 7 6 ，1 9 7 4 f e c a r 白r e e ，f u l l - s c a l ed e s u l p h u r i z a t i o no fs t a c kg a sb yd r yl i m e s t o n e h 巧e c t i o l l e p aa p t d6 5 0 2 7 3 旬1 9 ，1 9 7 3 吕建伟，国外火电厂脱硫技术的现状与发展趋势，电力技术，1 9 9 2 燃煤、烟气( 干法) 脱硫( 译文集) ，哈尔滨电站设备成套设计研究所，1 9 8 8 侯栋歧编，锅炉直接喷射吸着剂烟气脱硫技术研究报告，国家“七五” 攻关项目报告，合同编号：7 5 5 8 一o “0 4 ，1 9 9 0 汤龙华，石灰石颗粒在高温气流中热解脱硫过程的模型与实验研究，东 南大学硕士学位论文，1 9 9 6 m i t s u n lt a 1 1 dh e m i n es ，f g dp e r f b i h l a n c e 锄de x d 耐e n c eo nc o a l 一f i r e d p l 锄临，i e ac 刚5 8 ，i e ac o a lr e s e a r c h ，l o n d o n ，1 9 9 3 陆永琪，钙基吸着剂干法脱硫机理的研究，清华大学博士学位论文，1 9 9 7 岑可法，倪明江等，循环流化床锅炉理论设计与运行，中国电力出版社， 1 9 9 8 李绚天，循环流化床脱硫脱硝及灰渣冷却余热利用的研究，浙江大学博 士学位论文，1 9 9 2 h ” m 坞 伸 加n 也 幻 弘 拍 浙江大学博士学位论文汤龙华第二章影响固硫反应的层摇炉燃烧过程分析及试验横拟 第二章影响固硫反应的层燃炉燃烧过程分析 及试验模拟 2 1 前言 通过在燃煤中掺混同硫添加剂实现工业锅炉燃烧圃硫，对量大面广、s o ， 污染排放严重的中小型工业锅炉污染控制是一种最经济方便的脱硫措施。但层 燃炉的燃烧固硫效率低，是一个世界性难题，在固硫效率上一直没有重大突破。 使得层燃炉燃烧固硫方法始终难以广泛地被推广应用。 层燃炉燃烧固硫效率低的根本原因是层燃炉中煤层燃烧的特殊环境条件 不利于固硫反应产物的最终稳定生成。研究提高层燃炉燃烧固硫效率，就必须 研究层燃炉燃烧条件下的固硫反应机理，而影响支配固硫反应过程、从而最终 决定固硫效率的层燃炉燃烧过程本身应首先成为我们的研究对象和内容。 本章将详细地研究影响固硫反应的层燃炉燃烧过程，分析其影响固硫反 应的各个因素，为后面的层燃炉燃烧固硫研究提供基础依据。 本章的另一个重要任务是建立能够模拟工业链条炉煤层燃烧过程的小型 层燃炉燃烧装置系统和其它研究固硫过程的小型试验台架。由于在实际链条炉 上测量局部温度、气氛等各种物理和化学参数十分困难，影响固硫效率豹因素 又很复杂，难以通过测量有限的宏观参数来确定固硫反应过程机理，因此需要 建立小型的、便于测量控制的试验装置来研究固硫机理。这些装置必须能够在 机理上模拟实际工业装置。 2 2 链条炉的燃烧过程分析 2 2 1 煤层的燃烧过程及特点 链条炉燃烧方式是应用得最多最普遍的工业锅炉燃烧方式，煤层的燃烧 过程也很早就得到深入广泛的分析研究】。链条炉炉排上煤层的燃烧过程分 为四个区段进行，如图2 一l 所示。 l 区段是燃煤的预热干燥区段。燃煤自煤斗落下后，一面随炉排缓慢前进， 一面受炉烟及高温砖墙的辐射加热，水分逐渐蒸发。但煤的导热性能很差，使 热量的传递很慢，约为o 2 o 5 r n ，1 1 ( 约为炉排速度的1 1 0 左右) 。所以，l 区 段拖得较长。至o ，k 线便开始了挥发分析出并燃烧的第2 区段。由于燃煤层 浙江大学博士学位论文涵龙华第= 章影响固硫反应的屡憾炉燃烧过程分析豆试验横拟 跟随炉排向后移动，而热量的传递为自上而下进行，因此各区段的分界面必向 后倾斜，影响倾斜程度的主要因素是炉排速度及热量传递速度。各种燃料都有 自身的挥发分析出温度，对同种燃煤该温度又基本上为一定值，因而挥发分析 出线0 。k 所表示的也是一等温面。从0 ，l 开始进入焦炭燃烧区段，该区段燃 烧猛烈，温度很高( 在1 2 0 0 以上) ，是链条炉燃烧的主要区段。它沿高度又 分为氧化层和还原层( 这是因为氧化层高度远低于煤层厚度所致) 。最后一个 区段为燃烬区段，燃煤至此已基本燃烬形成灰渣，并随着炉排的移动而最终翻 入渣坑。值得注意的是尾部渣层的夹碳问题。由于上层燃煤受热最强，温度最 高，最早形成灰渣；下层燃料空气供应充分，容易燃烬，形成灰渣也较早。因 而，未燃烬的焦炭被上、下灰渣所夹，使机械不完全燃烧损失增大。 l 燃料预熟干燥区段；2 挥发分析出与燃烧区段：3 a 一焦炭氧化层区段 3 b 焦炭还原层区段；4 一灰渣燃烬区段 图2 1 链条炉中燃烧区段分布图 从前面的分析可知，链条炉内燃烧的引燃方式属上部引燃( 主要依靠辐 射热流) ，单面着火。燃煤点燃着火后，由于炉排不停地向前移动，带动燃煤 层向前移动。所以，链条炉煤层的燃烧过程是沿炉排长度分区段进行的。在工 况稳定的情况下，炉排上任何一处的燃烧状况不随时间变化，煤层的各种热力 学参数和物理化学过程以及煤层空间的各种参数也相应保持稳定。 2 2 2 炉捧长度方向煤层上方的气氛分析 由于链条炉燃烧是分区段进行的，导致炉内气流沿长度方向的分片流动， 气体成分呈现有规律的分布，如图2 2 。在炉排前部1 区段，燃料预热、干燥 基本上不需要氧气，所以由炉排下方穿过煤层进入炉膛的空气，其氧气含量基 本不变，接近2 1 。自o 。点后，随着挥发分的析出和燃烧，q 不断消耗，0 ： 浙江大学博士学位论文汤龙华第二章影响固硫反应的层燃妒燃烧过程分析豆试验模拟 的浓度不断下降，到o ，点时还原区段开始。这时，0 ：已基本耗尽，其浓度为 零，直至0 4 点止还原区结束，o ：的浓度均处于负值，燃烧严重缺氧。随着部 分燃煤的燃烬，燃烧层厚度逐渐减薄，所需氧量不断减少，炉膛尾部的0 ：浓 度又逐渐上升，最后恢复到原始值。再看c o ，、c 0 及h ：等气体的流动分布情 况，随着挥发分的析出及燃烧，c o ：的浓度增大，此即c o ：的第一高峰。c o ： 及h o 蒸汽被焦炭还原，浓度不断减少，c o 及h ，气的浓度则不断增大并达 到最大值。此后，由于燃煤的不断燃烬，还原层也不断减薄，c o 及珏的浓 度又不断下降，当还原区消失时，c o ：浓度又升至最大值，此即c o ：的第二高 峰。当燃烧进入燃烬区段后，c 0 ，浓度又逐渐下降而接近于零。 2 0 1 6 1 2 8 4 d t 一8 粼 ： 、一7 q 里! 里! o ，qo 。 匡量蜜翟图霹趟 耳工醒 圈2 2 链条炉沿炉捧长度的烟气成分分布 显然，气氛分布特点为前后区段空气过剩，中间区段空气不足。形成这 种气体分布的根本原因是链条炉煤层的特殊燃烧过程。 温度是影响固硫反应最重要的因素之一。了解层燃炉燃料层温度分布对 研究层燃炉燃烧固硫具有重要意义。另外，床层温度分布是煤层燃烧放热的直 接结果，知道了层燃炉燃料层温度分布也就可以研究掌握煤层从着火到燃烬的 整个燃烧过程。因此，了解层燃炉燃料层温度分布和变化规律对研究燃烧过程 和固硫反应过程具有双重意义。 浙旺大学博士学位论文汤龙华 第二章影响固薯反应的层燃炉燃烧过程分析及试验模拟 既然温度与煤层燃烧有关，床层温度分布与图2 1 所示的燃烧区段分布 应具有相似的特点。图2 3 是克诺烈教授给出的温度分布图f l 】。测定实际链条 炉燃烧过程中煤层的温度分布存在很大的困难，完整地测定整个床层温度分布 试验还未见报道。已经有过的测定试验基本上是基于欧拉法，选取典型的位置 测量温度。在不断总结已有试验数据的基础上，结合层燃炉燃烧过程分析，得 到类似于图2 3 那样的温度分布规律。 图2 3 链条炉煤层温度分布示意( 克诺烈) z 3 1 床层温度测定试验方法 本文在研究层燃炉燃烧固硫过程中，采用拉格朗日法测定床层温度。 底扳 图2 1 4 链条炉煤层温度测定装置示意 具体测定方法如下：如图2 1 4 做一个金属底架，将三个不同高度的陶瓷 套管固定在底架上，陶瓷管内装有0 5 m m 镍铬镍硅热电偶双股线，双股线 长度数米，刚好长于试验的链条炉炉排长度。双股线的尾部连接在数采板信号 线上，数采板与计算机连接。试验时，将带热电偶的金属支架从链条炉煤斗中 平放在链条炉炉排上，电偶线贴着炉排从检修孔处拉出与数采板相联。这样， 热电偶成自然状态埋在煤层中，各煤层高度均匀分布着热电偶。由于陶瓷套管 浙江大学博士学位论文汤龙华第二章影响圊硫反应的层燃妒燃烧过程分斩殛试验模拟 和热电偶很细，均匀分布在煤层中，不会影响煤层的整个燃烧过程。随着炉排 的向前移动，热电偶周围的煤层单元经历从升温、着火、燃烧、燃烬各个过程， 热电偶可以记录下整个过程的温度变化，并通过计算机实时在线地记录下来。 热电偶跟踪记录的是局部煤层单元在整个运动过程中的温度信号，属于拉格朗 日法测量温度。 床层温度测试试验在专门用于工业性试验的0 5 t 僧链条炉上进行。热电 偶采取牺牲抛弃法，每个工况放置一个热电偶支架，支架上在不同高度安置有 三个热电偶，高度分别为8 5 m m 、4 5 棚和6 呦。试验中用了两种烟煤做燃煤。 一种是用义马煤和皖南煤按4 ：l 比例配置成的中挥发分混煤( v a d = 2 5 ) ， 安排了一个工况试验：另一种是高挥发分烟煤新汶煤( v a d - 3 l ) ，在做燃 烧固硫时兼测了四个工况( 各种固硫剂) 的床层温度变化曲线。 2 3 2 温度测试结果 图2 5 是混煤燃烧时的煤层温度变化曲线，图2 6 是新汶煤燃烧时的煤 层温度变化曲线。煤层从上往下逐层着火燃烧，分层燃烧规律十分明显。燃烧 过程中，着火煤层局部部位温度逐渐升高，并达到该局部位置燃烧强度最高值。 燃烧由表面向底层逐层扩展，最终底部煤层着火燃烧。 图2 5 煤层温度( 混煤义马+ 皖南4 ：1 ) 浙大学博士学位论文汤龙华 第二章影响固硫反应的屠燃妒燃烧过程分析及试验模拟 a ( 新汶煤空白)b ( 新汶煤+ 7 天然石灰石) c ( 新汶煤+ 7 憷质c a c o 。) d ( 新汶煤+ 7 超细c a c 0 3 ) 图2 - 6 煤层温度( 新汶煤) 2 4 层燃炉燃烧的单元体模型 链条炉的床层燃烧从长度和厚度方向上都是一个很不均匀的燃烧过程， 床层的局部位置有自己的独特燃烧规律，而整体物理化学参数和燃烧过程的各 种变化则是局部燃烧过程的总体叠加。为了掌握床层总体燃烧规律和固硫规 律，必须研究局部位置的燃烧现象以及局部燃烧过程对脱硫的影响。作者在研 究层燃炉燃烧固硫过程中建立了层燃炉燃烧的单元体模型。 如图2 7 ，在链条炉中，燃煤从料斗中出来后落在炉排上，随炉排一起向 灰斗方向移动。燃煤在移动过程中，对一个局部燃煤单元体，依次经历加热、 干燥、着火、燃烧、燃烬、冷却、落灰等过程。而整个链条炉燃煤床层正是由 一个个连续的燃煤单元体拼接而成，只不过这些燃煤单元体处于燃烧的不同过 程。链条炉的燃烧规律和s 0 2 、n o x 等污染物的排放正是这些燃煤单元体燃烧 浙江大学博士学位论文- 汤龙华第二章影响圈硫反应的屡燃妒燃烧过程分析豆试验模拟 排放规律的总体反映。如果知道了单个燃煤单元体的燃烧排放规律以及固硫反 应机理，就可以了解整个链条炉床层的相应规律。 图2 7