浅谈循环流化床锅炉的脱硫脱硝.doc

摘 要: 论文介绍了循环流化床锅炉SO2、NOx产生过程及其特性，着重阐述循环流化床锅炉脱硫脱硝机理以及影响SO2、NOx排放浓度的各种因素，较合理的提出了降低循环流化床锅炉SO2、NOx排放浓度方法、措施等，对循环流化床的运行管理一定的指导作用。关键词: 循环流化床锅炉 脱硫 脱销 Abstract: This paper introduces the circulating fluidized bed boiler SO2, NOx production process and its properties, focusing on the circulating fluidized bed boiler desulfurization and denitrification mechanism and affect the SO2, NOx emission concentration of various factors, a more reasonable suggestions to lower the circulating fluidized bed boiler SO2, NOx emission concentration methods, measures of circulating fluidized bed operation management some guidance.Key words: circulating fluidized bed boiler desulfurization, denitrification 1 概况随着我国工业产业迅猛发展，环境污染显得更加突出。尽管快速发展的工业使人民的生活水平大幅度提高，但环境污染也给人们的身心健康带来较大危害。据报道我国南方酸雨的PH值达到了3-4，可见大气中SO2、NOx的浓度已到了相当高的程度。由于煤炭中含有一定量的硫和氮，一般认为，大气中的SO2、NOx主要来源于火力发电厂燃煤锅炉和工业燃煤锅炉排放的烟气中。近年来，循环流化床锅炉作为一种环保型锅炉在工业生产中被广泛应用。因此，搞清循环流化床锅炉SO2、NOx的产生过程，对我们有效控制、降低锅炉SO2、NOx的排放浓度和采取合适脱硫脱硝方法是非常必要的。2 SO2和 NOx的特性及其危害性SO2是一种无色有刺激性气味的气体，是对大气环境危害严重的污染物。在阳光催化下，SO2进行复杂的化学反应形成硫酸，再经雨水淋降至地面即形成酸雨。氮氧化物有NO、NO2和N2O三种，NO是一种无色无味有毒的气体，约占煤燃烧产生的氮氧化物总量的90-95%，它在大气存在的时间极短，便被氧化成NO2，NO2与水反应也会形成酸雨。酸雨对农作物有较大的危害，它会造成农作物茎叶色斑，导致农业减产，也会对建筑物造成侵蚀，缩短建筑物的寿命。此外，空气中的SO2、NOx会刺激人们的呼吸道，使人呼吸道疾病的发病率提高。同时，SO2和NOx也是诱发癌症的原因之一。NO还会造成臭氧层的破坏，N2O 是一种无色有毒气体，与氧气反应生成NO，是大气平流层中NO的主要来源，可以破坏大气平流层的臭氧，它也是一种温室气体。3 煤燃烧过程中SO2析出的动态特性3.1 煤中硫的存在形式及反应过程硫在煤中的存在形式主要有有机硫、无机硫两种。无机硫主要为黄铁矿FeS2。有机硫在煤加热至400时即开始大量分解，一般认为有机硫首先分解为H2S，然后遇氧再反应生成SO2，而黄铁矿硫在300就开始分解，但大量分解在650以上，而流化床燃烧的典型温度区在800-900之间。所以，循环流化床锅炉煤中硫的转化率很高。3.2 各种因素对SO2析出的影响有机硫的分解时间比较短，在挥发分析出以及煤着火的初期基本上就分解了，而黄铁矿硫形成SO2要持续数分钟，并随着温度的升高SO2的转化率会大幅增高。3.2.1 钙硫比的影响钙硫比是影响循环流化床锅炉SO2排放的主要因素。在不加石灰石时，SO2的排放量与含硫量成正比。燃料在燃烧时一般有80%以上的硫分转化为气体排放到大气中，剩余部分与炉渣以固态的形式排出。循环流化床锅炉Ca/S低于2.5时，SO2的排放浓度随Ca/S的增加而下降很快。当Ca/S大于2.5时，SO2降低就不明显了，相反，还会带来一些副作用，如影响燃烧工况，增加灰渣物理热损失，提高NOX的排放，与选择性非催化还原相冲突等。因此，对于循环流化床锅炉Ca/S应控制在1.5-2.5之间。我公司490t/h循环流化床锅炉自2009年4月投运以来，钙硫比控制在2.0-2.5之间，SO2的排放浓度一般200mg/m3左右。3.2.2 粒度的影响采用的合理的石灰石粒度，经运行实践证明，既能保证石灰石在炉内的停留时间，同时合理的粒度也尽量增大了石灰石粒子与二氧化硫的接触面积，提高了石灰石的利用率，有利于脱硫反应的进行。脱硫剂的粒径分布对脱硫效率有较大影响。一次反应条件下，较小的脱硫剂粒度，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，脱硫温度可以相对稍高，燃烧更完全，脱硫效率也相对提高。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，不能参与CFB灰循环，只会增加其以飞灰形式的逃逸量，降低脱硫剂利用率，从而引起脱硫效率的下降。根据有关资料，脱硫剂的粒度在0-1mm时，平均粒径在100-500m，脱硫效率最高。3.2.3 过剩空气系数的影响SO2的形成与炉内O2的浓度有关。在局部缺氧的条件下，黄铁矿的分解速度会减慢，SO2析出量低，反之，SO2的析出量就高，但过剩空气系数太低会影响到锅炉的燃烧效率。3.2.4 燃料在炉内停留时间的影响循环流化床锅炉的特点就是燃料先从密相区到稀相区进行燃烧，然后再经分离器分离将未燃尽的物料送回炉内继续燃烧，如此循环几次到几十次不等（这与锅炉设计循环倍率有关），这一循环过程工作温度在600-900之间，在此温度段内煤燃烧时间可达数分钟乃至数十分钟，这样煤中硫分就会大量的转换为SO2析出，一般可达到90%以上。因此，循环流化床锅炉一般采用炉内喷钙脱硫，由于燃料和脱硫剂在炉内停留的时间长也就使得SO2与脱硫剂有足够的反应时间，脱硫反应充分完全，因而循环流化床锅炉具有很高的脱硫效率。4 脱硫剂的脱硫原理 循环流化床锅炉燃烧过程中最常见的脱硫剂是钙基脱硫剂，如石灰石、白云石，在床温超过其燃烧平衡温度时，将发生煅烧分解反应:CaCO3-CaO+CO2CaO将在富氧条件下与SO2发生反应生成硫酸盐：2CaO+2SO2+O2-2CaSO45 石灰石在循环流化床锅炉内的煅烧过程天然石灰石是一种致密不规则结构的矿石，其孔隙容积和比表面积都很小。在炉内，石灰石首先被煅烧成多孔的CaO，煅烧过程中石灰石颗粒内孔隙容积不断扩大，比表面积也不断增加。石灰石多孔的结构有利于提高二氧化硫的吸收反应活性。6 NOx的形成机理煤在燃烧过程中形成的NOx可分为三种，即热力型、燃料型和快速性。其中快速型生成量很少可以不考虑。根据循环流化床锅炉的反应温度和氧浓度水平，热力型NO的形成速率很低，故一般可以不考虑。煤在燃烧过程中主要是燃料型NOx，燃料氮形成的NO占流化床燃烧方式NOX总排放量的95%以上。7 影响循环流化床锅炉内NOX产生的因素7.1 温度的影响随着运行温度的提高，NOX的排放升高，而N2O的排放将下降。这就意味着，通过降低床温来控制NOX排放会导致N2O排放升高。另一方面，运行床温的控制还受负荷及燃烧效率的制约，床温过低CO浓度很高，这尽管有利于NOX的还原，却带来了化学不完全损失。温度升高由于其热分解作用会使N2O降低。7.2 过剩空气系数的影响7.2.1 不分段燃烧不分段燃烧时，过剩空气系数对NOX和N2O的影响很相似。过剩空气系数降低时，NOX和N2O排放量都下降，过剩空气系数增加很大时，NOX和N2O排放量也大大降低，因为，过剩空气系数很小或很大时，CO浓度都将升高，而CO会促进NO和N2O的还原和分解。7.2.2 分段燃烧实施分段燃烧对降低氮氧化物的排放很有好处。二次风从床面上方的一定距离给入，随着二次风率增大， NOX生成量也随之下降，并在某一分配下达到最低点。这是由于分段燃烧会使锅炉局部氧浓度降低，可以抑制燃料型氮氧化物的生成。另外，分段燃烧也会使火焰高度降低从而使热力型氮氧化物降低。 如图所示：7.3 脱硫剂的影响锅炉添加石灰石的直接目的是为了脱硫。但石灰石对氮氧化物排放也有明显影响，会造成NO上升，而N2O下降。原因是石灰石对NOX的生成起催化作用。因为，多余CaO是氧化性条件下N2O分解的催化剂；CaS是CO还原NO和N2O的强催化剂。8 同时降低SO2和NOX排放的措施通过前面脱除各种有害气体方法的分析，循环流化床锅炉降低SO2和NOX排放的措施主要有：降低过剩空气系数燃烧，过剩空气系数在1.10-1.20之间。分段给入空气，实施分段燃烧合理分配二次风的比例，一般控制在总风量的30%-40%。降低燃烧温度可以使SO2和NOX降低，但会使N2O和CO增加，一般地，循环流化床锅炉的床温在850-900之间为宜。采用较小的脱硫剂粒径150-300m之间，不仅可以增加承载脱硫反应的比表面积，而且使脱硫对温度的敏感性和对NOX的刺激增长作用都会减弱。选择合适的Ca/S比，钙硫比的选择与燃料的含硫量和脱硫剂的粒径有关，一般Ca/S比为1.5-2.5。提高悬浮段的颗粒浓度和混合扰动对脱硫和降低NO排放有利。降低煤的平均粒径和提高一次风压的压头可以提高悬浮段的颗粒浓度。9 循环流化床锅炉SO2和NOX实测值 2009年6月唐山市环境监测站对我公司2台490t/h炉进行了实际监测，检测结果如下：1#炉监测结果监测时间 次数 SO2（mg/m3） NOX（mg/m3）2009年6月3日 1 235 83 2 294 84 3 284 80 2009年6月4日 1 161 982 236 1043 240 102 2#炉监测结果监测时间 次数 SO2（mg/m3） NOX（mg/m3）2009年6月3日 1 135 110 2 115 114 3 109 112 2009年6月4日 1 103 1122 84 1103 85 110我公司循环流化床锅炉通过炉内添加石灰石后，脱硫效率可达92%以上。循环流化床锅炉的低温燃烧和分段燃烧技术使得氮氧化物的排放浓度远远低于国家标准400 mg/m3。9 结论通