循环流化床锅炉环保特性的认识与分析文章.docx
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循环流化床锅炉环保特性的认识与分析文章
循环流化床锅炉环保特性的认识与分析
东方锅炉唐勇郑兴胜
【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】IntroducetheEnvironmentperformanceofCFB,EmissionStandard,DesulfurizationEfficiencyandInfluence,TypicalCFBOperationExperience,ForCorrectlyJudgmentEnvironmentPerformanceofCFB
【关键词】循环流化床锅炉排放标准脱硫效率
【KeyWords】CFB,EmissionStandard,DesulfurizationEfficiency
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、内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、炉内高效脱硫、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范围大，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内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锅炉炉内石灰石干法脱硫，其脱硫效率较低（≦80～85%），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内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
S1
≦1%
煤中全硫的测定方法（GB214-77）
中硫煤
2级
S2
>1%～2.8%
同上
高硫煤
3级
S3
>2.8%
同上
折算硫份St.zs*
低硫煤
1级
S1
≦0.2%
煤中全硫的测定方法（GB214-77）
中硫煤
2级
S2
>0.2～0.55%
同上
高硫煤
3级
S3
>0.55%
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。
2003年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%,SO2<1200mg/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。
下表为国内外火电厂污染物排放标准。
表2国内外火电厂二氧化硫排放浓度（单位：
mg/m3）标准
国标
地标
GB2003标准
GB96标准
欧盟
菲律宾
英国
美国
印尼
朝鲜
在用电厂
1200～2100
仅规定全厂排放量
400～2000
1090
400～2000
1480
1500
1430
新建电厂
400～1200
1200～2100
200～850
760
400
740
750
770
表3国内外火电厂NOx排放浓度（单位：
mg/m3）标准比较
国标
地标
GB2003标准
GB96标准
欧盟
菲律宾
美国
印尼
朝鲜
在用电厂
650～1500
―
650～1300
1090
860
1700
720
新建电厂
450～1100
650～1000*
200～400
1090
617～737
850～720
720
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）锅炉炉内石灰石干法脱硫，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+CO2-178kj/mol
（2）硫的析出和氧化
S+O2=SO2
SO2+1/2O2=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+1/2O2=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，而内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850℃～900℃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860～870℃范围，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（煤中含有CaO、CaC03）。
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的范围内，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1.8～2.2。
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（自脱硫能力），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0～2mm，平均为100～500μm；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100μm。
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（床温）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850～900℃，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%，一旦超出最佳温度范围，就必须大量增投石灰石（也就是提高Ca/S摩尔比），才能保证S02排放值在允许或保证的范围之内。
4.CFB锅炉运行实例
4.1.内江高坝电厂
内江高坝电厂100MWCFB锅炉为九十年代引进芬兰奥斯龙公司产品，是全国的CFB示范工程，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
%
59.59
51.3
收到基氢
Har
%
2.93
2.18
收到基氧
Oar
%
2.49
1.32
收到基氮
Nar
%
0.71
1.06
全硫
Sd.t
%
3.12
2.80
收到基灰分
Aar
%
22.16
32.14
全水分
Mt
%
9.0
9.0
可燃基挥发分
Vdaf
%
10.56
7.67
固定碳
FC
%
58.28
51.19
低位发热量
Qnet.ar
kJ/kg
22560
19290
折算硫份
St.zs
%
0.58
0.61
4.1.2.石灰石特性
种类
与测试的石灰石一样
质量
中活性
CaCO3
最小94％
MgCO3
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90
4.1.3.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
四川省标准DB51／186-93
国家标准
GBl3223-1996
其它非循环流床锅炉排放
S02
mg／Nm3
684
700
1200
6078.7
Kg／h
260
1200（一级）
N0x
mg／Nm3
78
200
650
1404.85
Kg／h
29.6
70（一级）
C0
mg／Nm3
211
250
Kg／h
80.21
1000（一级）
4.1.4.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6
1
石灰石量
kg/s
2.49
2.51
2.49
2.64
2.42
2.45
2
钙硫摩尔比
2.494
2.522
2.494
2.705
2.396
2.438
3
床温
℃
910
891
880
870
888
879
4
床压
kPa
4.18
4.13
3.95
4.23
4.27
4.29
5
炉膛出口氧量
%
2.96
3.03
3.87
3.93
3.37
3.28
6
排烟氧量
%
3.21
4.35
5.08
5.13
4.65
4.57
7
煤低位发热值
Kj/kg
20859
20859
20859
20859
20859
20859
8
含硫量
%
1.82
1.82
1.82
1.82
1.82
1.82
9
理论SO2排放值
mg/Nm3
4634
4342
4157
4144
4268
4287
10
实测SO2排放值
mg/Nm3
778.4
526.8
594.3
423.9
292.4
214.8
11
SO2排放值（@6%O2）
mg/Nm3
656.3
474.7
559.9
400.6
268.2
196.1
12
脱硫效率
%
85.8
89.1
86.5
90.3
93.7
95.4
13
实测NOx排放值
mg/Nm3
45.62
66.76
56.97
56.54
78.79
70.41
14
NOx排放值（@6%O2）
mg/Nm3
38.47
60.16
53.67
53.54
72.27
64.27
4.2.内江白马电厂
内江白马电厂300MWCFB为国家“九五”批准建设的国内最大容量循环流化床示范电站，锅炉引进法国ALSTOM公司技术，燃用川南高硫无烟煤，2006年4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/h
1025
过热蒸汽出口温度
℃
540
过热蒸汽出口压力
MPa（g）
17.5
再热蒸汽流量
t/h
844
再热蒸汽进/出口压力
MPa（g）
3.88/3.70
再热蒸汽进/出口温度
℃
330/540
给水温度
℃
281
4.2.2.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
%
48.72
45.09
收到基氢
Har
%
2.09
1.94
收到基氧
Oar
%
2.77
2.03
收到基氮
Nar
%
0.56
0.48
收到基硫
Sar
%
2.9
2.95
收到基灰分
Aar
%
35.27
38.01
全水分
Mt
%
7.69
9.50
可燃基挥发分
Vdaf
%
8.55
8.6
收到基低位发热量
Qnet.ar
kJ/kg
18495
17040
折算硫份
St.zs
%
0.66
0.72
4.2.3.锅炉主要运行参数
电负荷
MW
301
汽包压力（g）
MPa
16.95
锅炉蒸发量
t/h
986
给煤总量
t/h
176
主汽温度
℃
530
总风量
Nm3/h
864794
主汽压力
MPa
15.6
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
MPa
3.2
风室压力
kPa
19.6/22.1
给水温度
℃
237
平均床温
℃
901
给水流量
t/h
842
排烟温度
℃
138
减温水流量
t/h
138
排渣温度
℃
142
4.2.4.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/m3
8649
排烟CO含量（O2=6%）
mg/Nm3
229
排烟SO2含量（O2=6%）
mg/Nm3
510
排烟H2含量
ppm
/
脱硫效率
%
94%
排烟NOx含量（O2=6%）
mg/Nm3
54
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100mg/Nm3以下。
4.3.宜宾电厂
宜宾电厂安装100MW、150MWCFB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。
宜宾电厂地处宜宾市区，环保要求严格，当地环保控制指标为1200mg/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
%
50.36
49.58
42.61
收到基氢
Har
%
2.39
2.44
2.74
收到基氧
Oar
%
1.61
2.3
3.04
收到基氮
Nar
%
0.64
0.71
0.80
收到基硫
Sar
%
2.9
2.95
3.78
收到基灰分
Aar
%
33.2
33.22
38.44
全水分
Mt
%
8.9
9.0
7.01
可燃基挥发分
Vdaf
%
15.23
11
11.14
收到基低位发热量
Qnet.ar
kJ/kg
19019
18900
17229
折算硫份
St.zs
%
0.64
0.65
0.92
4.3.2.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=0.450mm
4.3.3.锅炉烟气排放计算结果
含硫量Sar
%
3.78
飞灰浓度
g/Nm3
110.7
Ca/S摩尔比
2.48
排烟O2含量
%
4.91
理论SO2含量
mg/m3
12102
排烟CO2含量
%
/
排烟SO2含量（O2=6%）
mg/Nm3
680
排烟CO含量（O2=6%）
mg/Nm3
46
脱硫效率（最高值）
%
94.5
排烟NOx含量（O2=6%）
mg/Nm3
16.6
4.3.4.烟气排放实时检测曲线
下面两条曲线为宜宾电厂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1200mg/Nm3以下连续稳定运行，最低SO2排放可以小于700mg/Nm3，此时脱硫效率达到了94.5%，充分证明了CFB炉内石灰石干法脱硫，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，宜宾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.上海大屯能源股份有限公司发电厂2×135MW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
%
47.08
43.66
收到基氢
Har
%
3.16
2.97
收到基氧
Oar
%
7.37
4.60
收到基氮
Nar
%
0.88
0.75
全硫
Sd.t
%
0.75
0.84
收到基灰分
Aar
%
34.65
41.78
全水分
Mt
%
6.11
5.4
可燃基挥发分
Vdaf
%
40.56
43.03
低位发热量
Qnet.ar
kJ/kg
18780
16480
折算硫份
St.zs
%
0.17
0.21
4.4.2.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/h
440
468
主蒸汽温度
℃
538
534
主蒸汽压力
MPa
13.8
13.27
锅炉热效率
%
91.03
91.14
锅炉最低稳燃负荷
%BMCR
≯30
30
锅炉升负荷变化率
MW/min
≥4.5
4.57
锅炉降负荷变化率
MW/min
≥5
5.31
设计一次风侧阻力
kPa
17.7±10%
18.73
设计二次风侧阻力
kPa
10.27±10%
11.04
设计烟侧阻力
kPa
3.91±10%
3.68
过热器阻力
MPa
≤1
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