煤泥循環(huán)流化床鍋爐SO2超低排放的制約因素分析

大氣網(wǎng)訊:0引言

煤泥作為煤炭洗選過程中產(chǎn)生的一種小粒徑、高粘度、低熱值的副產(chǎn)品，是資源綜合利用電廠的主要發(fā)電燃料之一。但是，燃用煤泥會引起控制SO2排放的難度大幅增加。已有研究表明，采用爐內(nèi)脫硫方式，在保證石灰石品質(zhì)和合理粒度的前提下，當(dāng)鈣硫比為3.19時，摻燒煤泥的SO2排放濃度可控制在100mg/m3以內(nèi)。對于異比重煤泥循環(huán)流化床鍋爐的工業(yè)脫硫試驗表明，石灰石替代石英砂作床料可有效降低SO2排放濃度，在鈣硫比為3.3時脫硫效率可達(dá)79.9%，平均排放濃度為272mg/m3左右。李麗峰等的摻燒煤泥型煤、孫立強等的流化床燃燒試驗裝置脫硫試驗、劉洪朋的摻燒煤泥試驗均表明爐內(nèi)脫硫能降低SO2排放濃度。但上述煤泥燃燒技術(shù)的SO2排放濃度均高于現(xiàn)有超低排放值35mg/m3的要求。近期，對兗礦集團煤泥循環(huán)流化床鍋爐脫硫調(diào)研結(jié)果顯示，在采用爐外脫硫、爐內(nèi)脫硫+爐外脫硫方式下雖然可實現(xiàn)超低排放，但鈣硫比均在5以上，遠(yuǎn)高于2.5的經(jīng)濟鈣硫比。本文在充分研究兗礦集團所屬煤泥循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性基礎(chǔ)上，分析了煤泥循環(huán)流化床鍋爐SO2的析出特性和煤泥循環(huán)流化床鍋爐超低排放的制約因素，從而為煤泥的潔凈燃燒提供參考性建議。

1煤泥的SO2析出特性

圖1為典型煤泥循環(huán)流化床鍋爐SO2的排放濃度變化圖。

由圖1可以看出，SO2排放濃度呈現(xiàn)大幅度、不規(guī)則波動是全煤泥與摻燒煤泥循環(huán)流化床鍋爐的共有特性，這與煤泥的燃燒特性有關(guān)。圖2為純煤泥循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)溫度分布情況，從圖中可以看出，爐膛溫度分布呈現(xiàn)“兩頭高、中間低”的現(xiàn)象，且有較大波動。

這種特殊的溫度分布與煤泥燃燒的結(jié)團性和熱爆性有關(guān)：鍋爐運行時，呈團狀下落的煤泥因水分氣化，熱爆后形成更小的泥團。由于熱爆后破裂顆粒的大小是無法控制的，同時，煤泥在結(jié)團下落過程中大部分未經(jīng)熱爆而破裂成較大的顆粒。在燃燒過程中，較大顆粒經(jīng)磨損后粒度變小，使燃燒朝著有利的方向發(fā)展。小顆粒上浮至爐膛上部燃燒并釋放出熱量，導(dǎo)致爐膛溫度升高，而爐膛溫度升高使燃料的硫析出量增大，從而使SO2的排放濃度增大。圖3為煤泥團在爐膛中干燥、熱爆、燃燒及SO2釋放過程的示意圖。

2SO2超低排放制約因素分析

鍋爐爐膛內(nèi)不同的溫度分布決定了硫的主要析出位置存在差異，因此，我們對不同溫度下煤泥中硫的析出規(guī)律進行了測試。測試采用硫分測定法，具體測試結(jié)果見表1。

由表1可知，不同溫度下燃料中硫的析出量不同，850℃時硫的析出量最大，隨溫度升高硫的析出量減小。在溫度高于850℃時，由于煤中碳酸鈣分解后的自身固硫作用增強，堿土金屬的固硫作用更加突出，使硫的析出減少。當(dāng)硫析出量變化0.02%時，SO2排放濃度的變化已大于50mg/m3，高于超低排放濃度標(biāo)準(zhǔn)值。

異重流化床內(nèi)的物料分布情況由池涌等的中間混合指數(shù)MI來定量描述，其公式為：

其中d^為相對粒度，ρ^為相對密度。根據(jù)上式并結(jié)合試驗與研究，可以將流化床中的顆粒混和狀態(tài)分為5個區(qū)：

A區(qū)：完全上浮區(qū)，大粒度小密度顆粒全部浮在床的上半部分，MI不小于1；

B區(qū)：上浮區(qū)，顆粒呈上浮趨勢但未全浮，0.5＜MI＜1：

C區(qū)：混和均勻，顆粒間混和良好，MI=0.5；

D區(qū)：下沉區(qū)，顆粒呈下沉趨勢但未全沉于底部，0＜MI＜0.5；

E區(qū)：完全下沉區(qū)，顆粒完全沉于底部，MI不大于0。

由于煤泥團燃燒時粒度大小不同，因此分布在不同溫度區(qū)域，這就構(gòu)成了純煤泥燃燒循環(huán)流化床鍋爐SO2排放濃度的基本數(shù)值。由于熱爆、磨損導(dǎo)致相對粒度減小，煤泥團從而可上浮至爐膛中部以上部位，當(dāng)大量細(xì)小煤泥團在此區(qū)域燃燒放熱時，雖然硫的析出量相對下降，但單位時間內(nèi)煤泥燃燒量增加，SO2排放濃度仍呈上升趨勢，且由于在爐膛出口附近，脫硫劑與SO2的反應(yīng)時間短，從而造成僅依靠爐內(nèi)脫硫無法實現(xiàn)SO2超低排放。

另外，從輸送管道出口下落的煤泥在重力作用下逐漸成團、下墜、受熱、爆裂、燃燒、硫析出形成SO2，不僅使?fàn)t膛下部成為SO2析出的主要區(qū)域，而且在煤泥逐漸成團過程中，延遲燃燒同時也延遲了SO2析出，最終SO2累積釋放，從而形成了SO2排放濃度的波動，因此，必須保證較高的鈣硫比才能實現(xiàn)爐外脫硫的超低排放。

綜上所述，溫度、循環(huán)倍率等因素雖然對脫硫率有影響，但爐膛上部硫析出及硫析出過程中的累積釋放才是導(dǎo)致鈣硫比偏高的主要原因，是煤泥循環(huán)流化床鍋爐實現(xiàn)超低排放的主要制約因素。

3結(jié)論

(1)對于以煤泥為燃料的循環(huán)流化床鍋爐，煤泥特殊的燃燒特性決定了爐膛內(nèi)的SO2的析出特性，保證爐膛出口區(qū)域的脫硫反應(yīng)強度是實現(xiàn)超低排放的關(guān)鍵。

(2)溫度、循環(huán)倍率等因素雖然對脫硫率有影響，但煤泥團燃燒過程中的SO2累積釋放是造成SO2排放濃度波動和鈣硫比偏高的主要因素。

(3)脫硫劑的循環(huán)利用是實現(xiàn)煤泥循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)或爐外高效脫硫的重要途徑。

原標(biāo)題:煤泥循環(huán)流化床鍋爐SO2超低排放的制約因素分析