石灰石加入量对CFB锅炉污染排放的影响和运行优

　循环流化床锅炉因其燃料适应性广，燃烧效率高，负荷调节范围大，调节速度快等优点得到了广泛的应用。在循环流化床锅炉运行过程中，会产生大量的SO2和其他硫化物，为了防止SO2等含硫的污染物排入到大气中，会在燃料中混入适量石灰石进行掺烧。石灰石在炉膛内被煅烧，生成表面多孔的CaO，当SO2扩散到这些空隙中时，就会与CaO发生反应，生成CaSO4覆盖在CaO表面。化学反应方程式如下：
　　CaCO3→CaO+CO2（1）
　　CaO+SO2→CaSO3（2）
　　2CaSO3+O2→2CaSO4（3）
　　然而，随着大量石灰石的加入，对锅炉SO2、NO和N2O的排放浓度、锅炉的粉尘浓度、总风量和排烟温度等方面造成了不同的影响，这些影响有利有弊。本文对现场试验采集到的相关数据进行了分析，提出了一些运行优化措施。
　　1 主要设备与试验方案
　　1.1 锅炉结构参数
　　试验锅炉为云南某循环流化床1号锅炉，该锅炉的制造技术由ALSTOM公司引进。锅炉为亚临界参数、自然循环、单锅筒、平衡通风的循环流化床锅炉，燃用褐煤。机组的电负荷为300MW，锅炉额定蒸发量为934.8t/h，BMCR工况为1025t/h。锅炉的主要技术参数见表1。
　　燃料及石灰石特性见表2和表3。
　　品种：褐煤
　　1.2 试验设备与方案
　　本试验使用的仪器是MG2000傅里叶可变换红外烟气分析仪，该仪器可对N2O、NO、SO2、O2等气体进行测量。它需与电脑、伴热管、烟气采样管、真空泵、标准气体等设备配合使用。试验设备放置于该电厂烟气小间内。测点布置在尾部烟道接近烟囱处。烟气经烟气采样管，伴热管采集到MG2000中进行分析。采集过程中保持仪器24小时运行，每隔1分钟生成一组烟气成分数据。
　　试验进行时，保持负荷为300MW，床温控制在835oC，氧量稳定在2.3%。石灰石加入量分别为20t/h，60t/h，70t/h，80t/h，110t/h。
　　2 试验结果和分析
　　2.1 石灰石量对SO2、NO和N2O排放浓度的影响
　　由图1可以看出，在给煤量不变的情况下，随着石灰石加入量的增加，N2O和SO2的排放量均呈现下降趋势。增多石灰石的加入量，钙硫比变大，这就使得更多的脱硫剂去捕捉SO2，因此脱硫效率增加[1]。但值得注意的是，随着石灰石量的增多，脱硫效率的增速会逐渐放缓。在图1中，在石灰石量由20t/h增长到80t/h的过程中，SO2的排放量由700mg·m-3下降到100mg·m-3，下降速率接近10mg/t，然而当石灰石量由80t/h增长到110t/h，SO2仅下降了50mg左右，下降速率为1.8mg/t左右。SO2的下降速率大大减缓。考虑到石灰石量的增多，会加大电厂的运行成本，因此石灰石量不宜超过80t/h。
　　对于NO的排放浓度随石灰石量增加而增加，有的学者认为是脱硫产物CaSO4对NH3-NO的反应过程的影响导致的[2]，但根据新近的研究成果表明，这种说法并不全面。当石灰石量增多之后，炉内有大量CaO存在，而CaO是燃料氮转化为NO的强催化剂[3]。虽然CaO同时对CO和H还原NO有催化作用，但后者的影响小于前者，故石灰石量增多时，NO排量升高。另外，还有学者认为石灰石还可以催化HCN和NH3生成NO，从而抑制了挥发分N向N2O的转变，同时也增加了NO的生成量[4]。
　　N2O排放浓度随着石灰石量的增加而降低，但由于N2O排放总量较少，所以在这里不做过多研究。
　　2.2 石灰石量对其他工况的影响
　　图2是在不同石灰石加入量下锅炉粉尘浓度的变化，由图中数据可以看出，大部分工况下粉尘浓度均超过了30mg·Nm-3。根据GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准，规定燃煤电厂的粉尘浓度均不能超过30mg·Nm-3，所以，如何降低粉尘浓度，是在考虑控制SO2、NOx和N2O等污染物排放浓度时也要重点兼顾的一个问题。
　　由图3可以看到，不同工况下的总风量变化量基本不变，风机电耗没有大幅增加，因此，在考虑控制污染物的排放时，改变运行工况对总风量的影响可以放在次要地位考虑，以降低污染物排放浓度为优先。
　　图4反映的是空预器出口烟温的变化。一般火力发电厂均以空预器出口烟温表示锅炉排烟温度。因此，我们可以得出结论：在改变石灰石量的时候，只要运行人员合理控制，排烟温度基本也不会受到影响，排烟损失基本不变。所以，在进行流化床污染物排放浓度运行优化时，变工况对排烟损失的影响也较小，可以优先考虑控制污染物排放。
　　3 结论及运行优化措施
　　（1）通过变石灰石加入量的工业试验可知，在给煤量不变的情况下，随着石灰石加入量的增加，N2O和SO2的排放量均呈现下降趋势，NO的排放量呈现上升趋势。石灰石使用量的增多，会导致灰渣物理热损失增大，飞灰量增加，锅炉效率降低，脱硫成本变高。由试验结果可知，当石灰石投入量达到80t/h时，SO2和NO排放量已经低于200mg/m3，N2O的排放浓度也较低，所以综合考虑石灰石加入量保持在80t/h时比较合适。
　　（2）随着石灰石加入量的增多，粉尘浓度变化不大，但基本都超过了30 mg·Nm-3，已经超过了GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准的允许值。与此同时，石灰石量的变化对空预器出口烟温的影响较小。有研究表明[5]，排烟温度一定时，烟气中SO2的多少会改变灰尘颗粒的比电阻。随着石灰石量的增多，SO2的排放浓度不断下降，颗粒比电阻增加，电除尘器效率下降，粉尘浓度变大。因此，适度降低石灰石加入量，有助于提高电除尘效率。
　　【参考文献】
　　[1]马双忱.烟气循环流化床脱硫技术实验研究[D].北京：华北电力大学，2002.
　　[2]岑可法.循环流化床锅炉理论设计与运行[M].北京：中国电力出版社，1998.
　　[3]，，，，，Franz Winter. N2O emission under flui
　　dized bed combustion condition，Fuel Processing Technology 84（2003）[J].
　　[4]李绚天，骆仲泱，倪明江，岑可法，等. 煤燃烧过程中加石灰石脱硫对NOx排放影响的研究[J].燃料化学学报，1991，1.
　　[5]张桂玲，陈向群，等.石灰石脱硫对循环流化床锅炉运行的影响[J].区域供热，2004，3.