煤泥循环流化床锅炉SO2超低排放的制约因素分析
0引言
煤泥作为煤炭洗选过程中产生的一种小粒径、高粘度、低热值的副产品，是资源综合利用电厂的主要发电燃料之一。但是，燃用煤泥会引起控制SO2排放的难度大幅增加。已有研究表明，采用炉内脱硫方式，在保证石灰石品质和合理粒度的前提下，当钙硫比为3.19时，掺烧煤泥的SO2排放浓度可控制在100mg/m3以内。对于异比重煤泥循环流化床锅炉的工业脱硫试验表明，石灰石替代石英砂作床料可有效降低SO2排放浓度，在钙硫比为3.3时脱硫效率可达79.9%，平均排放浓度为272mg/m3左右。李丽峰等的掺烧煤泥型煤、孙立强等的流化床燃烧试验装置脱硫试验、刘洪朋的掺烧煤泥试验均表明炉内脱硫能降低SO2排放浓度。但上述煤泥燃烧技术的SO2排放浓度均高于现有超低排放值35mg/m3的要求。近期，对兖矿集团煤泥循环流化床锅炉脱硫调研结果显示，在采用炉外脱硫、炉内脱硫+炉外脱硫方式下虽然可实现超低排放，但钙硫比均在5以上，远高于2.5的经济钙硫比。本文在充分研究兖矿集团所属煤泥循环流化床锅炉的燃烧特性基础上，分析了煤泥循环流化床锅炉SO2的析出特性和煤泥循环流化床锅炉超低排放的制约因素，从而为煤泥的洁净燃烧提供参考性建议。
1煤泥的SO2析出特性
图1为典型煤泥循环流化床锅炉SO2的排放浓度变化图。
由图1可以看出，SO2排放浓度呈现大幅度、不规则波动是全煤泥与掺烧煤泥循环流化床锅炉的共有特性，这与煤泥的燃烧特性有关。图2为纯煤泥循环流化床锅炉炉内温度分布情况，从图中可以看出，炉膛温度分布呈现“两头高、中间低”的现象，且有较大波动。
这种特殊的温度分布与煤泥燃烧的结团性和热爆性有关：锅炉运行时，呈团状下落的煤泥因水分气化，热爆后形成更小的泥团。由于热爆后破裂颗粒的大小是无法控制的，同时，煤泥在结团下落过程中大部分未经热爆而破裂成较大的颗粒。在燃烧过程中，较大颗粒经磨损后粒度变小，使燃烧朝着有利的方向发展。小颗粒上浮至炉膛上部燃烧并释放出热量，导致炉膛温度升高，而炉膛温度升高使燃料的硫析出量增大，从而使SO2的排放浓度增大。图3为煤泥团在炉膛中干燥、热爆、燃烧及SO2释放过程的示意图。
2SO2超低排放制约因素分析
锅炉炉膛内不同的温度分布决定了硫的主要析出位置存在差异，因此，我们对不同温度下煤泥中硫的析出规律进行了测试。测试采用硫分测定法，具体测试结果见表1。
由表1可知，不同温度下燃料中硫的析出量不同，850℃时硫的析出量最大，随温度升高硫的析出量减小。在温度高于850℃时，由于煤中碳酸钙分解后的自身固硫作用增强，碱土金属的固硫作用更加突出，使硫的析出减少。当硫析出量变化0.02%时，SO2排放浓度的变化已大于50mg/m3，高于超低排放浓度标准值。
异重流化床内的物料分布情况由池涌等的中间混合指数MI来定量描述，其公式为：
其中d^为相对粒度，ρ^为相对密度。根据上式并结合试验与研究，可以将流化床中的颗粒混和状态分为5个区：
A区：完全上浮区，大粒度小密度颗粒全部浮在床的上半部分，MI不小于1；
B区：上浮区，颗粒呈上浮趋势但未全浮，0.5＜MI＜1：
C区：混和均匀，颗粒间混和良好，MI=0.5；
D区：下沉区，颗粒呈下沉趋势但未全沉于底部，0＜MI＜0.5；
E区：完全下沉区，颗粒完全沉于底部，MI不大于0。
由于煤泥团燃烧时粒度大小不同，因此分布在不同温度区域，这就构成了纯煤泥燃烧循环流化床锅炉SO2排放浓度的基本数值。由于热爆、磨损导致相对粒度减小，煤泥团从而可上浮至炉膛中部以上部位，当大量细小煤泥团在此区域燃烧放热时，虽然硫的析出量相对下降，但单位时间内煤泥燃烧量增加，SO2排放浓度仍呈上升趋势，且由于在炉膛出口附近，脱硫剂与SO2的反应时间短，从而造成仅依靠炉内脱硫无法实现SO2超低排放。
另外，从输送管道出口下落的煤泥在重力作用下逐渐成团、下坠、受热、爆裂、燃烧、硫析出形成SO2，不仅使炉膛下部成为SO2析出的主要区域，而且在煤泥逐渐成团过程中，延迟燃烧同时也延迟了SO2析出，最终SO2累积释放，从而形成了SO2排放浓度的波动，因此，必须保证较高的钙硫比才能实现炉外脱硫的超低排放。
综上所述，温度、循环倍率等因素虽然对脱硫率有影响，但炉膛上部硫析出及硫析出过程中的累积释放才是导致钙硫比偏高的主要原因，是煤泥循环流化床锅炉实现超低排放的主要制约因素。
3结论
(1)对于以煤泥为燃料的循环流化床锅炉，煤泥特殊的燃烧特性决定了炉膛内的SO2的析出特性，保证炉膛出口区域的脱硫反应强度是实现超低排放的关键。
(2)温度、循环倍率等因素虽然对脱硫率有影响，但煤泥团燃烧过程中的SO2累积释放是造成SO2排放浓度波动和钙硫比偏高的主要因素。
(3)脱硫剂的循环利用是实现煤泥循环流化床锅炉炉内或炉外高效脱硫的重要途径。
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