煤在燃燒過程中會產生出二氧化硫等污染性氣體，為了有效地對其的產出加以控制，在工業生產中開始大量的將脫硫技術應用到實際的生產操作當中，循環流化床鍋爐便是其中之一。本文對影響循環化床鍋爐爐內的脫硫效率的因素進行簡單論述。

　　《工業設計》于2006年經國家新聞出版總署批準創刊，雜志由黑龍江省科學技術學會主管、黑龍江省工業設計協會主辦。《工業設計》為月刊，是目前國內唯一專業的報道工業設計的綜合性期刊。

　　1 導語

　　根據國家相關法律法規的要求，燃煤在使用過程中的硫化物的排放量是有嚴格的規定的。因此，在相關的燃煤使用企業中必須進行脫硫燃煤生產操作，但是由于脫硫成本較高以及影響脫硫效率的因素較多，致使在很大程度上燃煤的硫化物排放量依然很高。對此，筆者將循環流化床鍋爐爐內脫硫效率影響因素分析為重點，對這一問題加以論述，以提高該種鍋爐的脫硫效率，降低企業成本。

　　2 鍋爐爐型的甄選

　　對于鍋爐爐型的選擇要在以該企業實際年使用燃煤量的基礎上進行具體的選用，其中為降低脫硫的成本，需在同容量的鍋爐上選擇具有較高熱效率和爐內脫硫效率的鍋爐。我們一家公司的鍋爐進行脫硫實驗分析，為更好地降低脫硫成本，我們為其選用了SHFx35-1.27/270-P 型號的低循環倍率鍋爐，在15.8米的出口高度上鍋爐為3.8 m/s的爐膛設計煙速，采用中溫旋風分離器和袋式除塵器，除塵效率≥99.9%，可有效地將煙塵的排放濃度控制在30mg/m3。其使用燃煤為本地貧煤，工業分析值如下所示：

　　3 煤燃燒過程中SO2的析出

　　煤中硫可分為四種形態，即硫化物(以黃鐵礦硫FeS2為主)、硫酸鹽(CaSO4·2H2O，FeSO4·2H2O)、有機硫(CxHySz)及元素硫。其中，硫化物硫和有機硫及元素硫是可燃硫，占煤中硫分的 90%以上，硫酸鹽硫是不可燃硫，是煤中灰分的組成部分。煤在燃燒期間，所有的可燃硫在受熱過程中都從煤中釋放出來。在氧化氣氛中，又會被氧化而生成SO2，有機硫在加熱至 400 ℃時即開始大量分解，煤中有機硫和元素硫在燃燒過程中基本上都會氧化生成SO2。黃鐵礦硫在 300 ℃時即開始失去硫份，形成黃鐵礦和赤鐵礦。黃鐵礦硫的大量分解是在 650 ℃以上。

　　在氧化氣氛下，硫化物硫(以黃鐵礦硫 FeS2為主)可直接氧化生成SO2：

　　4FeS2+11 SO2→2Fe2O3+8 SO2 (1)

　　4 脫硫機理

　　煤在燃燒過程中生成的SO2如遇堿金屬氧化物CaO、MgO 等，便會反應生成 CaSO4、MgSO4等而被固定在灰渣中。因此燃燒脫硫也常常被稱做固硫。目前循環流化床燃燒脫硫通常采用石灰石(CaCO3) 作為脫硫劑，把破碎后的粒度為 0.1~2.0mm的石灰石送入循環流化床爐膛內，其在爐內的脫硫反應分兩步：首先是石灰石的煅燒分解反應，反應式為：

　　CaCO3=CaO+CO2-0.1794×106kJ/kg (2)

　　石灰石在煅燒過程中，由于 CO2的析出，使生成的 CaO 具有多孔的結構。除 CaO 表面完成對 SO2的吸附外，其多孔結構使 CaO 對 SO2的吸附表面增加，從而加大 CaO 對 SO2的反應接觸面積，促進反應的進行，最終反應生成 CaSO4。發生的脫硫反應如下：

　　CaO+SO2+1/2O2=CaSO4+0.502×106kJ/kg (3)

　　式(3)是燃燒脫硫反應的主要步驟，特別是在溫度較高時式(2)反應速度很快，但需要注意式(3)反應存在最佳溫度范圍，該溫度范圍為840~870 ℃。流化床在這個溫度范圍內進行燃燒脫硫時可以得到較高的脫硫效率，溫度低于或高于該溫度范圍后，脫硫效率都會降低。

　　5 影響脫硫效率的主要因素

　　脫硫效果通常用脫硫效率來表示，而脫硫效率通常用煙氣中的 SO2被石灰石吸收的百分數來表示。

　　式(4)中 ηSO2———脫硫效率，%

　　C0———SO2原始理論排放濃度，mg/m3

　　C1———加入石灰石后 SO2排放濃度，mg/m3

　　影響脫硫效率的因素眾多，其中主要因素有:脫硫劑的特性、Ca/S 摩爾比、石灰石的顆粒分布、床溫、飛灰循環倍率、煤的性質等。

　　5.1 石灰石的反應活性

　　要保證脫硫運行的效果和經濟性，石灰石品質的選擇是關鍵，石灰石質量要求 CaCO3含量大于 70%，選用的脫硫試驗石灰石成份分析見表 2 所示;再者，就是購買反應活性高和脫硫性能好的品種。 一般說來，晶體型石灰石主要由大塊的碳酸鈣晶體組成，結構致密，煅燒后生成的石灰的微孔結構很不理想，反應面積小，因此反應活性差。非晶體型石灰石是由小塊碳酸鈣晶體黏結在一起形成的非晶體結構，煅燒后形成的微孔比較理想，可參與反應面積大，所以其活性好，由此可見，對于燃燒高硫燃料，為保證高的脫硫效率，用作脫硫劑的石灰石選擇十分重要。

　　5.2 Ca/S摩爾比的影響

　　一般情況下，要求的脫硫效率越高，那么 Ca/S摩爾比也越高，因而要消耗更多的石灰石，且在飛灰中未反應的 CaO 含量越高，脫硫運行成本也就越高。鍋爐燃用的原料煤中 Sf平均為 1.28%，我們用德國約克儀器公司的 S2000 型煙氣分析儀在煙道分別測試了不同 Ca/S 摩爾比下 SO2排放濃度，圖 2 是當濃相區溫度在 860 ℃時，測試得到的 Ca/S 摩爾比與脫硫效率的數據關系，從圖 2 可以看出，隨著 Ca/S摩爾比增大，脫硫效率增大，當 Ca/S 摩爾比大于 2.5時脫硫效率增加趨勢緩慢。當 Ca/S 摩爾比為 2.5時，SO2的排放濃度 G'SO2=548 mg/m3，脫硫效率為78.6%。

　　5.3 循環流化床鍋爐床溫的影響

　　床溫的變化不僅直接影響循環流化床鍋爐的著火和穩定燃燒，還影響石灰石的反應速度、固硫產物分布以及孔隙堵塞特性，從而對脫硫效率和脫硫的使用量有重要影響，因此，對床溫控制應考慮：在該溫度下不會軟化，保證鍋爐的燃燒效率較高，脫硫劑使用較少，脫硫效率高，NOx排放低。當床溫低于800 ℃時，石灰石煅燒生成 CaO 速度減慢，減少了可供反應的表面積，脫硫效率下降且鍋爐不能穩定運行。當床溫大于 870 ℃，CaO 內部分布均勻的小晶粒會逐漸融合為大晶粒。溫度越高，晶粒越大，單位質量內晶粒數量減少，CaO 比表面積下降。經過反復試驗表明，床溫對于脫硫效率有重要影響，循環流化床鍋爐爐內脫硫最佳溫度應控制在 840~900 ℃之間，床溫在這個溫度范圍運行時，在同樣 Ca/S 摩爾比的情況下，可以得到較高的脫硫效率，如果低于820 ℃或高于 920 ℃，在保證一定的脫硫效率的情況下，Ca/S 摩爾比需增加許多。床溫過低則不利于石灰石煅燒反應進行，相反若床溫過高，CaO 內的微孔會被迅速堵塞而阻止了脫硫劑的進一步利用。此外，床溫過高還會造成 CaSO4分解，也影響脫硫效率。由此可見，為得到較高的脫硫效率，控制燃燒溫度，并使整個床溫分布均勻具有重要意義。

　　5.4 揮發分含量的影響

　　由于煤中揮發分的析出和燃燒速度比焦炭的燃燒速度快得多，因此揮發分中的硫分會迅速析出，在煤入爐點會形成一個 SO2高濃度和低氧濃度的區域，而且在煙氣的帶動下很快向爐膛上部擴散。在循環流化床鍋爐中，特別在稀相區中，氣體和固體的橫向混合比較差，由于揮發分中硫產生的 SO2會向上穿過爐膛，使脫硫效率降低，通常燒揮發分高的煤時，只有采用較高的 Ca/S 摩爾比，才能得到較高的脫硫效率。

　　5.5 煤的性質對脫硫效率的影響

　　煤的性質指煤中可燃硫的含量和燃煤灰渣堿金屬氧化物的含量。在氧化性氣氛中，煤在燃燒過程中的可燃硫全部生成SO2。可燃硫占煤中含硫量的絕大部分，因此，可以根據煤中的含硫量大致估算煤在燃燒過程中SO2的生成量。煤中的硫燃燒后生成兩倍于煤中硫質量的 SO2。因此，煤中每 1%的含硫就會在煙氣中生成約 2000 mg/m3(標準狀態下)的SO2。

　　當煤中含硫量為 2%時，煙氣中 SO2的原始生成濃度為 4000 mg/m3(標準狀態下)。如果要求煙氣中SO2的排放標準為 400 mg/m3(標準狀態下)，則燃燒過程中的脫硫效率必須達到 90%。在相同 Ca/S 摩爾比的情況下，含硫量越高的煤，其脫硫率也越高。這是因為高硫煤會使爐膛內產生較高的 SO2濃度，因而提高了脫硫的反應速度。

　　煤中含有 CaO、MgO、Fe2O3等堿性金屬氧化物，也具有一定的脫硫能力。它們和煙氣中的 SO2發生化學反應而脫除SO2，這叫煤灰中堿性氧化物的自脫硫能力。

　　6 結論

　　綜上所述，影響爐內脫硫效率的因素眾多，通過多年的實踐摸索，建議：①對采購石灰石品質嚴格把關，選擇反應活性高、脫硫性能好的石灰石;②石灰石破碎的粒徑分布的要求符合“兩頭小，中間大”，平均粒徑控制在 126 mm 的范圍內, 石灰石與煤同點給入;③優化控制鍋爐運行技術參數，特別是床溫的最佳溫度應控制在840~900 ℃之間;④在原料煤中摻燒低硫的無煙煤。通過以上措施的落實就可以發揮循環流化床鍋爐的優勢，實現循環流化床鍋爐低成本脫硫和SO2的達標排放。

　　參考文獻：

　　[1]岑可法.循環流化床鍋爐理論設計與運行[M].北京：中國電力出版社，1998.

　　[2]劉德昌, 陳漢平等.循環流化床鍋爐運行及事故處理[M].北京:中國電力出版社.