煤泥循環流化床鍋爐SO2超低排放的制約因素分析
0引言
煤泥作為煤炭洗選過程中產生的一種小粒徑、高粘度、低熱值的副產品，是資源綜合利用電廠的主要發電燃料之一。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，采用爐內脫硫方式，在保證石灰石品質和合理粒度的前提下，當鈣硫比為3.19時，摻燒煤泥的SO2排放濃度可控制在100mg/m3以內。對于異比重煤泥循環流化床鍋爐的工業脫硫試驗表明，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脫硫能降低SO2排放濃度。但上述煤泥燃燒技術的SO2排放濃度均高于現有超低排放值35mg/m3的要求。近期，對兗礦集團煤泥循環流化床鍋爐脫硫調研結果顯示，在采用爐外脫硫、爐內脫硫+爐外脫硫方式下雖然可實現超低排放，但鈣硫比均在5以上，遠高于2.5的經濟鈣硫比。本文在充分研究兗礦集團所屬煤泥循環流化床鍋爐的燃燒特性基礎上，分析了煤泥循環流化床鍋爐SO2的析出特性和煤泥循環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排放濃度呈現大幅度、不規則波動是全煤泥與摻燒煤泥循環流化床鍋爐的共有特性，這與煤泥的燃燒特性有關。圖2為純煤泥循環流化床鍋爐爐內溫度分布情況，從圖中可以看出，爐膛溫度分布呈現“兩頭高、中間低”的現象，且有較大波動。
這種特殊的溫度分布與煤泥燃燒的結團性和熱爆性有關：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，煤泥在結團下落過程中大部分未經熱爆而破裂成較大的顆粒。在燃燒過程中，較大顆粒經磨損后粒度變小，使燃燒朝著有利的方向發展。小顆粒上浮至爐膛上部燃燒并釋放出熱量，導致爐膛溫度升高，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律進行了測試。測試采用硫分測定法，具體測試結果見表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準值。
異重流化床內的物料分布情況由池涌等的中間混合指數MI來定量描述，其公式為：
其中d^為相對粒度，ρ^為相對密度。根據上式并結合試驗與研究，可以將流化床中的顆粒混和狀態分為5個區：
A區：完全上浮區，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：上浮區，顆粒呈上浮趨勢但未全浮，0.5＜MI＜1：
C區：混和均勻，顆粒間混和良好，MI=0.5；
D區：下沉區，顆粒呈下沉趨勢但未全沉于底部，0＜MI＜0.5；
E區：完全下沉區，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域，這就構成了純煤泥燃燒循環流化床鍋爐SO2排放濃度的基本數值。由于熱爆、磨損導致相對粒度減小，煤泥團從而可上浮至爐膛中部以上部位，當大量細小煤泥團在此區域燃燒放熱時，雖然硫的析出量相對下降，但單位時間內煤泥燃燒量增加，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的反應時間短，從而造成僅依靠爐內脫硫無法實現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，不僅使爐膛下部成為SO2析出的主要區域，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爐外脫硫的超低排放。
綜上所述，溫度、循環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致鈣硫比偏高的主要原因，是煤泥循環流化床鍋爐實現超低排放的主要制約因素。
3結論
(1)對于以煤泥為燃料的循環流化床鍋爐，煤泥特殊的燃燒特性決定了爐膛內的SO2的析出特性，保證爐膛出口區域的脫硫反應強度是實現超低排放的關鍵。
(2)溫度、循環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)脫硫劑的循環利用是實現煤泥循環流化床鍋爐爐內或爐外高效脫硫的重要途徑。
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