爐內噴鈣脫硫對鍋爐性能影響的試驗研究
摘要：研究(jiu)了一臺150 MW 供熱(re)鍋(guo)爐爐內(nei)噴鈣(gai)脫(tuo)硫(liu)對運行性能的(de)影(ying)響。追蹤了噴鈣(gai)脫(tuo)硫(liu)投運前后三年來(lai)排煙溫度(du)的(de)變化，定量(liang)分析噴鈣(gai)脫(tuo)硫(liu)引(yin)起受(shou)熱(re)面異常(chang)沾污對鍋(guo)爐性能的(de)影(ying)響；并(bing)通過專項試(shi)驗，研究(jiu)爐內(nei)噴鈣(gai)脫(tuo)硫(liu)對燃(ran)燒、爐膛和(he)空(kong)氣預熱(re)器傳(chuan)熱(re)的(de)影(ying)響，結果表明，爐內(nei)噴鈣(gai)脫(tuo)硫(liu)使鍋(guo)爐效率降(jiang)低約1.72%，爐膛吸熱(re)量(liang)略有增加。
關鍵詞：鍋爐,爐內(nei)噴(pen)鈣(gai)煙氣脫硫,鍋爐性能,鍋爐性能試驗
0 引言
某電廠(chang)150 MW 供熱(re)機組(zu)于2005 年(nian)(nian)(nian)7 月(yue)結束 96 h 試(shi)運行(xing)，移交試(shi)生產。2005 年(nian)(nian)(nian)9 月(yue)完成性(xing)能(neng)考核試(shi)驗。2007 年(nian)(nian)(nian)8 月(yue)， 爐(lu)(lu)內噴鈣尾部增濕（Limestone Injection into the Furnace and Activation of Calcium 簡稱LIFAC）煙氣脫硫(liu)系統正式(shi)投(tou)入運行(xing)。2008 年(nian)(nian)(nian) 3 月(yue)，屏式(shi)過(guo)熱(re)器(qi)管間結渣(zha)連片，導致鍋爐(lu)(lu)通風異(yi)常而(er)緊急停爐(lu)(lu)；兩臺噴鈣脫硫(liu)鍋爐(lu)(lu)運行(xing)兩年(nian)(nian)(nian)后性(xing)能(neng)嚴重下降，電廠(chang)多(duo)次(ci)組(zu)織技(ji)術(shu)人員分析鍋爐(lu)(lu)性(xing)能(neng)下降原因，并(bing)通過(guo)專(zhuan)項試(shi)驗，研究了爐(lu)(lu)內噴鈣脫硫(liu)對鍋爐(lu)(lu)性(xing)能(neng)的影(ying)響。
1 設備概況
1.1 鍋爐
該(gai)電(dian)(dian)廠3、4 號機(ji)組是150 MW 燃(ran)(ran)煤(mei)(mei)供熱(re)機(ji)組，鍋爐是上海鍋爐廠生產的(de)SG-480/13.7-M776 型超高(gao)壓自然循環汽包爐。爐膛為正方形，深(shen)度和(he)寬(kuan)度均為9.60 m，高(gao)45.95 m。采用寬(kuan)調節比擺動式燃(ran)(ran)燒器，四角(jiao)布置(zhi)，切圓燃(ran)(ran)燒。制粉(fen)系(xi)統(tong)為鋼球磨、中間儲倉、乏(fa)氣(qi)送粉(fen)系(xi)統(tong)；采用靜電(dian)(dian)除塵器。鍋爐設(she)計燃(ran)(ran)用揮(hui)發(fa)分Vdaf =36%、發(fa)熱(re)量Qnet,ar= 21 270 kJ/kg、含(han)硫量Sar=0.44%的(de)煙(yan)煤(mei)(mei)，設(she)計煤(mei)(mei)的(de)灰熔點DT=1 220 ℃，ST>1 280 ℃，FT>1 338 ℃。
1.2 煙氣脫硫系統
每臺鍋爐(lu)配一套爐(lu)內(nei)(nei)(nei)噴(pen)鈣尾部增濕煙氣(qi)脫(tuo)硫(liu)(liu)系統，見圖1，設計參數見表1，工作原理簡述如(ru)下： 在(zai)(zai)爐(lu)膛29.7 m 和32.2 m 層高處各設一排噴(pen)嘴(zui)，石灰石噴(pen)入爐(lu)膛后，鍛燒(shao)分解(jie)成CaO 和CO2，部分SO2 與CaO 反應生(sheng)成CaSO4， 這一階段脫(tuo)硫(liu)(liu)效率(lv)25%～30%； 在(zai)(zai)增濕活化器內(nei)(nei)(nei), 脫(tuo)硫(liu)(liu)劑表面形成水(shui)膜, SO2 向其中(zhong)溶(rong)解(jie)，被CaSO4 包裹的(de)(de)CaO 遇水(shui)生(sheng)成Ca（OH）2，并與溶(rong)于水(shui)的(de)(de)SO2 反應；為了提高鈣的(de)(de)利用率(lv)， 將(jiang)電除塵器第一電場收(shou)集來的(de)(de)粉塵送回增濕活化器循環(huan)利用； 活化器出口(kou)煙氣(qi)在(zai)(zai)加熱(re)器內(nei)(nei)(nei)與來自空氣(qi)預(yu)熱(re)器的(de)(de)熱(re)空氣(qi)直接混合(he)，保證(zheng)電除塵器安全(quan)運行。
2 受熱面沾污對排煙溫度的影響
爐膛(tang)噴鈣增加了(le)灰量，改變了(le)灰的(de)化學成分(fen)和(he)粒度(du)分(fen)布，進而影(ying)響(xiang)灰在(zai)鍋爐不同部件(jian)上的(de)堆積(ji)特(te)性(xing)，受熱面堆積(ji)灰的(de)分(fen)布和(he)數量以及化學物理特(te)性(xing)對排(pai)煙溫度(du)有重要的(de)影(ying)響(xiang)。
鈣基吸附劑在(zai)爐膛上(shang)方(fang)噴入(ru)(ru)后，鈣基吸附劑在(zai)熱(re)解(jie)時(shi)發生爆裂(lie)，產生大(da)量的細微顆(ke)粒，細微顆(ke)粒容(rong)易粘(zhan)附在(zai)受(shou)熱(re)面(mian)上(shang)，使受(shou)熱(re)面(mian)的沾污加重(zhong)；另(ling)外，噴入(ru)(ru)鈣基吸附劑后，灰中自由CaO 顆(ke)粒較多，由于 CaO 的熔點(dian)較低，受(shou)熱(re)面(mian)上(shang)粘(zhan)污核心(xin)增多，受(shou)熱(re)面(mian)沾污和結渣傾(qing)向加重(zhong)［1］。
爐(lu)(lu)(lu)膛噴(pen)鈣脫硫(liu)對受熱(re)面(mian)沾污或(huo)結(jie)渣(zha)的(de)(de)(de)(de)(de)影響還因煤(mei)種而(er)稍異；低(di)(di)硫(liu)煤(mei)噴(pen)射石(shi)灰(hui)(hui)(hui)(hui)石(shi)后(hou)，灰(hui)(hui)(hui)(hui)的(de)(de)(de)(de)(de)軟(ruan)化(hua)溫(wen)度(du)(du)下降(jiang)較多，而(er)高(gao)硫(liu)煤(mei)則下降(jiang)較少；機(ji)理(li)研究(jiu)表明［2］，沾污特(te)性與煤(mei)的(de)(de)(de)(de)(de)活性有(you)機(ji)鈉(na)化(hua)合(he)物(wu)含量(liang)有(you)關，這(zhe)些鈉(na)化(hua)合(he)物(wu)熔點(dian)低(di)(di)， 在(zai)爐(lu)(lu)(lu)膛高(gao)溫(wen)環(huan)境下首(shou)先被蒸發，而(er)后(hou)凝結(jie)固(gu)化(hua)在(zai)溫(wen)度(du)(du)相對低(di)(di)的(de)(de)(de)(de)(de)受熱(re)面(mian)上，與灰(hui)(hui)(hui)(hui)顆(ke)粒一(yi)起在(zai)受熱(re)面(mian)上形(xing)成非(fei)常(chang)緊密(mi)的(de)(de)(de)(de)(de)積灰(hui)(hui)(hui)(hui)， 在(zai)此(ci)過程(cheng)中，鈉(na)化(hua)合(he)物(wu)起到類(lei)(lei)似“膠水”的(de)(de)(de)(de)(de)作用，使積灰(hui)(hui)(hui)(hui)堅硬緊密(mi)，難(nan)以清除(chu)；研究(jiu)表明，對于(yu)一(yi)部(bu)分(fen)沾污性很強的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)鈉(na)煤(mei)，爐(lu)(lu)(lu)膛噴(pen)鈣會(hui)使積灰(hui)(hui)(hui)(hui)對管壁的(de)(de)(de)(de)(de)粘結(jie)強度(du)(du)降(jiang)低(di)(di)，沾污變(bian)(bian)得(de)容(rong)易清除(chu)，這(zhe)是(shi)有(you)利的(de)(de)(de)(de)(de)方面(mian)；而(er)對于(yu)大多煤(mei)種，爐(lu)(lu)(lu)膛噴(pen)鈣會(hui)降(jiang)低(di)(di)灰(hui)(hui)(hui)(hui)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)形(xing)溫(wen)度(du)(du)和流動溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)差值，如(ru)果(guo)該溫(wen)差很小，積灰(hui)(hui)(hui)(hui)也難(nan)以清除(chu)；表2 給出(chu)了該電(dian)廠部(bu)分(fen)入廠煤(mei)灰(hui)(hui)(hui)(hui)熔點(dian)檢驗結(jie)果(guo)， 可(ke)以看出(chu)，燃用的(de)(de)(de)(de)(de)神華(hua)煤(mei)灰(hui)(hui)(hui)(hui)熔點(dian)FT 都低(di)(di)于(yu)1250 ℃，屬嚴重結(jie)焦煤(mei)，該類(lei)(lei)煤(mei)不(bu)僅(jin)灰(hui)(hui)(hui)(hui)熔點(dian)低(di)(di)，而(er)且灰(hui)(hui)(hui)(hui)的(de)(de)(de)(de)(de)初始(shi)變(bian)(bian)形(xing)溫(wen)度(du)(du)DT 與流動溫(wen)度(du)(du)FT 差值小； 爐(lu)(lu)(lu)膛噴(pen)鈣會(hui)進(jin)一(yi)步增(zeng)加(jia)屏式過熱(re)器結(jie)渣(zha)機(ji)會(hui)，而(er)且可(ke)能形(xing)成難(nan)以清除(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)沾污；2008 年(nian)初，3 號鍋爐(lu)(lu)(lu)因屏式過熱(re)器管間結(jie)渣(zha)連片(pian)、鍋爐(lu)(lu)(lu)通風困(kun)難(nan)而(er)緊急停爐(lu)(lu)(lu)。
排煙(yan)溫度(du)是(shi)受(shou)熱面(mian)(mian)整體(ti)沾(zhan)污狀(zhuang)態的直接反映，但(dan)鍋爐(lu)運行(xing)中(zhong)，環境溫度(du)變化(hua)大，對排煙(yan)溫度(du)有較(jiao)大影響；將排煙(yan)溫度(du)修(xiu)(xiu)正(zheng)到標準環境狀(zhuang)態后，環境溫度(du)的影響被剝離(li)出(chu)去，修(xiu)(xiu)正(zheng)后的排煙(yan)溫度(du)可以(yi)準確指示(shi)受(shou)熱面(mian)(mian)整體(ti)沾(zhan)污狀(zhuang)態。該電廠(chang)3 號(hao)鍋爐(lu)自(zi) 2005 年(nian)(nian)7 月(yue)17 日投產(chan)以(yi)來，共(gong)進行(xing)4 次正(zheng)式鍋爐(lu)效率試(shi)驗(yan)(yan)，試(shi)驗(yan)(yan)時間(jian)分別是(shi)2005 年(nian)(nian)9 月(yue)、2006 年(nian)(nian)7 月(yue)、2008 年(nian)(nian)7 月(yue)、2009 年(nian)(nian)1 月(yue)，4 次試(shi)驗(yan)(yan)中(zhong)修(xiu)(xiu)正(zheng)排煙(yan)溫度(du)隨(sui)時間(jian)變化(hua)見圖2。
該電廠(chang)燃(ran)用(yong)煤(mei)礦點(dian)(dian)繁多(duo)，2008 年低灰熔點(dian)(dian)的煤(mei)比例逐漸增(zeng)多(duo)，同年12 月(yue)(yue)(yue)，低灰熔點(dian)(dian)神華(hua)混(hun)煤(mei)和神華(hua)石炭煤(mei)占到入廠(chang)煤(mei)的89%。從圖2 看出，脫硫系統投用(yong)、低灰熔點(dian)(dian)煤(mei)增(zeng)多(duo)后(hou)，排(pai)煙溫度(du)大幅度(du)增(zeng)加；2006 年7 月(yue)(yue)(yue)到2009 年1 月(yue)(yue)(yue)，135 MW 負(fu)荷下的修正(zheng)排(pai)煙溫度(du)由(you)136.2 ℃上升到157.24 ℃，升幅達 21 ℃，表明受熱面的沾污狀態明顯惡化(hua)。
3 脫硫系統投、停試驗對比［3］
脫硫(liu)系統正式(shi)投(tou)用一年后，在該電(dian)廠3 號鍋(guo)爐(lu)(lu)上(shang)進行(xing)脫硫(liu)設備投(tou)、停對(dui)比(bi)試(shi)驗(yan)，試(shi)驗(yan)前，利(li)用蒸汽吹(chui)灰器清(qing)除(chu)受熱(re)面上(shang)的松散性積(ji)灰，在相(xiang)同的受熱(re)面清(qing)潔度(du)下開始試(shi)驗(yan)，試(shi)驗(yan)按(an)國家標準GB 10184- 88 的規定進行(xing)， 主要考(kao)察爐(lu)(lu)內噴鈣脫硫(liu)對(dui)排煙溫度(du)、爐(lu)(lu)內燃燒和傳熱(re)的影響(xiang)。
兩次試驗鍋爐(lu)負(fu)荷和(he)燃(ran)用(yong)煤種相同，試驗結果見表(biao)3，從中可(ke)看出，兩次試驗未燃(ran)盡碳(tan)損失基本(ben)相同，爐(lu)內噴(pen)(pen)鈣脫(tuo)(tuo)硫對燃(ran)燒影響很小。脫(tuo)(tuo)硫系統投(tou)用(yong)后(hou)，減(jian)溫水流量(liang)(liang)明顯減(jian)少，說(shuo)明爐(lu)膛(tang)換(huan)熱(re)(re)量(liang)(liang)增加(jia)(jia)，這是煙氣(qi)的(de)(de)灰負(fu)荷增加(jia)(jia)引(yin)起。鈣基吸附劑(ji)在(zai)爐(lu)膛(tang)上方(fang)噴(pen)(pen)入， 對爐(lu)膛(tang)下(xia)方(fang)受熱(re)(re)面的(de)(de)結渣和(he)沾污(wu)影響較小，但由(you)于爐(lu)膛(tang)空間灰負(fu)荷增加(jia)(jia)，灰擴散和(he)吸收率發生(sheng)改變(bian)(bian)，導致爐(lu)膛(tang)輻射(she)傳熱(re)(re)特(te)性變(bian)(bian)化，從而引(yin)起爐(lu)膛(tang)換(huan)熱(re)(re)量(liang)(liang)發生(sheng)改變(bian)(bian)。
脫(tuo)硫(liu)系(xi)(xi)統(tong)投用(yong)后，鍋爐排(pai)煙(yan)溫(wen)度發生明(ming)顯改變，見表3。在機組負(fu)荷和爐膛過剩空(kong)(kong)氣(qi)(qi)相(xiang)同的情況下，脫(tuo)硫(liu)系(xi)(xi)統(tong)投用(yong)后，修正(zheng)排(pai)煙(yan)溫(wen)度升高(gao)8.11 ℃。盡(jin)管兩次試驗(yan)(yan)煙(yan)氣(qi)(qi)灰(hui)(hui)負(fu)荷不(bu)同，受(shou)熱面(mian)積灰(hui)(hui)速度有差異，但由于試驗(yan)(yan)時(shi)間較短(duan)，試驗(yan)(yan)前(qian)進(jin)行(xing)充分吹灰(hui)(hui)，試驗(yan)(yan)過程受(shou)熱面(mian)清潔狀態差別不(bu)大(da)， 煙(yan)溫(wen)度升高(gao)的主要原因是，噴鈣(gai)脫(tuo)硫(liu)系(xi)(xi)統(tong)的輸送空(kong)(kong)氣(qi)(qi)是室溫(wen)下的冷空(kong)(kong)氣(qi)(qi)，未經(jing)(jing)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)預(yu)熱器直接進(jin)入爐膛，若維相(xiang)同的過剩空(kong)(kong)氣(qi)(qi)，流經(jing)(jing)預(yu)熱器的空(kong)(kong)氣(qi)(qi)減少，引起排(pai)煙(yan)溫(wen)度升高(gao)。
4 爐內噴鈣煙氣脫硫對鍋爐性能影響定量分析
爐內噴(pen)鈣脫(tuo)硫(liu)對(dui)鍋爐性(xing)能(neng)的影響主要表現為以下幾個方面，石灰石煅燒吸熱(re)(re)(re)與(yu)固硫(liu)反應(ying)放熱(re)(re)(re)兩者之間的凈熱(re)(re)(re)量(liang)得(de)失；石灰石粉輸送(song)噴(pen)射造成過剩空氣量(liang)； 因噴(pen)鈣引起(qi)的受(shou)熱(re)(re)(re)面異常沾污或結(jie)渣(zha)(zha)；噴(pen)鈣引起(qi)的灰渣(zha)(zha)物(wu)理顯熱(re)(re)(re)損(sun)失。
石灰石煅(duan)燒和固硫反應的(de)方(fang)程為
CaCO3→CaO+CO2 CaO+SO2+12 O2→CaSO4+CO2
1 摩爾CaCO3 分(fen)(fen)解(jie)需(xu)要的(de)(de)熱(re)量177.9 kJ，1 摩爾SO2 與CaO 完全反應放出熱(re)量500.6 kJ［4］；燃用煤的(de)(de)含硫量為1.24%、發熱(re)量為20 280 kJ/kg，鈣/硫摩爾比為2.5，假設(she)爐膛內CaCO3 的(de)(de)分(fen)(fen)解(jie)率為85%，爐內脫硫反應率為25%；1 kg 煤產(chan)生的(de)(de)SO2 在爐內與CaO 反應放出熱(re)量約為500.6×（1 000×0.0 124/ 32）×0.25=48.5 kJ， 爐內CaCO3 分(fen)(fen)解(jie)需(xu)要的(de)(de)熱(re)量 177.9×（1 000×0.0 124/32×2.5）×0.85=146.5 kJ， 石灰(hui)石煅燒吸熱(re)與固硫反應凈熱(re)量差(cha)使鍋爐效率下降的(de)(de)百分(fen)(fen)數約為（146.5-48.5）/20 280×100=0.48%。
根(gen)據(ju)對(dui)比試(shi)驗，脫硫(liu)系統投(tou)用后排煙溫(wen)度升高(gao) 8.11 ℃，這是(shi)由(you)石灰石粉輸送噴射造成過剩(sheng)空氣量引起，會引起鍋爐效率降(jiang)低(di)約0.49%。
在(zai)脫(tuo)(tuo)硫(liu)系統投用(yong)、低灰(hui)熔點煤增多(duo)后(hou)的短時間內，修正排煙溫度升高(gao)21 ℃，見圖2，據經驗估計(ji)，因爐(lu)膛噴鈣脫(tuo)(tuo)硫(liu)引起(qi)的排煙溫度異(yi)常(chang)升高(gao)不會小(xiao)于10 ℃，按此計(ji)算(suan)，鍋爐(lu)效率降低約(yue)0.61 %。
鍋(guo)爐燃用含(han)硫量(liang)為(wei)1.24%的煤， 鈣/硫摩(mo)爾比(bi)(bi)為(wei)2.5，每小時消耗約16.06 t 的石灰粉，與停(ting)用脫(tuo)硫系統(tong)相比(bi)(bi)，飛灰量(liang)會(hui)增加50%，噴鈣引起(qi)的物理(li)顯熱會(hui)使鍋(guo)爐效率下降約0.14%。
5 結語
爐(lu)(lu)內噴(pen)鈣煙氣脫(tuo)硫(liu)投用后，該電廠(chang)的(de)150 MW 鍋(guo)爐(lu)(lu)排煙溫(wen)度異常升高，灰負荷增(zeng)加(jia)引起(qi)爐(lu)(lu)膛(tang)吸熱量增(zeng)多(duo)，減溫(wen)水量減少(shao)，爐(lu)(lu)內噴(pen)鈣引起(qi)鍋(guo)爐(lu)(lu)效(xiao)率降低(di)約1.72%，但對爐(lu)(lu)膛(tang)燃燒影響很小。
采(cai)用爐內噴鈣脫(tuo)硫的鍋(guo)爐， 應(ying)加強(qiang)煤質控(kong)制(zhi)(zhi)，避免燃(ran)用低灰熔(rong)點、強(qiang)沾污性(xing)煤；可通過提高吹灰頻(pin)率(lv)、優化氧量(liang)控(kong)制(zhi)(zhi)、根據(ju)燃(ran)煤硫分含量(liang)合(he)理控(kong)制(zhi)(zhi)入爐石(shi)(shi)灰石(shi)(shi)量(liang)等措施，提高鍋(guo)爐運行(xing)經濟性(xing)。
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