A 发电有限公司发电有限公司2135 MW CFB 锅炉炉内脱硫系统改造锅炉炉内脱硫系统改造技术可行性报告技术可行性报告A 研究院锅炉技术部研究院锅炉技术部二二 九年五月三十日九年五月三十日11前言前言A 发电有限公司是在 A 煤矿建成投产基础上，为延伸煤炭生产的产业链，实现煤电一体化而建成的资源节约、环境友好型现代化发电企业。该公司 2135MW 机组，采用能够实现清洁燃烧的 2480t/h 循环流化床锅炉，选用矿区废弃的低发热量煤矸石作为燃料，既实现废物有效利用，又减少大气污染物的排放水平；机组采用直接空冷，并以就近的保德煤矿井下污水为生产水资源，既节省了大量水资源、又有效减少矿区污水排放。A 发电有限公司年发电量近 15 亿 kWh，有效利用煤矿的大量煤矸石，具有重大经济效益和环境效益。循环流化床（CFB）锅炉是发展最快、得到广泛应用的清洁燃烧技术，通过炉内添加石灰石实现低 SO2排放，通过控制炉膛温度和分级燃烧，实现低 NOx 排放。由于CFB 锅炉能够实现燃料的清洁燃烧，在世界范围内得到快速发展。从八十年代世界首台100MWCFB 锅炉在美国 NUCLA 电站投入运行到安装于波兰 Lagisza 电站的世界首台超临界 CFB 锅炉，CFB 锅炉的大型化发展仅用了 20 年时间。美国福斯特惠勒公司 CFB锅炉发展历程见 Error! Reference source not found.，通过 CFB 锅炉示范工程，福斯特惠勒公司的 CFB 锅炉很快发展到超临界参数。图 1 美国福斯特惠勒公司 CFB 锅炉发展2我国 CFB 锅炉发展迅速。从 1996 年投产首台引进芬兰奥斯龙技术的 100MWCFB锅炉（安装于四川高坝电厂）到 2006 年投产的引进法国阿尔斯通公司的 300MWCFB 锅炉（安装于四川白马电厂） ，总共不到十年时间。目前，我国投产的 135MW 级 CFB 锅炉超过 150 台，投产、在建和设计制造的 300MWCFB 锅炉已经超过 50 台。600MW 超临界 CFB 锅炉（自主研制）已经于 2006 年列入“十一五”国家科技支撑计划重点项目，包括 B 研究院、清华大学、中国科学院、三大锅炉厂、四川白马电厂在内的一大批科研院所、高校、锅炉制造厂和用户在内的单位参与该项目，研究工作进展顺利。B 研究院成立于 1951 年，原为国家电力部（国家电力公司）直属科研机构，电力体制改革后，转制为华能控股、大唐、国电、华电、中电投参股的高新技术企业。从“六五”到“十一五” ，B 研究院一直承担 CFB 锅炉领域国家科技攻关课题。其中，“循环流化床（CFB）锅炉关键技术的自主研发和应用”项目于 2006 年获得国家科技进步二等奖。在大型 CFB 锅炉运行技术、关键辅机设备和系统开发与应用方面，也积累了丰富的经验。CFB 锅炉技术的一大优点，是可以通过将石灰石粉直接喷入炉膛，实现较高的脱硫效率。因此，与常规煤粉锅炉尾部烟气脱硫（FGD）相比，脱硫系统相对简单，运行维护成本低。国内外的大量试验研究结果及大型 CFB 锅炉实炉运行实践均表明，CFB 锅炉通过炉内添加石灰石脱硫，SO2排放浓度能够满足美国、欧盟、日本等发达国家地区和我国国家和地方的环保要求。2CFB 锅炉脱硫原理锅炉脱硫原理目前，国内外 CFB 锅炉均通过向炉内直接添加石灰石粉来控制 SO2排放。投入炉内的石灰石在 850左右条件下发生煅烧反应生成氧化钙，然后氧化钙、SO2和氧气经过一系列化学反应，最终生成硫酸钙，化学反应式为：CaCO3CaO+CO2 （煅烧反应）CaO+SO2+1/2O2CaSO4 （固硫反应）石灰石在煅烧过程中，由于 CO2溢出，在固体颗粒的表面及内部形成一定的孔隙，为 SO2向颗粒内部扩散及固硫反应的发生创造了条件。在 CFB 锅炉燃烧条件下，石灰石煅烧反应生成的 CaO 具有较高的孔隙率，脱硫反应活性好，可以有效增加石灰石有效利用率，提高 CFB 锅炉炉内脱硫效率。CFB 锅炉炉内脱硫效率的高低，受到诸多因素的影响。包括石灰石的反应活性及其3粒度、入炉煤的发热量和含硫量、锅炉分离器的分离效率、锅炉的运行参数等都会对锅炉的脱硫效果产生一定影响，从而影响锅炉的石灰石消耗量。而石灰石输送系统的可靠性和出力将直接影响锅炉的脱硫效果。因此，为了达到较高脱硫效率，需要对相关因素进行控制、优化。而目前很多 CFB锅炉机组相关因素控制不合理，也是其难以达到较高脱硫效率的根本原因。3CFB 锅炉脱硫技术现状与存在的问题锅炉脱硫技术现状与存在的问题B 研究院在 1MW CFB 燃烧试验台进行的大量试烧试验研究和国内外大量大型 CFB锅炉的运行实践结果均表明，采用向炉内添加石灰石脱硫的方式，在 Ca/S 摩尔比为1.83.0 的条件下，CFB 锅炉 SO2脱除效率可以达到 90%以上，烟气中 SO2排放浓度完全可以满足我国环保排放要求。3.1 1MW CFB 燃烧试验台脱硫试验结果燃烧试验台脱硫试验结果B 研究院建有世界最高的 1MW CFB 燃烧试验台，其高度达 23m，接近实炉高度，可以进行煤种试烧试验和石灰石脱硫试验。在该试验台上，我院已完成了包括我国二十多个省市以及土耳其油页岩、苏丹石油焦在内上百种燃料试烧试验和上百种石灰石的脱硫试验。试验结果表明，入炉燃料含硫量在 0.55.5%的范围内，Ca/S 摩尔比在 1.83.0的条件下，SO2的排放浓度完全可以控制在 400mg/Nm3以下，满足环保要求。下表列出了在该试验台上进行试烧的部分煤种的排放情况。表 1 部分煤种 1MW CFB 燃烧试验台试烧的 SO2排放情况电厂煤种SarSar折算Qar,netCa/S脱硫效率SO2单位%g/MJkJ/kg%mg/m3宜宾电厂高县怀远煤3.532.08169802.290.11019合山电厂合山煤3.111.39223102.294.0425.7江苏大屯电厂大屯煤1.451.08134402.290.6490.9石家庄热电厂乱流煤2.111.05201502.289.2572.1云南开远电厂开远混煤1.520.78193801.393.5264.9保定热电厂上元煤1.540.71215502.393.3246.9福建省煤炭工业有限公司当地无烟煤0.790.37216301.783.0331.4四川岷江发电厂岷江混煤0.440.25176202.468.9398.3可以看出，对于 SO2排放，试验煤种当折算硫份 Sar 折算1.0 g/MJ 时，加入石灰石脱硫，当钙硫摩尔比 Ca/S 为 22.4 时，一般可以控制 SO2排放在 400mg/m3以下；而当Sar 折算1.0g/MJ 时，在 Ca/S 为 2 左右时，控制 SO2排放在 400mg/m3以下比较困难（有些煤种也能实现） ，但增大 Ca/S 一般也能实现。43.2 我国大型我国大型 CFB 锅炉锅炉 SO2排放情况排放情况四川高坝发电厂 100MWCFB 锅炉是我国“八五”期间的重点能源、环保科研建设项目，是我国建成的第一个循环流化床锅炉示范电站 。1998 年 1 月 23 日，中、外双方合作进行了锅炉性能考核试验，锅炉的所有指标全部达到合同规定值。其中，SO2的排放浓度为 684 mg/Nm3 （合同规定值 700 mg/Nm3，入炉煤含硫量 4.9%，脱硫效率 91%） 。同年 5 月，四川省环境监测中心站按有关标准对该循环流化床锅炉示范工程环保设施进行了竣工验收，其中废气监测结果中 SO2的验收结论为：该 CFB 锅炉采用炉内添加石灰石进行脱硫，Ca/S 摩尔比在 2.2 左右时，炉内脱硫效率达到了 91.9%，满足四川省环保局川环发（1991）开字第 066 号文批复要求（脱硫效率应达 90%以上） 。SO2排放浓度 518.15 mg/Nm3，排放速率 194.9kg/h，优于环境预测值，也大大优于 GB13223-91 标准和 GB13223-1996时段要求。我国近两年有多台 300MWCFB 锅炉投入商业运行，大多经过环保验收。国家示范电站四川内江白马 1300MW 循环流化床锅炉和云南大唐国际红河发电有限公司2300MW 循环流化床锅炉分别于 2006 年 10 月和 2007 年 7 月通过锅炉性能测试。国家示范电站四川内江白马 1300MW 循环流化床锅炉的性能验收试验中，收到基含硫量为 2.522.55%，未投石灰石的条件下 SO2的排放浓度为 85009000mg/Nm3，投石灰石后（钙硫摩尔比为 1.431.69） ，SO2的排放浓度为 511560mg/Nm3，满足合同要求（600mg/Nm3） ，脱硫效率高达 93.994.0%。大唐红河 2300MWCFB 锅炉的性能验收试验中，收到基含硫量为 1.751.87%，未投石灰石的条件下 SO2的排放浓度为 60006500mg/Nm3，投石灰石后（钙硫摩尔比为2.29） ，SO2的排放浓度为 376mg/Nm3，满足环保排放要求，脱硫效率高达 94%。表 2 是国内部分电厂实测 SO2排放情况。可以看出，表中电厂实测 SO2排放均可以达到设计值要求。表 2 国内部分电厂 SO2排放情况电厂机组 容量燃料 发热量含硫量设计钙硫 摩尔比设计 二氧化硫实测钙硫 摩尔比实测 二氧化硫MWkJ/kg%mg/m3 （6%O2）mg/m3 （6%O2）内江白马电厂300184953.541.8 6001.69550.8大唐红河电厂300124351.662.0 6002.29376.0江苏大屯电厂135202700.752.2 3002.2296.85新会双水发电厂135266440.182.2 801.68381.7山东华宇铝电135227502.002.2 3502.68161.4分宜发电厂100135900.612.2 7001.876073.3 国外大型国外大型 CFB 锅炉锅炉 SO2排放情况排放情况美国 JEA 示范电站 2300MWCFB 锅炉的设计燃料为次烟煤和石油焦（含硫量达 8%） ，通过低成本炉内脱硫方式燃用高含硫量石油焦发电。由于担心单纯炉内脱硫不能满足环保要求，在炉外设置半干法脱硫装置，设计脱硫效率为 98%。锅炉实际运行结果表明，混合燃料的含硫量在 4.85.8%时，不投石灰石时 SO2的排放浓度高达 12000 mg/Nm3以上，通过炉内添加石灰石脱硫，炉内脱硫效率高达 96%以上，SO2的排放浓度可以降低到 400mg/Nm3以下，炉外脱硫效率在 2%以下。所有试验条件下钙硫摩尔比都低于 2.8。表 3 是 FW 公司国外部分电厂污染物排放情况。可以看出，表中电厂实测脱硫效率大部分在 90%以上，SO2排放均可以达到相关标准要求。表 3 FW 公司国外 CFB 锅炉电厂污染物排放水平3.4 我国我国 CFB 锅炉炉内脱硫存在的问题锅炉炉内脱硫存在的问题正如上面谈到，国内外大量试验研究及实炉运行结果均表明，通过炉内脱硫，CFB锅炉可以达到较高脱硫效率（90%） ，SO2排放也完全可以达到环保排放要求。但是，我国目前在运的相当部分大型 CFB 锅炉，脱硫效率较低，SO2排放并不能满足环保排放要求。分析研究认为，造成这一状况的原因，并不是 CFB 锅炉固有的技术缺陷，而主要是由于对影响 CFB 锅炉脱硫效率的相关因素控制不当所致。概况起来，主要有以下四方面原因：脱硫用石灰石品质（包括反应活性和粒度等）差、锅炉实际用煤的折算含硫量远大于设计值、锅炉运行参数不合理、石灰石输送系统缺陷等。63.4.1石灰石品质石灰石品质石灰石品质，包括石灰石中 CaCO3的含量、石灰石的脱硫反应活性及粒度分布等，对锅炉的脱硫效率有重要影响。如果投入 CFB 锅炉的石灰石中 CaCO3含量偏低，脱硫反应的有效成分低，必然降低石灰石的脱硫效果；如果石灰石的脱硫反应活性（主要决定于石灰石矿的微观分子