第34卷第1期2003年1月
锅 炉 技 术
BOILER TECHNOLOGY
Vol.34,No.1Jan.,2003
文章编号: CN311508(2003)01007604
炉内喷钙脱硫对锅炉运行的影响
王正华, 周 昊, 池作和, 蒋 啸, 岑可法
(浙江大学能源洁净利用与环境教育部重点实验室,浙江,杭州310027)
关键词: 脱硫;锅炉运行
摘 要: 对燃煤电站锅炉使用炉内喷钙脱硫技术时对锅炉运行的影响进行了分析,讨论了采用该技术对锅炉腐蚀、粘污结渣、受热面磨损、除尘器性能以及锅炉效率的影响。分析的结果对新电厂的设计和老电厂的改造都具有一定的指导意义。
中图分类号: TK227 文献标识码: A
0 前言
酸雨和SO2排放是当前全球面临的主要环境问题之一,尤其在能源消费以煤炭为主的中国,许多燃煤电站锅炉排放的烟气中SO2浓度不能达到国家的SO2排放标准,为了减少SO2的排放和酸雨污染,未能达到标准的电厂都要相继进行脱硫装置的改造。目前脱硫方法的基础研究很多,相应的技术也在不同程度上得已推广。从
表1中可以看出炉内喷钙脱硫以及相配套的尾部增湿脱硫具有很明显的优势,许多电站锅炉也相继采用喷钙脱硫技术。但从近几年的炉内喷钙脱硫的基础研究和应用来看,在实际燃煤脱硫过程中,石灰石的加入对锅炉运行会产生一定的影响。因此,认真分析炉内喷钙脱硫对锅炉运行的影响,对新电厂的设计和老电厂的改造都具有指导意义。
表1 脱硫几种方法的比较
比较项目电站总投资%烟气脱硫率
(Ca/S=2)
湿法脱硫
25～30
喷雾干法
1580～90
炉内喷钙法
6～850～80
排烟循环流化床法 12 ≥90 较低条件适合时可用于电厂改造
可控制烟温,不需再加热装置成熟
≥90较高
不适合已建电厂改造
须装烟气再加热装置成熟
运行费用适用范围是否烟气循环目前技术情况
中等
条件适合时可用于电厂改造
可控制烟温,不需再加热装置成熟
较低
易用于已建电厂改造
可控制烟温,不需再加热装置成熟
1 炉内喷钙脱硫对锅炉受热面腐蚀的
影响
1.1锅炉受热面烟侧的高温腐蚀
一般发生在锅炉受热面的烟侧。高温腐蚀的种
类很多,包括SO2、SO3、H2S和HCl对受热面的腐蚀,以及硫酸盐型和硫化物型腐蚀。从文献[1]可以看出,在这些种类的高温腐蚀过程中,都离不开煤中硫形态的转化。在锅炉煤燃烧过程中,SO2的生成、还原和继续氧化等转化过程是煤
高温腐蚀是由挥发分和沉积物中的非硅酸
盐杂质的化学过程所引起的一种炉管金属损耗。
收稿日期:2002
03
14
基金项目:国家重点基础研究专项经费资助(G1999022204)
作者简介:王正华(1976),男,工学硕士,现任于浙江大学热能工程研究所。
中硫转化过程的主要部分。据炉内喷钙脱硫的机理研究表明[3],由石灰石煅烧分解成的CaO、MgO等物质与SO2、SO3发生中和反应,不仅降低了SO2、SO3的浓度,同时CaO、MgO与造成腐蚀的低熔点硫酸盐(Na2SO4、K2SO4等)发生反应,使碱硫酸盐转化过热器管壁上的粘结灰转变成松散型积灰。另外,它们又与H2S发生反应,生成CaS、MgS等松散型固体颗粒,起到了防腐的作用。因此,炉内喷钙脱硫能降低受热面的高温腐蚀。
1.2锅炉受热面的低温腐蚀
低温受热面的腐蚀产生原因主要是煤中的硫分燃烧后生成SO2,在低于露点温度的金属表面上,形成硫酸溶液,与碱性灰和金属反应。文献[1]表明,产生低温腐蚀的影响因素有烟气中含氧量,燃料含硫量、燃料含钙量、低温受热面处烟气流速、烟气温度的变化以及锅炉负荷的变动等等。炉内喷钙脱硫时因钙基的加入,一方面降低了SO2的含量,另一方面对受热面的积灰产生影
响。图1给出了典型的低温受热面积灰随燃料含钙量和含硫量的变化规律[2]。可见,从曲线A到曲线B的变化所示,尽管含硫量从0.9%增长到1.5%,由于含钙量从2%增长到10%,最大积灰速
度显著从4mg/(m2・s)降到0.8mg/(m2・s)。实践证明,钙含量的增多,SO3向硫酸钙的转化越多,硫酸的蒸汽浓度越低,从而降低了锅炉受热面的低温腐蚀。但据相关研究表明[4],炉内喷钙脱硫随着钙硫比的增加,积灰量也在逐渐增加,受热面的低温腐蚀磨损越大。而从图2中可以看出在受热面壁温不够高时积灰量的增多,受热面的腐蚀磨损越大[1]。但随受热面壁温的升高,一旦
),则不会形成低温粘比酸露点温度高(5～10℃
结灰,低温腐蚀磨损量又逐渐减小。由此可以得到炉内喷钙脱硫时,因减少了SO2的含量而降低了锅炉受面的低温腐蚀,但在壁温比酸露点温度低时,积灰造成的低温腐蚀磨损不能忽视,在实际锅炉运行中应加快吹灰的频率
。
图1 燃料钙含量对积灰速度的影响
A2(钙含量2%,硫含量0.9%);B2(钙含量10%,硫含量1.5%)
图2 受热面积灰、腐蚀量与壁面温度的试验曲线
s)];B2单位面积积灰量 A2受热面磨损腐蚀量E[mg/(cm2・
Ah(mg/(cm2・h)
2 炉内喷钙脱硫对锅炉受热面的粘污和
杂过程[5]。在炉内喷钙脱硫试验中,由于石灰石的煅烧分解,CaO和煤燃烧析出的SO2发生固硫反应,这2个主要的反应过程改变了形成炉内结渣的影响因素。主要表现为:
(1)未喷钙时煤燃烧过程中,与煤中有机物相联系的Na、K离子以及氧化物在高温下挥发成气态。而与有机物相联系的Ca、Mg离子在煤燃烧过程中,煤颗粒表面边界层中的含氧量足够低时,也会导致钙和镁的挥发,但是挥发性的钙和镁一旦到达氧化性气氛中(含氧量约为3%)便会
结渣的影响
文献[1]表明,影响飞灰沉积和结渣的因素包括烟气流速、流动方向、烟温、壁温、燃煤特性、飞灰浓度、锅炉过量空气系数、锅炉局部热负荷、管子直径、管束节距等方面。若从机理出发,锅炉结渣是个很复杂的物理化学过程,它涉及煤的燃烧、炉内传热、传质、煤的潜在结渣倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复
μm的小颗粒。挥发态的钠、迅速氧化生成小于1
钙、钾一方面在残留灰粒表面发生非均相的冷凝,生成低熔点灰粒相;另一方面,也发生均相成
μm灰尘微粒。而在喷钙核凝结,生成0.02～0.5
脱硫时,由于石灰石的煅烧分解,大量的CaO颗粒瞬间与煤燃烧中析出的SO2发生固硫反应,生成许多强度大的凝聚核心硫酸钙,加速了挥发分小灰粒的均相凝结。同时,CO2气体的增加,减慢了挥发态的钠、钙、钾非均相的冷凝,很大部分促使向碳酸盐最终向硫酸盐的转化。
(2)随着颗粒凝结的加速,颗粒直径在逐渐
喷钙脱硫时进行低NOx燃烧系统设计,应注重结渣的问题,因为对于含高铁分煤,分级燃烧明显有严重结渣的倾向[4]。
3 炉内喷钙脱硫对锅炉受热面磨损的影响
对受热面起磨损作用的主要是煤中那些硬度高而含量多的矿物质。影响飞灰对磨损的影响因素有飞灰硬度、金属材料硬度、SiO2和Al2O3灰分含量、飞灰形态、温度等。炉内喷钙脱硫时,由于钙基物质的加入,飞灰的性质发生了改变,受
热面的磨损有了新的变化,主要表现为:
3.1撞击磨损
增加,对于灰粒向受热面的输运过程(炉内结渣过程的重要环节)的影响主要表现在惯性输运过程。因为较大惯性颗粒的增多,当含灰气流转向时,离开气流面撞击水冷壁的颗粒越多,结渣的倾向增大。
(3)喷钙脱硫时,由于钙利用率不大,灰中自
文献[1]表明,如将化学分析结果中的各氧化物的百分含量与它们相应的莫氏硬度进行组合计算,其飞灰的平均莫氏硬度为:
Hm=∑ XiHi/∑Xi
i=0
i=0
m
m
由CaO颗粒增多,由于CaO的熔点较低,受热面上粘污核心增多,当初始沉积层具有粘性时,它捕获惯性力输运的灰颗粒,并使沉积层厚度迅速增加。实践同样证明
[2]
式中:Xi为灰粒中各化学成分的百分含量,
Hi为与Xi相对应的莫氏硬度,Hm为飞灰莫氏硬
度平均值。而磨损速度与飞灰硬度为:Ew=
BH2.3,式中B为试验常数。通过公式计算出沙
:喷钙脱硫时,受热面结
渣和粘污倾向变得严重,而且随着煤中硫分的增加而变得严重。据文献[6]报道,受热面的积灰程度随钙硫比的增加而增加,但对于含高钠分的煤,由于Na化合物熔点较低,粘污倾向较为严重。相对而言,炉内喷钙脱硫时由于喷钙使积灰的粘接强度降低反而增加了吹灰器的清洁效果,因此对高钠分煤喷钙脱硫时相对减轻了受热面的沾污状况。另外,对于炉内喷钙及尾部增湿活化脱硫技术(LIFAC),由于石灰石在炉膛的后火焰区域喷入,在这一区域,温度已经降到1100℃左右,因此对锅炉炉膛内的结渣性能影响不大,但在
市煤在钙硫比增加的情况下Hm的变化[2]如图3所示。从图中可以看出喷钙脱硫后灰成分硬度略有降低,但变化很小。实际上这是2种相反作用的结果。一方面,在煤燃烧火焰中,石灰石分解,很大部分CaO、MgO和SO2反应生成硫酸盐,另一部分CaO和MgO也被融化的硅酸盐灰捕获,由于未凝结的CaSO4和MgSO4颗粒直径在μm以下,CaO硬度较低,不至于引起撞击磨损。1
而且随着钙量的增加,积灰向松散型转化倾向越大,撞击磨损有减小的趋势。另一方面有部分自由的CaO
颗粒与飞灰中的铝酸盐发生凝硬
图3 钙硫比对沙市煤Hm的影响 图4 灰含量对磨损的影响
4Al2(SO4)3(OH)1225H2O,加重了对受热面的撞击磨损。
3.2冲刷磨损
器性能的影响。从文献[1]可知,影响电除尘器性能的主要因素有:粉尘的特性、烟气的性质、结构因素以及操作因素等。其中对除尘器性能影响最为突出是粉尘的比电阻。电除尘器的工作范围1×108～2×1010(Ω・cm).当比电阻大于5×1010(Ω・cm)时,大量积灰很难清除,当极板上积灰到一定厚度时,灰表面产生反电晕,使除尘器失效。而当小于1×107(Ω・cm)时容易被烟气带出除尘器。据相关研究表明,炉内喷钙后灰的比电阻增加3～4个数量级,从图5中可以看出灰比电阻随着钙硫化的增大而急剧增大[2]。其原因主要是:
(1)随着钙硫比的增加,石灰石分解后飞灰中自由的CaO和MgO颗粒增加,据相关研究[2]表明,CaO和MgO含量的增多将导致灰比电阻增大。
(2)由于钙基的加入,使得烟气中的SO3的浓度减小,文献[3]表明,烟气中SO3浓度的减小将导致飞灰比电阻增大
。
据相关研究表明[6],喷钙脱硫时积灰量随着钙硫比的增加而增加,从前面的理论分析也可知道灰含量在增加。而图4给出了灰含量对磨损的影响[1],从图中可以看出灰含量越多,对锅炉受热面的磨损在急剧增加。但这种磨损对于喷钙脱硫时主要表现为冲刷磨损。
4 炉内喷钙脱硫对锅炉除尘性能的影响
为了防止锅炉排放的含尘气体污染大气,采取各种类型的除尘装置是有效的措施之一。目前常用的除尘装置有旋风除尘器、布袋除尘器、颗粒层除尘器、洗涤器的电除尘器等。其中,电除尘器是最有效的装置之一,它因除尘效率高、阻力损失小、能处理高温烟气、处理的烟气量大、能捕集腐蚀性很强的物质、能对不同粒径的烟尘有分类富集以及日常费用低等优点。在目前新电厂的设计和老电厂的改造上应用极为广泛,因
图5 钙硫比对除尘器比电阻的影响 图6 钙硫比对钙利用率的影响
因此,当使用炉内喷钙脱硫技术时,应考虑到灰含量的增加将导致飞灰比电阻的增加,相应地静电除尘器的效率在减小。在设计和改造时可以通过锅炉尾部喷水增湿以及对灰成分进行调质而得以改善。
热两者之间的净能得失;石灰石粉输送喷射造成过剩空气量;灰渣的物理显热损失;石灰石粉输送过程的辅助动能消耗以及制粉系统能耗。根
据一维沉降炉内喷钙试验(试验工况为:t=1300℃,Ca/S=2,过量空气系数α=0.6,一、二
5 炉内喷钙脱硫对锅炉效率的影响
锅炉净效率是衡量锅炉经济性能的重要指标。炉内喷钙脱硫对锅炉净效率的影响主要表现为5个方面,即石灰石煅烧吸热与固硫反应放
次风配风比2∶1),对枣庄煤(硫含量为2.09%)燃烧时净能得失作比较可以得到,虽然从理论上燃烧1kg煤所产生的SO2完全与CaO发生反应放出199.2kJ的热量,但该脱硫试验中钙利用率最大为25%,放出的最大热值49.8kJ,而80%左右
3固硫反应的生成热不足以弥补石灰石的分解时所要吸收的热量。从图6中可以得到随着钙硫比的增加,钙的利用率在逐渐减小,当钙硫比为4,钙利用率为12%,通过温度控制箱可以看出炉膛温度从1300℃降低至1280℃左右。显然锅炉净效率下降。相关研究[3]提供的数据也表明,在以高硫煤作燃料的锅炉中,采用石灰石作吸收剂时,因石灰石的分解所造成的热净能损失,可使锅炉效率下降1%～2%,而对与实际锅炉喷钙脱硫时,往往需要过量的输送空气量,因而要维持相同过量空气则经过空气预热器的风量要减少,导致排烟温度升高,锅炉效率也会下降。另外,喷钙脱硫时,灰含量随着钙硫比的增加而增加,灰渣的物理显热损失同样在逐渐增加。而对于后2项对锅炉效率的影响,文献[3]认为对电厂锅炉而言,后2项的能耗占电厂总发电量的0.5%～0.7%。所以,喷钙脱硫时锅炉的净效率有所降低。
(3)炉内喷钙脱硫时改变了积灰成分和含量,主要增加了锅炉受热面的冲刷磨损。
(4)当使用炉内喷钙脱硫技术时静电除尘器的效率在减小。
(5)当使用炉内喷钙脱硫技术时锅炉净效率略有降低。
(6)炉内喷钙及尾部增湿话化脱硫技术有较好的应用前景,特别是中小容量的煤粉锅炉,但在对新电厂的设计和老电厂的改造都应考虑喷钙脱硫对锅炉运行造成的影响,选取相应的措施进行改善。参考文献:
[1]岑可法,樊建人,池作和,沈珞婵.锅炉和热交换器的积灰、结
渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[M].北京:科学出版社,
1994.
[2]姚洪.炉内喷钙脱硫实验研究及其影响[J].发电设备,1996,
(6):12-16.
[3]郭晓宁,李元芝.炉内喷钙脱硫技术在电站锅炉中应用的可
6 结论
(1)炉内喷钙脱硫能够减轻锅炉受热面的高
行性分析[J].华中电力,1995,8(3):8-12.
[4]杨仲明译.炉炉喷射吸收剂对锅炉性能的影响[J].锅炉制
造,1994,(1):42-49.
[5]周昊.锅炉结渣机理以及防结渣措施研究[J].热力发电,
1994,(4):26-30.
[6]张健,徐宝山译.试验室炉膛喷钙脱硫试验研究结果[J].锅
温腐蚀和低温腐蚀。
(2)炉内喷钙脱硫时锅炉受热面结渣和粘污倾向变得严重,而且随着煤中硫分的增加而变得严重。但对高钠分煤喷钙脱硫时相对减轻了受
炉制造,1995,(3):17-29.
TheInfluenceonBoilerOperationwithDesulphationTechnologyofLimestoneInjectionintoFurnace
WANGZheng2hua, ZHOUHao, CHIZuo2he, JIANGXiao, CENKe2fa
(ZheJiangUniversityCleanEnergyandEnvironmentKeyLabofMOE,Hangzhou310027,China)
Keywords:desulphation; boileroperation
Abstract:Theinfluenceonboileroperationwithdesulphationtechnologyoflimestoneinjection
intoFurnaceisdescribedinthispaper.Theinfluenceincludeserosion,foulingandslagging,abra2sion,dustcollectorperfermanceandbolierefficiency.Therearesomeactiononthedesignofthenewpowerplantandonthereconstructoftheoldpowerplant.
第34卷第1期2003年1月
锅 炉 技 术
BOILER TECHNOLOGY
Vol.34,No.1Jan.,2003
文章编号: CN311508(2003)01007604
炉内喷钙脱硫对锅炉运行的影响
王正华, 周 昊, 池作和, 蒋 啸, 岑可法
(浙江大学能源洁净利用与环境教育部重点实验室,浙江,杭州310027)
关键词: 脱硫;锅炉运行
摘 要: 对燃煤电站锅炉使用炉内喷钙脱硫技术时对锅炉运行的影响进行了分析,讨论了采用该技术对锅炉腐蚀、粘污结渣、受热面磨损、除尘器性能以及锅炉效率的影响。分析的结果对新电厂的设计和老电厂的改造都具有一定的指导意义。
中图分类号: TK227 文献标识码: A
0 前言
酸雨和SO2排放是当前全球面临的主要环境问题之一,尤其在能源消费以煤炭为主的中国,许多燃煤电站锅炉排放的烟气中SO2浓度不能达到国家的SO2排放标准,为了减少SO2的排放和酸雨污染,未能达到标准的电厂都要相继进行脱硫装置的改造。目前脱硫方法的基础研究很多,相应的技术也在不同程度上得已推广。从
表1中可以看出炉内喷钙脱硫以及相配套的尾部增湿脱硫具有很明显的优势,许多电站锅炉也相继采用喷钙脱硫技术。但从近几年的炉内喷钙脱硫的基础研究和应用来看,在实际燃煤脱硫过程中,石灰石的加入对锅炉运行会产生一定的影响。因此,认真分析炉内喷钙脱硫对锅炉运行的影响,对新电厂的设计和老电厂的改造都具有指导意义。
表1 脱硫几种方法的比较
比较项目电站总投资%烟气脱硫率
(Ca/S=2)
湿法脱硫
25～30
喷雾干法
1580～90
炉内喷钙法
6～850～80
排烟循环流化床法 12 ≥90 较低条件适合时可用于电厂改造
可控制烟温,不需再加热装置成熟
≥90较高
不适合已建电厂改造
须装烟气再加热装置成熟
运行费用适用范围是否烟气循环目前技术情况
中等
条件适合时可用于电厂改造
可控制烟温,不需再加热装置成熟
较低
易用于已建电厂改造
可控制烟温,不需再加热装置成熟
1 炉内喷钙脱硫对锅炉受热面腐蚀的
影响
1.1锅炉受热面烟侧的高温腐蚀
一般发生在锅炉受热面的烟侧。高温腐蚀的种
类很多,包括SO2、SO3、H2S和HCl对受热面的腐蚀,以及硫酸盐型和硫化物型腐蚀。从文献[1]可以看出,在这些种类的高温腐蚀过程中,都离不开煤中硫形态的转化。在锅炉煤燃烧过程中,SO2的生成、还原和继续氧化等转化过程是煤
高温腐蚀是由挥发分和沉积物中的非硅酸
盐杂质的化学过程所引起的一种炉管金属损耗。
收稿日期:2002
03
14
基金项目:国家重点基础研究专项经费资助(G1999022204)
作者简介:王正华(1976),男,工学硕士,现任于浙江大学热能工程研究所。
中硫转化过程的主要部分。据炉内喷钙脱硫的机理研究表明[3],由石灰石煅烧分解成的CaO、MgO等物质与SO2、SO3发生中和反应,不仅降低了SO2、SO3的浓度,同时CaO、MgO与造成腐蚀的低熔点硫酸盐(Na2SO4、K2SO4等)发生反应,使碱硫酸盐转化过热器管壁上的粘结灰转变成松散型积灰。另外,它们又与H2S发生反应,生成CaS、MgS等松散型固体颗粒,起到了防腐的作用。因此,炉内喷钙脱硫能降低受热面的高温腐蚀。
1.2锅炉受热面的低温腐蚀
低温受热面的腐蚀产生原因主要是煤中的硫分燃烧后生成SO2,在低于露点温度的金属表面上,形成硫酸溶液,与碱性灰和金属反应。文献[1]表明,产生低温腐蚀的影响因素有烟气中含氧量,燃料含硫量、燃料含钙量、低温受热面处烟气流速、烟气温度的变化以及锅炉负荷的变动等等。炉内喷钙脱硫时因钙基的加入,一方面降低了SO2的含量,另一方面对受热面的积灰产生影
响。图1给出了典型的低温受热面积灰随燃料含钙量和含硫量的变化规律[2]。可见,从曲线A到曲线B的变化所示,尽管含硫量从0.9%增长到1.5%,由于含钙量从2%增长到10%,最大积灰速
度显著从4mg/(m2・s)降到0.8mg/(m2・s)。实践证明,钙含量的增多,SO3向硫酸钙的转化越多,硫酸的蒸汽浓度越低,从而降低了锅炉受热面的低温腐蚀。但据相关研究表明[4],炉内喷钙脱硫随着钙硫比的增加,积灰量也在逐渐增加,受热面的低温腐蚀磨损越大。而从图2中可以看出在受热面壁温不够高时积灰量的增多,受热面的腐蚀磨损越大[1]。但随受热面壁温的升高,一旦
),则不会形成低温粘比酸露点温度高(5～10℃
结灰,低温腐蚀磨损量又逐渐减小。由此可以得到炉内喷钙脱硫时,因减少了SO2的含量而降低了锅炉受面的低温腐蚀,但在壁温比酸露点温度低时,积灰造成的低温腐蚀磨损不能忽视,在实际锅炉运行中应加快吹灰的频率
。
图1 燃料钙含量对积灰速度的影响
A2(钙含量2%,硫含量0.9%);B2(钙含量10%,硫含量1.5%)
图2 受热面积灰、腐蚀量与壁面温度的试验曲线
s)];B2单位面积积灰量 A2受热面磨损腐蚀量E[mg/(cm2・
Ah(mg/(cm2・h)
2 炉内喷钙脱硫对锅炉受热面的粘污和
杂过程[5]。在炉内喷钙脱硫试验中,由于石灰石的煅烧分解,CaO和煤燃烧析出的SO2发生固硫反应,这2个主要的反应过程改变了形成炉内结渣的影响因素。主要表现为:
(1)未喷钙时煤燃烧过程中,与煤中有机物相联系的Na、K离子以及氧化物在高温下挥发成气态。而与有机物相联系的Ca、Mg离子在煤燃烧过程中,煤颗粒表面边界层中的含氧量足够低时,也会导致钙和镁的挥发,但是挥发性的钙和镁一旦到达氧化性气氛中(含氧量约为3%)便会
结渣的影响
文献[1]表明,影响飞灰沉积和结渣的因素包括烟气流速、流动方向、烟温、壁温、燃煤特性、飞灰浓度、锅炉过量空气系数、锅炉局部热负荷、管子直径、管束节距等方面。若从机理出发,锅炉结渣是个很复杂的物理化学过程,它涉及煤的燃烧、炉内传热、传质、煤的潜在结渣倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复
μm的小颗粒。挥发态的钠、迅速氧化生成小于1
钙、钾一方面在残留灰粒表面发生非均相的冷凝,生成低熔点灰粒相;另一方面,也发生均相成
μm灰尘微粒。而在喷钙核凝结,生成0.02～0.5
脱硫时,由于石灰石的煅烧分解,大量的CaO颗粒瞬间与煤燃烧中析出的SO2发生固硫反应,生成许多强度大的凝聚核心硫酸钙,加速了挥发分小灰粒的均相凝结。同时,CO2气体的增加,减慢了挥发态的钠、钙、钾非均相的冷凝,很大部分促使向碳酸盐最终向硫酸盐的转化。
(2)随着颗粒凝结的加速,颗粒直径在逐渐
喷钙脱硫时进行低NOx燃烧系统设计,应注重结渣的问题,因为对于含高铁分煤,分级燃烧明显有严重结渣的倾向[4]。
3 炉内喷钙脱硫对锅炉受热面磨损的影响
对受热面起磨损作用的主要是煤中那些硬度高而含量多的矿物质。影响飞灰对磨损的影响因素有飞灰硬度、金属材料硬度、SiO2和Al2O3灰分含量、飞灰形态、温度等。炉内喷钙脱硫时,由于钙基物质的加入,飞灰的性质发生了改变,受
热面的磨损有了新的变化,主要表现为:
3.1撞击磨损
增加,对于灰粒向受热面的输运过程(炉内结渣过程的重要环节)的影响主要表现在惯性输运过程。因为较大惯性颗粒的增多,当含灰气流转向时,离开气流面撞击水冷壁的颗粒越多,结渣的倾向增大。
(3)喷钙脱硫时,由于钙利用率不大,灰中自
文献[1]表明,如将化学分析结果中的各氧化物的百分含量与它们相应的莫氏硬度进行组合计算,其飞灰的平均莫氏硬度为:
Hm=∑ XiHi/∑Xi
i=0
i=0
m
m
由CaO颗粒增多,由于CaO的熔点较低,受热面上粘污核心增多,当初始沉积层具有粘性时,它捕获惯性力输运的灰颗粒,并使沉积层厚度迅速增加。实践同样证明
[2]
式中:Xi为灰粒中各化学成分的百分含量,
Hi为与Xi相对应的莫氏硬度,Hm为飞灰莫氏硬
度平均值。而磨损速度与飞灰硬度为:Ew=
BH2.3,式中B为试验常数。通过公式计算出沙
:喷钙脱硫时,受热面结
渣和粘污倾向变得严重,而且随着煤中硫分的增加而变得严重。据文献[6]报道,受热面的积灰程度随钙硫比的增加而增加,但对于含高钠分的煤,由于Na化合物熔点较低,粘污倾向较为严重。相对而言,炉内喷钙脱硫时由于喷钙使积灰的粘接强度降低反而增加了吹灰器的清洁效果,因此对高钠分煤喷钙脱硫时相对减轻了受热面的沾污状况。另外,对于炉内喷钙及尾部增湿活化脱硫技术(LIFAC),由于石灰石在炉膛的后火焰区域喷入,在这一区域,温度已经降到1100℃左右,因此对锅炉炉膛内的结渣性能影响不大,但在
市煤在钙硫比增加的情况下Hm的变化[2]如图3所示。从图中可以看出喷钙脱硫后灰成分硬度略有降低,但变化很小。实际上这是2种相反作用的结果。一方面,在煤燃烧火焰中,石灰石分解,很大部分CaO、MgO和SO2反应生成硫酸盐,另一部分CaO和MgO也被融化的硅酸盐灰捕获,由于未凝结的CaSO4和MgSO4颗粒直径在μm以下,CaO硬度较低,不至于引起撞击磨损。1
而且随着钙量的增加,积灰向松散型转化倾向越大,撞击磨损有减小的趋势。另一方面有部分自由的CaO
颗粒与飞灰中的铝酸盐发生凝硬
图3 钙硫比对沙市煤Hm的影响 图4 灰含量对磨损的影响
4Al2(SO4)3(OH)1225H2O,加重了对受热面的撞击磨损。
3.2冲刷磨损
器性能的影响。从文献[1]可知,影响电除尘器性能的主要因素有:粉尘的特性、烟气的性质、结构因素以及操作因素等。其中对除尘器性能影响最为突出是粉尘的比电阻。电除尘器的工作范围1×108～2×1010(Ω・cm).当比电阻大于5×1010(Ω・cm)时,大量积灰很难清除,当极板上积灰到一定厚度时,灰表面产生反电晕,使除尘器失效。而当小于1×107(Ω・cm)时容易被烟气带出除尘器。据相关研究表明,炉内喷钙后灰的比电阻增加3～4个数量级,从图5中可以看出灰比电阻随着钙硫化的增大而急剧增大[2]。其原因主要是:
(1)随着钙硫比的增加,石灰石分解后飞灰中自由的CaO和MgO颗粒增加,据相关研究[2]表明,CaO和MgO含量的增多将导致灰比电阻增大。
(2)由于钙基的加入,使得烟气中的SO3的浓度减小,文献[3]表明,烟气中SO3浓度的减小将导致飞灰比电阻增大
。
据相关研究表明[6],喷钙脱硫时积灰量随着钙硫比的增加而增加,从前面的理论分析也可知道灰含量在增加。而图4给出了灰含量对磨损的影响[1],从图中可以看出灰含量越多,对锅炉受热面的磨损在急剧增加。但这种磨损对于喷钙脱硫时主要表现为冲刷磨损。
4 炉内喷钙脱硫对锅炉除尘性能的影响
为了防止锅炉排放的含尘气体污染大气,采取各种类型的除尘装置是有效的措施之一。目前常用的除尘装置有旋风除尘器、布袋除尘器、颗粒层除尘器、洗涤器的电除尘器等。其中,电除尘器是最有效的装置之一,它因除尘效率高、阻力损失小、能处理高温烟气、处理的烟气量大、能捕集腐蚀性很强的物质、能对不同粒径的烟尘有分类富集以及日常费用低等优点。在目前新电厂的设计和老电厂的改造上应用极为广泛,因
图5 钙硫比对除尘器比电阻的影响 图6 钙硫比对钙利用率的影响
因此,当使用炉内喷钙脱硫技术时,应考虑到灰含量的增加将导致飞灰比电阻的增加,相应地静电除尘器的效率在减小。在设计和改造时可以通过锅炉尾部喷水增湿以及对灰成分进行调质而得以改善。
热两者之间的净能得失;石灰石粉输送喷射造成过剩空气量;灰渣的物理显热损失;石灰石粉输送过程的辅助动能消耗以及制粉系统能耗。根
据一维沉降炉内喷钙试验(试验工况为:t=1300℃,Ca/S=2,过量空气系数α=0.6,一、二
5 炉内喷钙脱硫对锅炉效率的影响
锅炉净效率是衡量锅炉经济性能的重要指标。炉内喷钙脱硫对锅炉净效率的影响主要表现为5个方面,即石灰石煅烧吸热与固硫反应放
次风配风比2∶1),对枣庄煤(硫含量为2.09%)燃烧时净能得失作比较可以得到,虽然从理论上燃烧1kg煤所产生的SO2完全与CaO发生反应放出199.2kJ的热量,但该脱硫试验中钙利用率最大为25%,放出的最大热值49.8kJ,而80%左右
3固硫反应的生成热不足以弥补石灰石的分解时所要吸收的热量。从图6中可以得到随着钙硫比的增加,钙的利用率在逐渐减小,当钙硫比为4,钙利用率为12%,通过温度控制箱可以看出炉膛温度从1300℃降低至1280℃左右。显然锅炉净效率下降。相关研究[3]提供的数据也表明,在以高硫煤作燃料的锅炉中,采用石灰石作吸收剂时,因石灰石的分解所造成的热净能损失,可使锅炉效率下降1%～2%,而对与实际锅炉喷钙脱硫时,往往需要过量的输送空气量,因而要维持相同过量空气则经过空气预热器的风量要减少,导致排烟温度升高,锅炉效率也会下降。另外,喷钙脱硫时,灰含量随着钙硫比的增加而增加,灰渣的物理显热损失同样在逐渐增加。而对于后2项对锅炉效率的影响,文献[3]认为对电厂锅炉而言,后2项的能耗占电厂总发电量的0.5%～0.7%。所以,喷钙脱硫时锅炉的净效率有所降低。
(3)炉内喷钙脱硫时改变了积灰成分和含量,主要增加了锅炉受热面的冲刷磨损。
(4)当使用炉内喷钙脱硫技术时静电除尘器的效率在减小。
(5)当使用炉内喷钙脱硫技术时锅炉净效率略有降低。
(6)炉内喷钙及尾部增湿话化脱硫技术有较好的应用前景,特别是中小容量的煤粉锅炉,但在对新电厂的设计和老电厂的改造都应考虑喷钙脱硫对锅炉运行造成的影响,选取相应的措施进行改善。参考文献:
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6 结论
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温腐蚀和低温腐蚀。
(2)炉内喷钙脱硫时锅炉受热面结渣和粘污倾向变得严重,而且随着煤中硫分的增加而变得严重。但对高钠分煤喷钙脱硫时相对减轻了受
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TheInfluenceonBoilerOperationwithDesulphationTechnologyofLimestoneInjectionintoFurnace
WANGZheng2hua, ZHOUHao, CHIZuo2he, JIANGXiao, CENKe2fa
(ZheJiangUniversityCleanEnergyandEnvironmentKeyLabofMOE,Hangzhou310027,China)
Keywords:desulphation; boileroperation
Abstract:Theinfluenceonboileroperationwithdesulphationtechnologyoflimestoneinjection
intoFurnaceisdescribedinthispaper.Theinfluenceincludeserosion,foulingandslagging,abra2sion,dustcollectorperfermanceandbolierefficiency.Therearesomeactiononthedesignofthenewpowerplantandonthereconstructoftheoldpowerplant.