爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)﹀仩t性能影響的試驗研究
摘要：研究了一臺150 MW 供熱鍋爐爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)\行性能的影響。追蹤了噴鈣脫硫投運前后三年來排煙溫度的變化，定量分析噴鈣脫硫引起受熱面異常沾污對鍋爐性能的影響；并通過專項試驗，研究爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)θ紵t膛和空氣預熱器傳熱的影響，結果表明，爐內(nèi)噴鈣脫硫使鍋爐效率降低約1.72%，爐膛吸熱量略有增加。
關鍵詞：鍋爐,爐內(nèi)噴鈣煙氣脫硫,鍋爐性能,鍋爐性能試驗
0 引言
某電廠150 MW 供熱機組于2005 年7 月結束 96 h 試運行，移交試生產(chǎn)。2005 年9 月完成性能考核試驗。2007 年8 月， 爐內(nèi)噴鈣尾部增濕（Limestone Injection into the Furnace and Activation of Calcium 簡稱LIFAC）煙氣脫硫系統(tǒng)正式投入運行。2008 年 3 月，屏式過熱器管間結渣連片，導致鍋爐通風異常而緊急停爐；兩臺噴鈣脫硫鍋爐運行兩年后性能嚴重下降，電廠多次組織技術人員分析鍋爐性能下降原因，并通過專項試驗，研究了爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)﹀仩t性能的影響。
1 設備概況
1.1 鍋爐
該電廠3、4 號機組是150 MW 燃煤供熱機組，鍋爐是上海鍋爐廠生產(chǎn)的SG-480/13.7-M776 型超高壓自然循環(huán)汽包爐。爐膛為正方形，深度和寬度均為9.60 m，高45.95 m。采用寬調(diào)節(jié)比擺動式燃燒器，四角布置，切圓燃燒。制粉系統(tǒng)為鋼球磨、中間儲倉、乏氣送粉系統(tǒng)；采用靜電除塵器。鍋爐設計燃用揮發(fā)分Vdaf =36%、發(fā)熱量Qnet,ar= 21 270 kJ/kg、含硫量Sar=0.44%的煙煤，設計煤的灰熔點DT=1 220 ℃，ST>1 280 ℃，F(xiàn)T>1 338 ℃。
1.2 煙氣脫硫系統(tǒng)
每臺鍋爐配一套爐內(nèi)噴鈣尾部增濕煙氣脫硫系統(tǒng)，見圖1，設計參數(shù)見表1，工作原理簡述如下： 在爐膛29.7 m 和32.2 m 層高處各設一排噴嘴，石灰石噴入爐膛后，鍛燒分解成CaO 和CO2，部分SO2 與CaO 反應生成CaSO4， 這一階段脫硫效率25%～30%； 在增濕活化器內(nèi), 脫硫劑表面形成水膜, SO2 向其中溶解，被CaSO4 包裹的CaO 遇水生成Ca（OH）2，并與溶于水的SO2 反應；為了提高鈣的利用率， 將電除塵器第一電場收集來的粉塵送回增濕活化器循環(huán)利用； 活化器出口煙氣在加熱器內(nèi)與來自空氣預熱器的熱空氣直接混合，保證電除塵器安全運行。
2 受熱面沾污對排煙溫度的影響
爐膛噴鈣增加了灰量，改變了灰的化學成分和粒度分布，進而影響灰在鍋爐不同部件上的堆積特性，受熱面堆積灰的分布和數(shù)量以及化學物理特性對排煙溫度有重要的影響。
鈣基吸附劑在爐膛上方噴入后，鈣基吸附劑在熱解時發(fā)生爆裂，產(chǎn)生大量的細微顆粒，細微顆粒容易粘附在受熱面上，使受熱面的沾污加重；另外，噴入鈣基吸附劑后，灰中自由CaO 顆粒較多，由于 CaO 的熔點較低，受熱面上粘污核心增多，受熱面沾污和結渣傾向加重［1］。
爐膛噴鈣脫硫?qū)κ軣崦嬲次刍蚪Y渣的影響還因煤種而稍異；低硫煤噴射石灰石后，灰的軟化溫度下降較多，而高硫煤則下降較少；機理研究表明［2］，沾污特性與煤的活性有機鈉化合物含量有關，這些鈉化合物熔點低， 在爐膛高溫環(huán)境下首先被蒸發(fā)，而后凝結固化在溫度相對低的受熱面上，與灰顆粒一起在受熱面上形成非常緊密的積灰， 在此過程中，鈉化合物起到類似“膠水”的作用，使積灰堅硬緊密，難以清除；研究表明，對于一部分沾污性很強的高鈉煤，爐膛噴鈣會使積灰對管壁的粘結強度降低，沾污變得容易清除，這是有利的方面；而對于大多煤種，爐膛噴鈣會降低灰的變形溫度和流動溫度的差值，如果該溫差很小，積灰也難以清除；表2 給出了該電廠部分入廠煤灰熔點檢驗結果， 可以看出，燃用的神華煤灰熔點FT 都低于1250 ℃，屬嚴重結焦煤，該類煤不僅灰熔點低，而且灰的初始變形溫度DT 與流動溫度FT 差值； 爐膛噴鈣會進一步增加屏式過熱器結渣機會，而且可能形成難以清除的沾污；2008 年初，3 號鍋爐因屏式過熱器管間結渣連片、鍋爐通風困難而緊急停爐。
排煙溫度是受熱面整體沾污狀態(tài)的直接反映，但鍋爐運行中，環(huán)境溫度變化大，對排煙溫度有較大影響；將排煙溫度修正到標準環(huán)境狀態(tài)后，環(huán)境溫度的影響被剝離出去，修正后的排煙溫度可以準確指示受熱面整體沾污狀態(tài)。該電廠3 號鍋爐自 2005 年7 月17 日投產(chǎn)以來，共進行4 次正式鍋爐效率試驗，試驗時間分別是2005 年9 月、2006 年7 月、2008 年7 月、2009 年1 月，4 次試驗中修正排煙溫度隨時間變化見圖2。
該電廠燃用煤礦點繁多，2008 年低灰熔點的煤比例逐漸增多，同年12 月，低灰熔點神華混煤和神華石炭煤占到入廠煤的89%。從圖2 看出，脫硫系統(tǒng)投用、低灰熔點煤增多后，排煙溫度大幅度增加；2006 年7 月到2009 年1 月，135 MW 負荷下的修正排煙溫度由136.2 ℃上升到157.24 ℃，升幅達 21 ℃，表明受熱面的沾污狀態(tài)明顯惡化。
3 脫硫系統(tǒng)投、停試驗對比［3］
脫硫系統(tǒng)正式投用一年后，在該電廠3 號鍋爐上進行脫硫設備投、停對比試驗，試驗前，利用蒸汽吹灰器清除受熱面上的松散性積灰，在相同的受熱面清潔度下開始試驗，試驗按國家標準GB 10184- 88 的規(guī)定進行， 主要考察爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)ε艧煖囟、爐內(nèi)燃燒和傳熱的影響。
兩次試驗鍋爐負荷和燃用煤種相同，試驗結果見表3，從中可看出，兩次試驗未燃盡碳損失基本相同，爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)θ紵绊懞苄。脫硫系統(tǒng)投用后，減溫水流量明顯減少，說明爐膛換熱量增加，這是煙氣的灰負荷增加引起。鈣基吸附劑在爐膛上方噴入， 對爐膛下方受熱面的結渣和沾污影響較小，但由于爐膛空間灰負荷增加，灰擴散和吸收率發(fā)生改變，導致爐膛輻射傳熱特性變化，從而引起爐膛換熱量發(fā)生改變。
脫硫系統(tǒng)投用后，鍋爐排煙溫度發(fā)生明顯改變，見表3。在機組負荷和爐膛過？諝庀嗤那闆r下，脫硫系統(tǒng)投用后，修正排煙溫度升高8.11 ℃。盡管兩次試驗煙氣灰負荷不同，受熱面積灰速度有差異，但由于試驗時間較短，試驗前進行充分吹灰，試驗過程受熱面清潔狀態(tài)差別不大， 煙溫度升高的主要原因是，噴鈣脫硫系統(tǒng)的輸送空氣是室溫下的冷空氣，未經(jīng)空氣預熱器直接進入爐膛，若維相同的過剩空氣，流經(jīng)預熱器的空氣減少，引起排煙溫度升高。
4 爐內(nèi)噴鈣煙氣脫硫?qū)﹀仩t性能影響定量分析
爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)﹀仩t性能的影響主要表現(xiàn)為以下幾個方面，石灰石煅燒吸熱與固硫反應放熱兩者之間的凈熱量得失；石灰石粉輸送噴射造成過？諝饬； 因噴鈣引起的受熱面異常沾污或結渣；噴鈣引起的灰渣物理顯熱損失。
石灰石煅燒和固硫反應的方程為
CaCO3→CaO+CO2 CaO+SO2+12 O2→CaSO4+CO2
1 摩爾CaCO3 分解需要的熱量177.9 kJ，1 摩爾SO2 與CaO 完全反應放出熱量500.6 kJ［4］；燃用煤的含硫量為1.24%、發(fā)熱量為20 280 kJ/kg，鈣/硫摩爾比為2.5，假設爐膛內(nèi)CaCO3 的分解率為85%，爐內(nèi)脫硫反應率為25%；1 kg 煤產(chǎn)生的SO2 在爐內(nèi)與CaO 反應放出熱量約為500.6×（1 000×0.0 124/ 32）×0.25=48.5 kJ， 爐內(nèi)CaCO3 分解需要的熱量 177.9×（1 000×0.0 124/32×2.5）×0.85=146.5 kJ， 石灰石煅燒吸熱與固硫反應凈熱量差使鍋爐效率下降的百分數(shù)約為（146.5-48.5）/20 280×100=0.48%。
根據(jù)對比試驗，脫硫系統(tǒng)投用后排煙溫度升高 8.11 ℃，這是由石灰石粉輸送噴射造成過？諝饬恳，會引起鍋爐效率降低約0.49%。
在脫硫系統(tǒng)投用、低灰熔點煤增多后的短時間內(nèi)，修正排煙溫度升高21 ℃，見圖2，據(jù)經(jīng)驗估計，因爐膛噴鈣脫硫引起的排煙溫度異常升高不會小于10 ℃，按此計算，鍋爐效率降低約0.61 %。
鍋爐燃用含硫量為1.24%的煤， 鈣/硫摩爾比為2.5，每小時消耗約16.06 t 的石灰粉，與停用脫硫系統(tǒng)相比，飛灰量會增加50%，噴鈣引起的物理顯熱會使鍋爐效率下降約0.14%。
5 結語
爐內(nèi)噴鈣煙氣脫硫投用后，該電廠的150 MW 鍋爐排煙溫度異常升高，灰負荷增加引起爐膛吸熱量增多，減溫水量減少，爐內(nèi)噴鈣引起鍋爐效率降低約1.72%，但對爐膛燃燒影響很小。
采用爐內(nèi)噴鈣脫硫的鍋爐， 應加強煤質(zhì)控制，避免燃用低灰熔點、強沾污性煤；可通過提高吹灰頻率、優(yōu)化氧量控制、根據(jù)燃煤硫分含量合理控制入爐石灰石量等措施，提高鍋爐運行經(jīng)濟性。
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