循環(huán)流化床強化脫硫技術(shù)研究現(xiàn)狀及進展
摘 要：評述近年來國內(nèi)外發(fā)展的強化脫硫新工藝、新技術(shù)的原理及研究現(xiàn)狀，對強化脫硫研究現(xiàn)狀進行分析，指出當前面臨的問題。
關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐,強化脫硫,脫硫效率
1 引 言
循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有分級燃燒有效降低NOx 排放、低成本脫硫、煤種適應性強、灰渣易于綜合利用、負荷調(diào)節(jié)范圍大、燃燒穩(wěn)定等特點[1]。由于以上優(yōu)勢，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)成為商業(yè)化程度最好的清潔煤燃燒技術(shù)之一。特別對于燃用高灰、低揮發(fā)分煤之類其它燃燒設(shè)備難以適應的劣質(zhì)燃料的情況或低負荷要求較高，負荷變化頻繁的調(diào)峰電廠及負荷波動較大的自備電站，循環(huán)流化床是最佳選擇。
在大型循環(huán)流化床鍋爐得到快速發(fā)展的同時，對含硫燃料燃燒的SO2 排放要求也越來越高。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)雖然具有較高的爐內(nèi)脫硫效率，但要達到高的脫硫效率則需要較高的Ca/S 摩爾比(2.5 左右)，而且當燃用高硫燃料時，往往需要更高的Ca/S 摩爾比，有時即使增加Ca/S 摩爾比也難以達到要求的排放標準；另一方面，隨著人們對環(huán)境保護問題的日益重視，各國對SO2 排放的控制也更加嚴格。這種現(xiàn)狀要求循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有更高的脫硫效率以及低脫硫劑耗量，這也是目前循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展方向之一。目前已有較多的研究機構(gòu)或公司致力于此，主要的研究工作集中在流化床鍋爐后增加煙氣二級脫硫裝置以進一步提高脫硫效率，對脫硫灰/渣增濕活化以提高脫硫劑利用率，或者通過脫硫劑改性、改變石灰石投加方法等達到脫硫劑高效低耗利用的目的。本文綜述了循環(huán)流化床燃燒技術(shù)開發(fā)強化脫硫技術(shù)研究現(xiàn)狀，以期對今后的研究有所助益。
2 循環(huán)流化床強化脫硫技術(shù)
2.1 爐內(nèi)脫硫與尾部脫硫組合強化脫硫技術(shù)
循環(huán)流化床的燃燒溫度為850～900 ℃，投入爐內(nèi)的石灰石快速分解為CaO，與燃料中析出的SO2反應生成CaSO4，粗顆粒被分離器分離后回送到爐膛繼續(xù)參加反應，細顆粒經(jīng)過煙道后被除塵器捕集。煙道煙氣所含的顆粒和經(jīng)過除塵器捕集的飛灰中含有未被反應的CaO。循環(huán)流化床組合強化脫硫技術(shù)就是在爐內(nèi)加脫硫劑脫硫的同時，增加尾部煙氣脫硫裝置以利用了爐內(nèi)脫硫未被利用的CaO，提高脫硫效率的同時提高了脫硫劑的利用率。
Alstom 公司開發(fā)了循環(huán)流化床和干法脫硫技術(shù)相結(jié)合的NID 脫硫工藝[2]，如圖所示。從循環(huán)流化床鍋爐的空氣預熱器出來的煙氣，經(jīng)反應器底部進入反應器，與混合增濕器中送入的吸收劑發(fā)生反應。在降溫和增濕的條件下，在反應器中煙氣中SO2 和吸收劑反應生成亞硫酸鈣和硫酸鈣。
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NID 工藝的優(yōu)點一是設(shè)備簡單，不需要高速度的旋轉(zhuǎn)噴霧器，也不需要液體和壓縮空氣的兩相流噴嘴；二是NID 工藝所需的電耗低于傳統(tǒng)干法氣體凈化系統(tǒng)相應設(shè)備所需的電耗，而且工藝用水不是添加到排氣中，而是添加到混合器中，不存在灰漿處理問題。另外高循環(huán)率保證系統(tǒng)中僅處理干的循環(huán)灰，沒有濕的漿液與設(shè)備表面接觸，氣路中沒有結(jié)垢。該工藝的另一個優(yōu)點是經(jīng)過脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度不需再加熱，可直接經(jīng)現(xiàn)有煙囪排放。
2.2 流化床灰/渣活化后高溫脫硫的研究
研究表明，流化床灰/渣活化反應后重新送回爐內(nèi)，在爐內(nèi)高溫條件下也能表現(xiàn)出較高的脫硫反應活性，從而降低了石灰石用量。主要原理是利用CaO 反應生成的Ca(OH)2，在高溫脫水反應后可使顆粒內(nèi)部的CaO 暴露出來，同時還會有利于進一步形成高溫脫硫反應的孔隙結(jié)構(gòu)。T. Khan 等人[3]同樣研究得到脫硫灰水合可以進一步提高鈣基的利用率。原因是一方面灰中CaO 與水反應生成摩爾體積大的多的Ca(OH)2 而發(fā)生膨脹破裂，使產(chǎn)物層包裹的未反應的CaO 暴露出來，參與脫硫反應；另一方面是水合飛灰投入鍋爐后 Ca(OH)2 脫水反應形成多孔隙結(jié)構(gòu)也有利于進一步利用 CaO。其實驗結(jié)果表明水合反應提高了飛灰的脫硫反應活性，并且水合溫度和水合反應時間是影響水合反應效果的主要因素。
J. Anthony 等人[4]研究了FBC 爐渣中CaO 再利用的方法。他們認為爐渣水合生成的鋁硫酸鹽以及爐內(nèi)燃燒反應生成的鈣鋁酸鹽、硅酸鹽、鐵酸鹽等成分的存在，爐渣重新投入爐內(nèi)可以提高CaO 脫硫反應的活性，并且脫硫性能高于原有的石灰石。
目前的研究均證明飛灰和爐渣水合可以提高鈣的利用率，但是活化方法沒有從根本上改變灰渣的粒度分布和結(jié)構(gòu)，活化后在流化床內(nèi)停留時間增加不多，對鈣利用率的提高有一定的限制。另外如果活化時間過長，會影響活化工藝與鍋爐系統(tǒng)的連續(xù)性。
2.3 石灰石改性提高活性
對石灰石進行改性可以改良脫硫性能。Paolo[5]發(fā)現(xiàn)在 850 ℃時，用2%濃度的NaCl 溶液浸泡過的石灰石可比處理前脫硫率提高了近8%，認為Na 離子可以使鍛燒生成的 CaO 具有更大的比表面積和更多的內(nèi)外空隙，且Na 離子具有催化作用加速固硫反應。
國內(nèi)也有關(guān)于添加劑對氧化鈣脫硫性能改性的研究。清華大學熱能研究所的楊立寨等人[6]運用小型熱態(tài)流化床，在 700 ℃溫度下對石灰與氧化鐵混合物的中溫煙氣脫硫反應特性進行了測定。研究表明，在石灰中摻入一定比例的氧化鐵可以顯著提高鈣利用率，氧化鈣晶體以氧化鐵為核心進行固硫反應，破壞了形成致密產(chǎn)物層的條件，改變了石灰表層孔隙結(jié)構(gòu)，使更多的內(nèi)部孔隙暴露，為固硫反應向縱深發(fā)展創(chuàng)造了條件。
若將石灰石改性的方法應用到實際的工藝中，要考慮操作上是否便利以及所需的費用是否在可行范圍之內(nèi)，而且目前較多的研究還處于實驗室階段，還未見石灰石改性工業(yè)應用方面的報道。
2.4 改變石灰石投加方式以提高脫硫效率
孫立強等人[7]通過改進投加方式提高脫硫劑固硫率。該技術(shù)是在流化床試驗臺上將石灰石均勻混入煤泥給料，可達到80%左右的脫硫效率，而采用常規(guī)技術(shù)，即煤泥和石灰石分別給料，固硫效率僅為70%左右。由于經(jīng)過石灰石和煤泥的一次攪拌和入爐輸送過程的二次攪拌，石灰石和煤泥充分混合，充分利用煤泥入爐干燥凝聚結(jié)團的特性，使入爐內(nèi)的燃料形成均勻分布固硫劑的煤泥凝聚團，然后在鍋爐內(nèi)進行流化燃燒實現(xiàn)固硫的目的。采用此方法可利用較小顆粒的固硫劑（0.2 mm 石灰石）以提高固硫劑的利用率，同時又由于凝聚結(jié)團作用使固硫劑在爐內(nèi)停留時間大大延長，使固硫劑和二氧化硫能夠充分反應，從而達到高效固硫的目的。該技術(shù)的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資低、固硫成本低，比傳統(tǒng)的爐前分別給料固硫效率明顯提高。
3 結(jié) 論
燃燒過程對大氣造成的污染正日益引起人們的關(guān)注，控制SO2 的排放是當今電站煤燃燒利用研究中亟需解決的課題。隨著我國對SO2 污染的重視和相關(guān)法律的出臺及實施，發(fā)展循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)的高效、低脫硫劑耗量的強化脫硫技術(shù)不僅有助于工程決策與設(shè)計，而且對今后的SO2 污染監(jiān)控與防治工作具有積極的指導意義。
參考文獻
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[2] 葛介龍, 王新龍. NID脫硫工藝在國內(nèi)的應用研究[J]. 電力環(huán)境保護, 2002, 18(1): 10～12.
[3] Khan T, Lee Y Y. Improving limestone utilization circulation fluidized bed combustors through the reactivation and recycle of partially utilized limestone in the ash [A]. New York: ASME, 1995: 831～840.
[4] Anthny E J, I A Irbarne, J V Jia L. Reuse of landfilled FBC residues [J]. Fuel, 1997, 76(7): 603～606.
[5] Paolo D, G. D Paolo G, et al. An investigation of the influence of sodium chloride in the desulphurization process of limestone [J]. Fuel, 1992, 71: 831～834.
[6] 楊立寨, 祁海鷹, 由長福, 等. 氧化鐵對提高石灰中溫煙氣脫硫活化機理的流化床實驗分析[J]. 工程熱物理學報, 2003, 24(2): 357～ 359.
[7] 孫立強, 李樹華, 等. 煤泥循環(huán)流化床固硫新技術(shù)的工業(yè)化應用[J]. 潔凈煤技術(shù), 2004, 10(2): 42～46.
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