烟气循环流化床脱硫CFB-FGD技术概述.doc

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1、,烟气循环流化床脱硫CFB-FGD技术简介1. 概况 烟气循环流化床(CFB)脱硫技术在最近几年中已有所发展，不但用户增多， 而且系统的烟气处理能力也比过去增大了，达到950,000Nm3/h，用于300MW机组的烟气脱硫系统。 目前，已达到工业化应用的主要有三种流程, 它们是：1. 由德国Lurgi公司开发的烟气CFB脱硫技术；2. 由德国Wulff公司在Lurgi技术基础上进行改进后的RCFB脱硫技术；3. 由丹麦F.L.Smith公司开发的GSA烟气脱硫技术。早在七十年代初，擅长于冶金工业工程建设的德国Lurgi公司就采用了烟气循环流化技术对炼铝设备的尾气进行处理。八十年代中期，由于开始

2、对环境质量的严格控制以及政府的有关法规的强行规定，德国的动力工业对烟气脱硫设备有了巨大的需求。Lurgi公司在原来用于炼铝尾气处理的技术的基础上开发了一种新的适用于锅炉和其它燃烧设备的干法烟气脱硫工艺，即烟气循环流化床脱硫工艺。这种工艺以循环流化床原理为基础，通过吸收剂的多次再循环，使吸收剂与烟气接触时间增加，一般可达30分钟以上，从而大大提高了吸收剂的利用效率。这种工艺不但具有干法工艺的许多优点，如流程简单、占地少、投资低以及脱硫副产品呈干态，因而易于处理或综合利用，而且能在很低的钙硫比的情况下(Ca/S=1.1-1.2)达到与湿法工艺相近的脱硫效率(95%)。 德国Wulff公司是一个成立

3、较晚的设计和建造烟气CFB脱硫工程的小型企业。 它的创始人R. Graf原是Lurgi公司在烟气CFB脱硫技术开发方面的主要负责人。脱离Lurgi公司后自建了Wulff公司，专门从事烟气CFB脱硫技术的开发工作，在Lurgi技术的基础上开发研制了一种叫做回流式烟气循环流化床的烟气CFB脱硫技术,对烟气CFB脱硫技术作了较大的改进，使之更加适用于动力工业(详见后)。 F.L.Smith公司是丹麦最大的工业企业，在水泥工业及散装物料输送机械制造方面享有很高的声誉。该公司的子公司F.L.Smith Mill专门从事环保设备设计和环境工程建设，在静电除尘器及烟气脱硫方面有不少业绩。它们独自开发的气体悬

4、浮吸收(GSA)烟气脱硫技术在工作原理上和Lurgi工艺十分类似，并且已在一些垃圾焚烧设备和中小动力锅炉的烟气处理装置上得到了应用。GSA工艺还作为美国能源部主持的清洁煤技术项目的第二阶段中的一种试验技术在美国的一个10MW燃烧装置上进行了试验。 下面先对烟气CFB脱硫介绍的工作原理进行简要的说明，然后介绍用于电厂锅炉的两个装置的基本情况。2. 烟气CFB脱硫工艺简介 无论是Lurgi公司的CFB工艺, Wulff公司的RCFB工艺还是F.L. Smith 的GSA工艺，它们在工作原理上都是很类似的。因此我们以Lurgi公司的CFB工艺为基础对烟气CFB脱硫工艺作简单的介绍。 烟气CFB 脱硫

5、工艺流程由吸收剂制备，吸收塔，吸收剂再循环，除尘器以及仪表控制系统等部分组成，其流程图见图1。 烟气CFB脱硫工艺一般采用干态的消石灰粉作为吸收剂，在特殊情况下也可采用其它对二氧化硫气体有吸收能力的干粉或浆液作吸收剂。 由锅炉排出的未经处理的烟气从流化床的底部进入，如果考虑到综合利用的需要，不希望脱硫的副产品与飞灰混在一起，那么必须在吸收塔之前安装一个预除尘器。 流化床吸收塔的底部为一个文丘里装置。烟气流经文丘里装置后速度加快，并与很细的吸收剂粉末互相混合。它们之间的相对滑移速度很大, 加上吸收剂颗粒的密度很大，因此颗粒之间、气体与颗粒之间有着剧烈的摩擦，对SO2的吸收反应的传热传质过程十分有

6、利。 吸收剂与烟气中的SO2反应，生成亚硫酸钙，经脱硫后带有大量固体颗粒的烟气由吸收塔的顶部排出。排出的烟气进入再循环除尘器中，再循环除尘器实图1. 烟气CFB脱硫工艺流程际上是一个机械式除尘器，也可以是一个安装在电气除尘器前面的机械式预除尘器。烟气中的大部分固体颗粒都被再循环除尘器分离出来，被分离出来的颗粒则经过一个中间灰仓返回到吸收塔。由于大部分的颗粒都被循环多次，因此，固体吸收剂在脱硫系统中的滞流时间很长，一般可达三十分钟以上。 中间灰仓出灰装置根据吸收剂的供给量以及除尘效率, 按比例排出固体颗粒进入再循环回路。 从再循环除尘器排出的烟气如不能满足排放标准的要求，则需要再安装一个除尘器(

7、静电除尘器或布袋除尘器)。经除尘后的洁净烟气通过引风机、烟囱排入大气。 以干粉的形式输入流化床吸收塔的吸收剂，同时还要喷入一定量的水以提高气体和固体物的反应能力。对脱硫效率来说，一个很重要的因素是烟温与水露点温度之差，该差值越小则系统的脱硫效率越高。由于吸收剂是干的, 所以注水量与加入的吸收剂的量、烟气的温度以及烟气中的SO2浓度无关。这样就可以使喷水后的烟气温度与水露点十分接近，使得CFB烟气脱硫工艺可以适用于燃料含硫量从0.3-6.5的各种锅炉（包括燃煤锅炉和燃油锅炉），并在各种运行条件下均有很高的脱硫效率。 CFB工艺的吸收剂是以石灰在现场进行干消化所得到的干的氢氧化钙细粉。 由于消石灰

8、粉颗粒很细, 一般在10微米以下，因此不需要进行磨细，既节省了购买磨机等大型设备的投资费用，也减少了能源消耗，使运行费用大为降低。 同时因为CFB工艺是一种干法流程，所以不象湿法、半干法那样需要有许多庞大的存储罐和易磨损的浆液输送泵等组成的复杂的吸收剂制备、输送系统，只要一台干消化器用来制备消石灰粉，然后用空气斜槽进行输送就可以了，从而大大简化了工艺流程。 在各种负荷条件下，CFB烟气脱硫系统都能很好地适应. 当负荷从100%变化到10%，系统称仍能很好地工作，这使得CFB工艺既能由于调峰机组，又能用于带基本负荷的机组。 CFB工艺所产生的脱硫副产品呈干粉状，非常便于处置。其化学组成与喷雾干燥

9、工艺的副产品相类似，主要CaSO3、CaSO4 以及未反应完的吸收剂(Ca(OH)2)等构成。脱硫副产品中是否含有大量的飞灰，则取决于在CFB烟气脱硫系统强是否安装了前级除尘器。CFB烟气脱硫系统的脱硫副产品的处置方法也与喷雾干燥的副产品基本相同。CFB工艺的副产品在加水后会硬化，硬化后的屈服强度可达15-18N/mm2，压实密度为1.28g/cm3，而其渗透率则与黏土类似，约为3X10-11。由此可见该副产品的强度与混凝土接近，很适合作矿井回填、道路基础。如能进一步加以开发，可能成为良好的建材工业的原料。 典型的CFB烟气脱硫反应的脱硫灰的成分如下；飞灰 约 60%-70% CaCO3 7%

10、-12% Ca(OH)2 2%-4% CaSO3 12%-18% CaSO4 2%-5% 水 1%3. CFB烟气脱硫装置实例3.1 Siersdorf电厂3.1.1电厂概况 电厂从1962年开始投运。共有两台液态排渣炉(1号和2号炉)，燃用当地的烟煤，装机容量为170MW。设计数据煤分析水分 12-16 %灰分 17-21 %热量 23000 kJ/kg硫(可燃质) 10-15 %入口原烟气流量2(145,000-362,500) Nm3/h温度100-140 C含尘量0.2-2 g/m3最大含硫量2700 mg/Nm3, (950 ppm)CO213-14 Vol%O25-6.5 Vol%

11、H2O6-11 Vol%处理后排出的烟气温度65-75 C含尘量125 mg/m3SO2400 mg/m3 (140 ppm)3.1.2 烟气脱硫装置概况设计数据制造厂Lurgi 公司工艺 循环流化床（CFB烟气脱硫安装位置共两套，装在锅炉后, 无旁路烟气流量(每套装置) 300,000 Nm3 /h，O2 5%，干烟气烟气温度125C (+15k, -35k)最低负荷40%NOX 1300 mg/Nm3，干烟气FGD前尘含量1000 mg/Nm3，干烟气 (第1套)200 mg/Nm3，干烟气 (第2套)FGD后尘含量50 mg/Nm3，干烟气FGD前SO2含量 1400-2700 mg/N

12、m3，干烟气FGD后SO2含量200 mg/Nm3，干烟气Cl含量 50-125 mg/Nm3，干烟气，O2 5 Vol% F含量25 mg/Nm3，干烟气，O2 5 Vol% O2含量5-7 Vol% CO2含量13-14 Vol% HCl分离程度95%吸收剂德国标准DIN1060细石灰, 但对其碱度及温升(quenching)特性有进一步要求使用年月开始安装日期1983年3月投运日期1988年5月试运日期1989年8月3日-1989年9月13日移交日期1989年12月12日系统布置 Siersdorf 电厂的布置和CFB烟气脱硫系统的简图见图2。由于该厂有两台锅炉，每台锅炉各配一套FGD系

13、统，对称排列，装在原有的空气预热器、除尘器及引风机后。FGD系统的主要设备包括： CFB吸收塔入口烟道及挡板门； CFB吸收塔； 三电场带百叶窗式机械预除尘器的电除尘器； 出口烟道及挡板门； 脱硫增压风机； 烟气再热器； 新烟囱； 控制CFB塔的出口烟气温度的回流喷嘴喷水系统； 石灰储仓； 干消化装置以及消石灰粉的输送和给料系统； 用于再循环及排灰的输灰设备、中间灰仓； 测量和控制FGD系统的仪表和自动控制系统； FGD系统的电源及电气设备。工艺简介 两台FGD系统分别安装在275 t/h的本生锅炉之后。锅炉为燃煤流化床燃烧, 燃煤的含硫量平均为0.8%。锅炉原来的电除尘器现作为FGD系统的预

14、除尘器。烟气以45的张角进入流化床反应器，在经过文丘里喷嘴后产生湍流和扩散，使烟气和吸收剂得以充分的混合。反应器底部的水喷嘴喷入经雾化的水使烟气中的SO2 与吸收反应有最佳的条件，同时使烟气温度降低到65C左右。反应产物离开CFB反应塔后在除尘器（机械预除尘器+三电场电除尘器）中分离出来。处理后的烟气由脱硫风机送到脱硝装置。除尘器分离出来的反应产物用气力流化斜槽送回反应器进行再循环。 石灰干消化系统以石灰为原料，进行干消化，自动生产干的消石灰粉。为了使成品中的含水量在3%左右，关键是要精确地控制消化时的给水量，保持消化器的温度在103C，这样可以使多余的水分及时蒸发。干的消石灰粉根据脱硫率要求

15、计量后送到流化槽，加入工艺过程。为了保证CFB塔内的物料密度, 根据流化床反应器进出口压差(DP=6.5 mbar),把多余的反应产物由除尘器后的再循环分配阀排出。 主要运行经验 处理后的烟气满足了规定的排放标准 （SO2400 mg/Nm3, 尘50 mg/Nm3）； 输送设备的磨损很小，气锁阀及灰泵的易磨部件的寿命均在3-4年左右； 运行初期电除尘器壁有腐蚀现象，但在改进保温后未再出现； 由于流化床内的扰动引起烟道的的压力有波动，曾使脱硫风机转子叶片的 控制机构损坏，此后，加了一条旁路烟道，以保护风机； 雾化水喷嘴的原设计不合理，尤其在低负荷下运行时容易造成湿壁现象. 湿 的脱硫产物也可能

16、产生上述的流化床内的扰动。经电厂技术人员自行改进喷嘴设计后问题已得到解决。3.2 Solvay公司自备电厂3.2.1电厂概况Solvay 公司是德国的一个以生产烧碱为主的化工联合企业。它共有七台锅炉提供生产所需的蒸汽和部分电力，其中七号炉为煤粉炉。该炉于 1983年投运，蒸汽参数为220 t/h，135 bar, 525 C。锅炉后配有一个四电场的静电除尘器, 用于收集烟气中的飞灰. 该炉的年运行小时数高达8,700小时。图2. Siersdorf 电厂和CFB烟气脱硫系统的布置简图1锅炉 2.空预器 3.原有电除尘器 4.原有电除尘器 5.原有引风机 6.吸收塔7新增电除尘器 8.脱硫增压风

17、机 9.烟气加热器 10.石灰卸料装置 11.石灰储仓 12.中间灰仓 13.大集灰库 14.增湿水 15.石灰 16.烟气入口 根据有关法规的要求，该炉必须增加烟气脱硫系统及改造除尘装置以达到新的环境法规的要求。对脱硫系统的要求是： 脱硫率必须大于85%且烟囱出口的烟气中的SO2浓度应小于400 mg/Nm3，烟气中的尘含量应小于20 mg/Nm3。 锅炉燃煤的含硫量变化范围为0.5%-1.9%，一般情况下为1.2%。在锅炉启动或磨煤机故障，以及负荷低于50% MCR时用含硫率为1%的重油助燃。 锅炉蒸汽的出力在130-220 t/h范围内变化，锅炉负荷的变化率最高为7%/min。3.2.2

18、 烟气脱硫装置概况设计及运行数据制造厂WULFF 公司工艺回流式烟气循环流化床干法脱硫工艺 (RCFB)安装位置原静电除尘器后, 可以100%旁路烟气流量 140,000-244,000 Nm3/h, O2 6%, 干烟气烟气温度130-150 C FGD前尘含量125 mg/Nm3，干烟气 FGD后尘含量20 mg/Nm3，干烟气FGD前SO2含量3,300 mg/Nm3，干烟气 (最大)1,920 mg/Nm3，干烟气 (一般)FGD后SO2含量400 mg/Nm3， 干烟气 (最大)FGD系统的最低脱硫率85%FGD前HCl含量200 mg/Nm3 FGD后HCl含量20 mg/Nm3F

19、GD前HF含量15 mg/Nm3FGD后HF含量1.5 mg/Nm3FGD后烟囱排烟最低温度73 C(以上所有的浓度值均已修正到干烟气, 6%的O2的条件下)吸收剂采用本厂的含Ca(OH)2的废浆液, 在需要高脱硫率时也可加入消石灰粉.Ca(OH)2浆液成分g/l:Ca(OH)2250CaCO310.9CaSO42.0Mg(OH)24.1Fe2O31.8Al2O31.8平均颗粒尺寸mm3-5消石灰粉:含水量%1平均颗粒尺寸mm3-6比表面积(BET)m2/g16脱硫灰主要成分CaSO372%CaSO45%CaCl24.5%CaCO315%Ca(OH)21%H2O1%其它1.5%平均颗粒尺寸5m

20、m使用年月开始安装日期1992年8月投运日期1993年4月2日试运日期1993年4月30日-1993年5月28日移交日期1993年5月28日系统布置 Solvay自备电厂FGD系统的简图见图3所示，FGD系统的主要设备布置简图见图4。 烟气在经过原有的电除尘器的预除尘后，由一个旁路三通门切换到新增加的FGD系统布袋除尘器中。原来的烟道及引风机仍然保持作为FGD系统故障和维修时烟气的旁路通道。在FGD系统中增设了一台脱硫风机，以克服FGD系统和布袋除尘器的阻力。在RCFB吸收塔中脱硫和布袋除尘器中，经除尘后的清洁烟气经原有的引风机和消声器进入烟囱。FGD系统使用的吸收剂是本公司化工厂的废消石灰浆

21、液。一般的烟气CFB脱硫工艺要求使用消石灰粉，这是钙基吸收剂中最贵的一种形式。而RCFB工艺则可使用用低质量的石灰消化后的浆液。为了保证在所有工况下FGD系统均有足够高的脱硫效率，简单地增加吸收剂浆液量或浆液的浓度可能会造成运行上的问题，因此在本系统上装备了消石灰粉的储存输送和喷入系统。 Solvay电厂FGD系统的石灰浆液是从原有的浆液管道上用泵抽出的。抽出的浆液先用水稀释到含固量为15%左右，然后由一个双流体雾化喷嘴喷入吸收塔. 进行雾化。喷嘴以蒸汽作为压力源。烟气增湿的水一部分来自吸收剂浆液，另一部分则需要由增湿水喷嘴喷入. 增湿喷嘴是一个高压回流式喷嘴系统。图3. Solvay自备电厂

22、FGD系统的简图 1锅炉 2.原有除尘器 3.消石灰仓 4.RCFB吸收塔 5.石灰浆槽 6.增湿水箱 7. 新增除尘器 8.中间灰仓 9. 大集灰库 10.烟囱图4. Solvay自备电厂FGD系统的主要设备布置简图1. RCFB 吸收塔 2. 布袋除尘器 3. 灰再循环 4. 石灰浆储罐 5. 灰库 6. 低压开关室 7. 运灰车装载站 8. 除尘器顶小室 9. 锅炉房 10. 处理前烟气烟道 11. 处理后烟气烟道 12. 除氮设备13. 烟囱工艺特点 与Lurgi公司的CFB烟气脱硫工艺相比，RCFB工艺主要在吸收塔的流场设计和塔顶结构上作了较大的改进。由于独特的流场和塔顶结构设计，在

23、RCFB吸收塔中烟气和吸收剂颗粒的向上运动中会有一部分因回流(Reflux)从塔顶向下返回塔中。这股向下的固体回流与烟气的方向相反，而且它是一股很强的内部湍流，从而增加了烟气与吸收剂的接触时间。实际上可以认为这是一种与外部再循环相似的内部再循环。在内外再循环的作用下，RCFB工艺的脱硫效率得到了优化。RCFB工艺吸收塔内的回流还大大降低了吸收塔出口的含尘浓度。RCFB吸收塔的内部回流的固体物通量约为外部再循环的30-50%，这样，与一般的烟气CFB工艺相比，出口烟气中的尘浓度可降低15-30%。由于出口烟气尘浓度的降低， 使得下游的除尘器的设计简化了。在RCFB工艺中取消了Lurgi公司CFB

24、烟气脱硫工艺中的机械预除尘器和GSA工艺中的旋风分离筒。这不但简化了工艺，节省了投资，而且由于外部再循环灰量的减少而降低了运行费用。主要运行业绩及经验 保证值与实测值的比较:1. 在燃用含硫量为1.2%的煤时的污染物脱除效率处理后烟气的参数保证值测量值SO2出口浓度 mg/Nm3 4008586-88(Max.97)SO3 浓度 mg/Nm30.1尘浓度 mg/Nm3201.2HCl浓度 mg/Nm3202.1HF浓度 mg/Nm31.57375-80图6. RCFB吸收塔工作原理2. 物料消耗及其它保证条款Ca/S 化学计量比1.411.25脱硫灰中的活性CaO1%CaO电耗kW720311

25、噪声水平dB(A),1米8097.398.1 该系统累计运行(到1995年3月)已超过了10,000小时，系统可用率达到98%： 处理后的烟气满足了规定的排放标准 (SO2400 mg/Nm3，尘50 mg/Nm3)： 在运行10,000小时后对系统的清洁烟气烟道和钢烟囱进行了检查，未发现 裸露的钢制部件上有任何可觉察到的腐蚀； 运行初期曾在布袋除尘器中与烟气接触的金属部分发现了腐蚀现象，但在 改进涂料配方后未再出现； 由于在RCFB吸收塔的入口烟道上增加了脱硫风机，在一定程度上减少了吸收 塔压力波动对锅炉负压的影响； 电厂对该FGD系统的性能十分满意，并计划在1996年对现有的系统作进一步

26、改进，开发名为高级回流式烟气循环流化床(ARCFB)，希望进一步提高其 脱硫效率和脱除其它污染物的能力。4. 经济比较 为了比较CFB工艺与其它主要烟气脱硫工艺在经济上的优缺点，国外的有关单位作了一些分析研究工作，在相同或可比的条件下，把CFB脱硫工艺喷雾干燥工艺以及石灰石-石膏法的投资与运行费用作了比较，得出了以下的结论。 首先，CFB工艺由于流程比较简单，因此基建投资仅为石灰石-石膏流程的25%左右。 其次，CFB流程的固定运行维护费用也比其它两种工艺低许多，这是因为流程简单，所需的维修人工数量很少。综合来看，CFB工艺的单位容量的投资加运行费用只有石灰石-石膏工艺60%。5. 结论 根据

27、以上介绍的情况，可以认为该工艺有如下的特点：1) 系统简单，因而投资低、运行费用低、可靠性高；2) 脱硫效率高，可与湿法相当；3) 锅炉负荷变化时, CFB烟气脱硫系统有很好的跟随特性，并且能在很低的负 荷工况下工作（10100）；4) 占地小，适合于现有电厂的改造；5) 为得到高的脱硫效率和除尘效率，需要在吸收塔内喷水，本工艺的喷水量与脱硫所需的消石灰喷入量无关，因此适用于含硫量范围很宽的燃料（0.56.5）；6) 无论未处理的烟气中的SO2的含量如何，处理后的烟气总能达到规定的标准；7) 脱硫副产品呈干粉状，便于处置，不会造成二次污染，对综合利用和堆放均非常有利；8) 本工艺除了对SO2有

28、很高的脱除效率外，同时还可除去100的SO3，HF、HCl的脱除效率效率均在90以上；9) 由于CFB烟气脱硫系统的出口烟温可以通过调剂喷水量进行调整，另外烟气中的SO3含量很低，因此不会象湿法烟气脱硫工艺那样造成对烟囱的腐蚀问题，因而可以不采用湿烟囱设计。这对于现有电厂的烟气脱硫改造非常有利；10) 电耗低，约为湿法工艺的50；11) 研究表明，如果在吸收剂中加入少量的铁基催化剂，可得到90的脱氮效率，在统一装置中实现脱硫和脱氮的目标。问题与讨论尽管本工艺有许多吸引人的优点，但是也存在一些缺点和待解决的问题：1) 采用石灰作为吸收剂。由于在大多数发达国家中石灰工业十分发达，高质量的商品化石灰

29、飞散容易得到，因此以石灰作为吸收剂不会有任何供应上的问题。但是我国优质石灰的供应尚有不少问题，如石灰品位低、质量不稳定、供应量不足、供应源分布不均，造成运输距离过长、价格过高等。 由于石灰对于人体健康有一定的危害，因此采用石灰作为吸收剂必须保证系统有良好的密封和安全措施。否则会给电厂的安全文明生产带来困难。 为了解决采用石灰作为吸收剂所带来的问题，目前已经开发了炉内喷钙与CFB烟气脱硫工艺相结合的炉内喷钙CFB烟气脱硫工艺。该工艺利用石灰石作为吸收剂，将石灰石粉喷入锅炉炉膛内，在炉内煅烧后生成CFB工艺所需要的CaO并吸收烟气中一部分SO2。CFB工艺的吸收塔必须设置在空预器和除尘器之间。炉内

30、喷钙CFB烟气脱硫工艺已经安装在奥地利的St. Andru电厂的100MW机组上运行了多年。在Ca/S1.5时系统的脱硫效率为85。2) 脱硫副产品的综合利用。本工艺的副产品中含有较多量的亚硫酸钙。亚硫酸钙的化学性能不稳定，在自然环境下会逐渐氧化为硫酸钙，同时体积会增大。这就对原有的粉煤灰的综合利用途径受到影响。因此对于CFB烟气脱硫工艺的副产品必须结合电厂当地的实际情况进行可行性研究，切实做好脱硫副产品的处置或综合利用工作；3CFB烟气脱硫系统的压降较大。CFB系统的总压降约为20003000Pa，一般现有电厂的引风机的压头裕量不能克服如此大的压降，需要增加心得脱硫风机。高的压降损失还使得运行费用增加；4）CFB吸收塔的压降波动较大。由于吸收塔内的大量物料不断湍动，因此吸收塔的压降有较大波动，可能会影响锅炉炉膛内的负压的稳定。一般可把脱硫增压风机设置在CFB吸收塔的上游，这样可以减小CFB吸收塔压降波动对锅炉炉膛负压的影响。