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1、石油焦循环流化床锅炉的低污染排放工业炉石油化工设备技术,2007,28(3)?58?PetroChemicalEquipmentTechnology石油焦循环流化床锅炉的低污染排放徐晖(中国石化上海石油化工股份有限公司热电总厂,上海200540)摘要:简要说明了我国电业生产对环境产生的影响及国际上常用的火电厂烟气脱硫工艺.详细介绍了上海石化热电总厂扩建工程所采用的循环流化床锅炉(CFB)脱硫的原理,技术特点及循环流化床锅炉的运行概况,运行中存在的主要问题及解决的办法.关键词:环境影响;二氧化硫减排控制;循环流化床锅炉;脱硫中图分类号:TE963文献标识码:B文章编号:10068805(2007
2、)03005804火电厂消耗的燃料石油焦,煤炭,渣油中,硫分在燃烧过程中会与氧发生化学反应生成SO或SO.等氧化物.这些氧化物在一定的条件下会通过反应而生成HSO或HSO.,这些硫的化合物会对锅炉尾部烟道中的受热面产生腐蚀;排到大气中会造成城市大气污染,加速酸雨面积的蔓延.由于以燃煤火电厂排放为主的SO总量不断增加,区域性酸雨污染没有得到控制,局部地区有所恶化.目前,我国SO排放总量超出环境容量的80,酸雨区约占全国面积的三分之一,上海地区已属酸雨控制区.为了进一步有效控制SO排放量,改善地区的生态环境,迎接2010年的世博会,根据国函199815号国务院”关于酸雨控制区和SO污染控制区有关问
3、题的批针,并于2000年3月1日开始对SO排放企业征收0.2元/kg的排污费.1目前循环流化床锅炉SO:的排放现状随着中国石化上海石油化工股份有限公司的不断发展,2005年整个公司废气(标准状态)排放量已高达344467610m.;公司SO的排放量由1995年的19939t上升至2000年最高的31795t,热电总厂所有的运行锅炉SO排放量占排放总量的80,这其中2台循环流化床锅炉排放的SO约占电厂排放总量的15.热电总厂属上海市重点耗能大户,它下属燃油电站和燃煤电站.2005年发电,供热用煤炭消耗1602651t,石油焦消耗364684t,燃油消耗363783t,由此可见热电总厂燃烧产生的废
4、气排放量巨大.近年来两台循复”的精神,上海市对SO排放实行总量控制方环流化床锅炉废气排放情况见表1.表120032005年循环流化床锅炉废气排放测试数据测试SO2折算浓度/SO2排放量/烟尘折算浓度/烟尘排放量/氮氧化物折算浓氮氧化物排放量/锅炉编号年份(mg?m一0)(kg?h一)(mg?m一0,(kg?h一)度/(mg?m一.)(kg?h一)CFB131896931342003CFB2567168237165CFB15681692O5632272004CFB254413626473165CFB1555158832682005CFB2548137未测未测6O15为了控制并消减SO排放量,达到
5、市环保局对公司要求的允许值,公司近年来采取了一系列的脱硫措施.2002年热电总厂新投产的2炉1机扩建工程就采用了循环流化床锅炉(以下简称CFB)炉内脱硫技术,项目总投资费用8.1亿元.收稿日期:20061219.作者简介:徐晖(1970一),男,上海人.1990年毕业于东南大学动力工程系,获学士学位.现在上海石油化工股份有限公司热电总厂生产处工作,从事热电联产和生产运行工作,工程师.发表论文1O篇.第28卷第3期徐晖.石油焦循环流化床锅炉的低污染排放2常见脱硫方法简介目前,世界上锅炉烟气的脱硫工艺技术有近百种,有的较为成熟,有的尚处于试验研究阶段.脱硫装置的分类有许多种,各方法包含的常见脱硫工
6、艺见表2.表2常见锅炉烟气脱硫方法和脱硫工艺脱硫方法常见脱硫工艺回收法电子束法,氨水洗涤法,石灰石一石按脱硫产物膏法的价值分半干法,炉内喷钙法,海水脱硫法,抛弃法烟气循环流化床湿法石灰石一石膏法,氨水洗涤法按吸收剂和脱硫产物的状半干法旋转喷雾法炉内喷钙法,循环流化床,烟气循态分于法环流化床当今国内外火电厂烟气脱硫技术的主要发展趋势为:脱硫效率高,装机容量大,技术先进,投资省,占地少,运行费用低,可靠性好等.热电总厂CFB采用了炉内脱硫技术,下面加以详细的介绍.3FWEOY-310/9.8型CFB脱硫工艺3.1CFB脱硫技术热电总厂扩建工程是为了解决公司20世纪90年代末延迟焦化装置建成投产后每
7、年28okt高硫石油焦的出路问题,同时满足公司四期工程投产后热电负荷的快速增长需求.工程设计为两台CFB,配置一台IOOMW汽轮发电机组,采用热电联产的方案.锅炉系FosterWheeler芬兰公司(以下简称FW)提供技术,上海锅炉厂制造的CFB,型号为FWEOY一310/9.8,为高温高压,单汽包,自然循环锅炉.两台CFB年消耗石油焦量28okt,煤量92kt,石灰石量1o4kt.锅炉燃料为公司自产的高硫石油焦和山西大同混烟煤,设计工况焦煤混烧的重量比为3:1.石油焦是炼油过程中的副产品,它含有很高的硫分(一般为26,约为燃煤含硫量的10倍)和重金属含量,通常只能用作燃料.由于石油焦挥发分含
8、量低,固定碳含量高,所以在普通煤粉炉中很难着火燃烧,而且因含硫量高容易造成设备腐蚀和环境污染,但是它较适宜在CFB中燃烧.CFB本体由炉膛(流态化燃烧室),灰分分离回送系统及尾部竖井烟道三部分组成.炉内沿整个炉膛高度布置着分隔墙水冷受热面,炉膛上部布置着屏式过热器.小颗粒燃料(焦,煤)从锅炉前墙送人炉内,脱硫用的石灰石粉从锅炉后墙送人炉内,固体颗粒(焦,煤,石灰石,炉渣等)在炉膛内以一种特殊的气固流动方式即流态化运动,一部分燃烧所需空气即一次流化风经过风室由炉膛底部穿过布风板进入炉膛,对固体颗粒进行流化,其余燃烧所需的二次风从炉膛四侧墙距布风板不同的高度送人炉内.燃料燃烧生成的高温烟气携带大量
9、灰粒离开炉膛后进人布置在炉膛和尾部竖井烟道之间的汽冷旋风分离器,在分离器中灰粒被分离下来并经返料器重新返回炉膛内循环燃烧,实现高效燃烧,脱硫并保证炉内传热必须的灰浓度.烟气和不被分离器捕集的细颗粒排人尾部烟道,它们依次流经高温过热器,低温过热器,省煤器,空气预热器,最后经烟气净化设备排人大气.图1为FwEOY一310/9.8型CFB脱硫原理示意图.烟气石灰石二次风焦,煤一次风图1FwEOY一31O/9.8型CFB的工作原理器3.2CFB的脱硫原理CFB的脱硫原理是使石油焦和煤中的硫分进人灰渣中,最后排出炉床,这一过程又称为固硫.脱硫剂石灰石粉(CaCO.)破碎后被送人炉膛,石灰石颗粒受热分解,
10、产生CaO.这是一个煅烧反应,化学方程式如下:CaCO3一CaO+CO20.179410kJ/kg(1)当CaO遇到烟气中的SO:时,会发生硫化反应,结合生成CaSO,化学方程式如下:CaO+SO2+O2一CaSO4+0.50210kJ/kg(2)石油化工设备技术其中式(1)是吸热反应,其反应速度较为缓慢;式(2)是放热反应,其反应速度较为迅速;脱硫反应速度取决于CaO的生成速度.CaSO是一种惰性物质,俗称为石膏.反应后的石灰石和新加入的石灰石继续被脆化并爆裂,部分呈炉渣状在炉底被排出,部分呈粉尘状最终通过炉膛被尾部的电除尘器捕集起来.3.3FWEoY一310/9.8型CFB脱硫技术特点为了
11、提高脱硫效率,FWEOY一310/9.8型锅炉较多地采用了Fw公司提供的降低SO.排放量的专利技术和措施,主要体现在以下几点:(1)合适的床温床温与脱硫效果密切相关.脱硫反应速度随床温的升高并在850900时达到最佳值,继而开始下跌.由于煅烧反应的最低床温为750,因而当低于750时脱硫反应不会进行,而当床温高于1000时,硫酸盐也将开始分解.同时,随着床温的上升,NO的排放量上升.床温设计值为885,可以通过合理地调整一次风量和给料量,能够控制床温在885左右,保证脱硫效率达到最高,也有效地控制了NO的生成量.但床温过低,脱硫效率会降低,燃烧效率和锅炉负荷会受到影响.(2)空气分段给人空气分
12、段给入对炉膛内氧浓度分布造成很大影响,同样Ca/S比下,实施空气分段给入燃烧时,一次风率越大,则脱硫效率越高.设计为1/41/3的燃烧空气作为二次风从床上给人,其余所需的燃烧空气作为一次风从床底,床上分别给人,这样设计的方式对于降低SO,尤其是氮氧化物的生成及排放很有必要.(3)新型的布风板喷嘴和合适的床压采用了Fw公司新研制的箭式导向喷嘴,并在运行中将床压严格控制在4.55.0kPa之间,使位于炉底的布风装置具有良好的流化工况,确保床料的置换,提高了脱硫效率,也从根本上避免了其他类型喷嘴口运行中常见的被床料堵塞,影响炉膛内流化的现象.(4)汽冷高温旋风分离器与传统的大尺寸绝热型高温旋风分离器
13、不同,还采用了FosterWheeler公司专利技术的单只切向人口式,带汽冷装置的高温旋风分离器.汽冷高温旋风分离器具有结构紧凑,分离效率高,启停时间短等突出优点,有利于燃烧效率和脱硫剂利用率的提高,从而提高了脱硫效率.4循环流化床锅炉的运行概况4.1CFB的经济效益和环保效益热电联产,集中供热具备节约能源,改善大气环境,提高供热质量,增加电力供应,经济效益高等综合优势,是城市治理大气污染和提高能源综合利用效率的主要措施之一,属国家重点扶持的产业.热电总厂属于公司自备电厂,其生产是为了满足公司和石化地区电热负荷,以自发自用自平衡为主.随着上海石化四期扩建工程的顺利投产,生产装置电,热需求快速增
14、长,2005年上海石化最大用电负荷498MW,最大用汽量860t/h.因此,热电联产,集中供热的汽轮发电机组在经济方面的优势就更加显得突出.100MW双抽汽凝汽式汽轮发电机组具有中,低压二级调整抽汽,供热压力分别为3.8MPa和1.47MPa,设计供汽能力分别为100t/h和150t/h,年发电量约为5.510.kw?h.2台310t/h循环流化床锅炉每年燃烧掉石油焦280kt,可节约标煤320kt,年节约燃料费约900万元.在消化掉石油焦的同时,又满足了企业新增项目的动力需求,还可部分替代燃油锅炉,节约出宝贵的重油资源去深度加工,真是一举三得的事.由于近年来燃料价格变动的因素,燃油电站发电,
15、供热处于亏损状态.以2006年1月燃料价格为例:渣油为2700元/t,折算标煤价为1948元/t;煤为420元/t,折算标煤价为600元/t;石油焦696元/t,折算标煤价为658元/t.渣油标煤价是煤炭的3.25倍,是石油焦的2.96倍.经测算,燃油机组供电成本为0.894元/(kW?h),CFB机组供电成本为0.281元/(kW?h);燃油机组供热成本为83元/GJ,CFB机组供热成本为31元/GJ.可见,燃油机组与CFB机组在发电,供热成本上差距比较大,CFB机组生产能力所占的比重越大,电厂整体生产成本降低的作用就越明显.因此,确保CFB机组的安稳运行,以降低燃油机组的生产规模,是贯彻集
16、团公司低成本战略的具体措施.CFB机组投产至今,运行总体情况较好,取得的经济效益十分显着.截至2006年9月底,累计发电33.110.kw?h,供热2018.910GJ.同时,CFB锅炉同步采用电除尘器后,粉尘排放量也满足了环第28卷第3期徐晖.石油焦循环流化床锅炉的低污染排放保要求.可见,上海石化热电总厂的扩建工程是符合节能法和环保法的综合利用工程.4.2CFB运行中遇到的主要问题两台CFB的安装工作是从2001年1月开始的,2002年5月建成投产.投产至今,CFB运行总体情况较好.采用CFB燃烧技术和电除尘器后,锅炉SO,NO和烟尘排放量均满足了环保要求.实际的性能测试中,在100额定负荷
17、时,测得两台CFB锅炉脱硫效率分别为9O.81,91.54,均达到设计保证值.但由于Fw公司石油焦和煤混合燃烧的CFB的设计对中国属首次,在世界上也属首次,因此在锅炉设计,辅助配套上存在一些不足和问题,运行中遇到的主要问题如下:(1)冷渣器出力不足及运行异常.由于冷渣器未达到设计铭牌的出力,因而影响了石灰石的添加量,使得SO排放偏高,既影响了环保排放,又加重了锅炉尾部换热设备的腐蚀.调试阶段虽经多次改进(包括设备上的和控制逻辑上的改进),冷渣器出力有所提高,但还远未达到设计出力.运行初期,冷渣器的高温烧结和堵塞现象比较严重,甚至造成锅炉被迫停炉.FW公司承认是设计上的问题,结合2003年的机组
18、大修,冷渣器增加了喷水降温系统和烟气再循环系统.经过设备和运行上的改进,冷渣器出力有了一定程度的提高,烧结和堵塞的异常现象已根本消除.(2)飞灰含碳量高.这是国内CFB锅炉运行中的普遍现象,如镇海炼化分公司22ot/h燃石油焦CFB锅炉,四川高坝电厂41ot/h燃煤CFB锅炉运行初期也存在这种现象.FWEOY一310/98型锅炉性能试验测得飞灰含碳量为3O左右,使锅炉效率降低,目前两台锅炉的效率只有9O左右.其次,含碳量高也不利于飞灰的综合利用.就安全而言,含碳量高的飞灰极易自燃,调试期间就发生过飞灰自燃将电除尘灰斗和飞灰库烧坏的异常情况.通过对降低飞灰含碳量进行立项研究,采取了优化燃烧,组织
19、合理的炉内流体动力工况等技术措施,将飞灰含碳量降低到了22左右,但与设计值相比仍较高.(3)锅炉给料系统运行不畅.投产初期,由于煤仓,焦仓结构和材料上的不足,料仓搭桥堵料现象非常严重,直接影响了锅炉的正常运行.经在料仓内衬高分子聚乙烯板,搭桥堵料的现象已消除.由于CFB锅炉采用在给料机上进行煤焦混合的给料方式,给料系统相对复杂,加上给料机的长度达17m,给料机瞬间停车,过载跳闸,皮带跑偏,皮带打滑等现象频繁发生,发生后对正常运行工况都有影响.运行初期曾经多次发生由于给料系统的异常,最终造成锅炉炉膛熄火的生产事故.经过整改,给料机瞬间停车和过载跳闸的现象已基本消除,但皮带跑偏和打滑现象还时有发生
20、,通过维护和运行调整,发生异常现象的次数大幅度下降.(4)水冷壁的局部磨损.在锅炉防爆防磨检查中发现,水冷壁有局部磨损现象,主要发生在流向突变区域.FW公司在CFB锅炉防磨设计上有较先进的技术,但这些局部磨损不可避免,磨损量也在控制范围内,到目前为止尚未发生锅炉”三管”爆破现象.为了减少局部磨损,防止锅炉爆管,在大修期间这些区域进行了金属喷涂防磨处理,目前还未核查喷涂效果.(5)燃料,石灰石的颗粒度偏差及石灰石粉出力不足.CFB锅炉对燃料和石灰石颗粒度有严格的标准.由于CFB机组燃料破碎输送系统中的一,二级破碎机之间没有筛子,因此燃料中细颗粒很多,按FW要求的标准,小于0.25mm的颗粒不大于
21、8,而实际达到3O左右.锅炉飞灰含碳量高和燃料中的细颗粒太多有很大的关系.由于一,二级破碎机之间已没有地方可增加筛子,因此这个问题暂不能得到解决.石灰石的颗粒度也和要求有所偏差,总体上偏粗,这样降低了石灰石的利用率,同时也增加了锅炉的排渣压力.这个问题和破碎机本身以及整套石灰石输送系统有关,目前也未能得到解决.5结语国家根据酸雨控制的特点,制定了全国性的酸雨控制中长期规划,将火电行业的二氧化硫及氮氧化物排放总量控制指标计划单列,全国将执行统一的火电行业SO及氮氧化物排放总量控制指标分配方法.据此规定:新建燃煤电厂必须同时建设脱硫装置,已有的燃煤电厂需逐步进行烟气脱硫改造,这是社会可持续发展的需要.世界上烟气脱硫技术有多种,各火力发电厂应因地制宜,选择适合本厂实情的技术成熟的脱硫技术,在促进企业发展壮大的同时,为改善大气环境,保障人体健康作出贡献.
