炉内喷钙脱硫对锅炉性能影响的试验研究
摘要：研究了一台150 MW 供热锅炉炉内喷钙脱硫对运行性能的影响。追踪了喷钙脱硫投运前后三年来排烟温度的变化，定量分析喷钙脱硫引起受热面异常沾污对锅炉性能的影响；并通过专项试验，研究炉内喷钙脱硫对燃烧、炉膛和空气预热器传热的影响，结果表明，炉内喷钙脱硫使锅炉效率降低约1.72%，炉膛吸热量略有增加。
关键词：锅炉,炉内喷钙烟气脱硫,锅炉性能,锅炉性能试验
0 引言
某电厂150 MW 供热机组于2005 年7 月结束 96 h 试运行，移交试生产。2005 年9 月完成性能考核试验。2007 年8 月， 炉内喷钙尾部增湿（Limestone Injection into the Furnace and Activation of Calcium 简称LIFAC）烟气脱硫系统正式投入运行。2008 年 3 月，屏式过热器管间结渣连片，导致锅炉通风异常而紧急停炉；两台喷钙脱硫锅炉运行两年后性能严重下降，电厂多次组织技术人员分析锅炉性能下降原因，并通过专项试验，研究了炉内喷钙脱硫对锅炉性能的影响。
1 设备概况
1.1 锅炉
该电厂3、4 号机组是150 MW 燃煤供热机组，锅炉是上海锅炉厂生产的SG-480/13.7-M776 型超高压自然循环汽包炉。炉膛为正方形，深度和宽度均为9.60 m，高45.95 m。采用宽调节比摆动式燃烧器，四角布置，切圆燃烧。制粉系统为钢球磨、中间储仓、乏气送粉系统；采用静电除尘器。锅炉设计燃用挥发分Vdaf =36%、发热量Qnet,ar= 21 270 kJ/kg、含硫量Sar=0.44%的烟煤，设计煤的灰熔点DT=1 220 ℃，ST>1 280 ℃，FT>1 338 ℃。
1.2 烟气脱硫系统
每台锅炉配一套炉内喷钙尾部增湿烟气脱硫系统，见图1，设计参数见表1，工作原理简述如下： 在炉膛29.7 m 和32.2 m 层高处各设一排喷嘴，石灰石喷入炉膛后，锻烧分解成CaO 和CO2，部分SO2 与CaO 反应生成CaSO4， 这一阶段脱硫效率25%～30%； 在增湿活化器内, 脱硫剂表面形成水膜, SO2 向其中溶解，被CaSO4 包裹的CaO 遇水生成Ca（OH）2，并与溶于水的SO2 反应；为了提高钙的利用率， 将电除尘器第一电场收集来的粉尘送回增湿活化器循环利用； 活化器出口烟气在加热器内与来自空气预热器的热空气直接混合，保证电除尘器安全运行。
2 受热面沾污对排烟温度的影响
炉膛喷钙增加了灰量，改变了灰的化学成分和粒度分布，进而影响灰在锅炉不同部件上的堆积特性，受热面堆积灰的分布和数量以及化学物理特性对排烟温度有重要的影响。
钙基吸附剂在炉膛上方喷入后，钙基吸附剂在热解时发生爆裂，产生大量的细微颗粒，细微颗粒容易粘附在受热面上，使受热面的沾污加重；另外，喷入钙基吸附剂后，灰中自由CaO 颗粒较多，由于 CaO 的熔点较低，受热面上粘污核心增多，受热面沾污和结渣倾向加重［1］。
炉膛喷钙脱硫对受热面沾污或结渣的影响还因煤种而稍异；低硫煤喷射石灰石后，灰的软化温度下降较多，而高硫煤则下降较少；机理研究表明［2］，沾污特性与煤的活性有机钠化合物含量有关，这些钠化合物熔点低， 在炉膛高温环境下首先被蒸发，而后凝结固化在温度相对低的受热面上，与灰颗粒一起在受热面上形成非常紧密的积灰， 在此过程中，钠化合物起到类似“胶水”的作用，使积灰坚硬紧密，难以清除；研究表明，对于一部分沾污性很强的高钠煤，炉膛喷钙会使积灰对管壁的粘结强度降低，沾污变得容易清除，这是有利的方面；而对于大多煤种，炉膛喷钙会降低灰的变形温度和流动温度的差值，如果该温差很小，积灰也难以清除；表2 给出了该电厂部分入厂煤灰熔点检验结果， 可以看出，燃用的神华煤灰熔点FT 都低于1250 ℃，属严重结焦煤，该类煤不仅灰熔点低，而且灰的初始变形温度DT 与流动温度FT 差值小； 炉膛喷钙会进一步增加屏式过热器结渣机会，而且可能形成难以清除的沾污；2008 年初，3 号锅炉因屏式过热器管间结渣连片、锅炉通风困难而紧急停炉。
排烟温度是受热面整体沾污状态的直接反映，但锅炉运行中，环境温度变化大，对排烟温度有较大影响；将排烟温度修正到标准环境状态后，环境温度的影响被剥离出去，修正后的排烟温度可以准确指示受热面整体沾污状态。该电厂3 号锅炉自 2005 年7 月17 日投产以来，共进行4 次正式锅炉效率试验，试验时间分别是2005 年9 月、2006 年7 月、2008 年7 月、2009 年1 月，4 次试验中修正排烟温度随时间变化见图2。
该电厂燃用煤矿点繁多，2008 年低灰熔点的煤比例逐渐增多，同年12 月，低灰熔点神华混煤和神华石炭煤占到入厂煤的89%。从图2 看出，脱硫系统投用、低灰熔点煤增多后，排烟温度大幅度增加；2006 年7 月到2009 年1 月，135 MW 负荷下的修正排烟温度由136.2 ℃上升到157.24 ℃，升幅达 21 ℃，表明受热面的沾污状态明显恶化。
3 脱硫系统投、停试验对比［3］
脱硫系统正式投用一年后，在该电厂3 号锅炉上进行脱硫设备投、停对比试验，试验前，利用蒸汽吹灰器清除受热面上的松散性积灰，在相同的受热面清洁度下开始试验，试验按国家标准GB 10184- 88 的规定进行， 主要考察炉内喷钙脱硫对排烟温度、炉内燃烧和传热的影响。
两次试验锅炉负荷和燃用煤种相同，试验结果见表3，从中可看出，两次试验未燃尽碳损失基本相同，炉内喷钙脱硫对燃烧影响很小。脱硫系统投用后，减温水流量明显减少，说明炉膛换热量增加，这是烟气的灰负荷增加引起。钙基吸附剂在炉膛上方喷入， 对炉膛下方受热面的结渣和沾污影响较小，但由于炉膛空间灰负荷增加，灰扩散和吸收率发生改变，导致炉膛辐射传热特性变化，从而引起炉膛换热量发生改变。
脱硫系统投用后，锅炉排烟温度发生明显改变，见表3。在机组负荷和炉膛过剩空气相同的情况下，脱硫系统投用后，修正排烟温度升高8.11 ℃。尽管两次试验烟气灰负荷不同，受热面积灰速度有差异，但由于试验时间较短，试验前进行充分吹灰，试验过程受热面清洁状态差别不大， 烟温度升高的主要原因是，喷钙脱硫系统的输送空气是室温下的冷空气，未经空气预热器直接进入炉膛，若维相同的过剩空气，流经预热器的空气减少，引起排烟温度升高。
4 炉内喷钙烟气脱硫对锅炉性能影响定量分析
炉内喷钙脱硫对锅炉性能的影响主要表现为以下几个方面，石灰石煅烧吸热与固硫反应放热两者之间的净热量得失；石灰石粉输送喷射造成过剩空气量； 因喷钙引起的受热面异常沾污或结渣；喷钙引起的灰渣物理显热损失。
石灰石煅烧和固硫反应的方程为
CaCO3→CaO+CO2 CaO+SO2+12 O2→CaSO4+CO2
1 摩尔CaCO3 分解需要的热量177.9 kJ，1 摩尔SO2 与CaO 完全反应放出热量500.6 kJ［4］；燃用煤的含硫量为1.24%、发热量为20 280 kJ/kg，钙/硫摩尔比为2.5，假设炉膛内CaCO3 的分解率为85%，炉内脱硫反应率为25%；1 kg 煤产生的SO2 在炉内与CaO 反应放出热量约为500.6×（1 000×0.0 124/ 32）×0.25=48.5 kJ， 炉内CaCO3 分解需要的热量 177.9×（1 000×0.0 124/32×2.5）×0.85=146.5 kJ， 石灰石煅烧吸热与固硫反应净热量差使锅炉效率下降的百分数约为（146.5-48.5）/20 280×100=0.48%。
根据对比试验，脱硫系统投用后排烟温度升高 8.11 ℃，这是由石灰石粉输送喷射造成过剩空气量引起，会引起锅炉效率降低约0.49%。
在脱硫系统投用、低灰熔点煤增多后的短时间内，修正排烟温度升高21 ℃，见图2，据经验估计，因炉膛喷钙脱硫引起的排烟温度异常升高不会小于10 ℃，按此计算，锅炉效率降低约0.61 %。
锅炉燃用含硫量为1.24%的煤， 钙/硫摩尔比为2.5，每小时消耗约16.06 t 的石灰粉，与停用脱硫系统相比，飞灰量会增加50%，喷钙引起的物理显热会使锅炉效率下降约0.14%。
5 结语
炉内喷钙烟气脱硫投用后，该电厂的150 MW 锅炉排烟温度异常升高，灰负荷增加引起炉膛吸热量增多，减温水量减少，炉内喷钙引起锅炉效率降低约1.72%，但对炉膛燃烧影响很小。
采用炉内喷钙脱硫的锅炉， 应加强煤质控制，避免燃用低灰熔点、强沾污性煤；可通过提高吹灰频率、优化氧量控制、根据燃煤硫分含量合理控制入炉石灰石量等措施，提高锅炉运行经济性。
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