循环流化床锅炉是目前我国最广的洁净煤燃烧技术之一，但是在实际生产中仍存在不少问题，困扰着循环流化床机组长周期安全经济运行。
本文作者根据在山西朔州2×50MW煤矸石电厂以及吕梁中钰热电2×135MW和国投大同电厂2×135MW上取得的实际经验，从循环流化床锅炉的燃烧调整与运行调整方面进行了较为深入的比较和研究，在循环流化床锅炉脱硫、优化燃烧调整等方面提出了许多实用性的方法和措施。
一、选题背景
根据国家环保部发布的2011年全国大气环境状况公告，环保重点城市环境空气中二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物年均浓度分别为0.041毫克/立方米、0.035毫克/立方米和0.085毫克/立方米。与上年相比，二氧化硫和可吸入颗粒物年均浓度分别下降2.4%和3.4%，二氧化氮年均浓度持平，环保压力依旧巨大。
表1污染物含量
二、锅炉简介
国投大同能源有限责任公司电厂2×480t/h锅炉是采用哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的HG-480/13.7L.MG31型循环流化床锅炉，采用单汽包、自然循环、高温超高压一次中间再热、高温绝热旋风分离器、单炉膛平衡通风、前墙给料、固态冷却排渣。配两台国产135MW高温超高压直接空冷凝式汽轮发电机组。
三、投产后运行情况
国投大同能源有限责任公司现有2台480 t/h CFB锅炉并设有炉内喷钙脱硫系统。由于电厂长期燃用高硫份矸石燃料，加之现有炉内喷钙脱硫系统存在设计缺陷、石灰石粉的粒径不能满足炉内脱硫要求等因素，使得锅炉SO2排放浓度无法满足最新制定的环保排放标准要求。
四、炉内脱硫
4.1运行基本情况说明
国投大同电厂现有炉内脱硫系统，两台炉共用一座石灰石粉仓(粉仓有效容积300m3)，粉仓布置在#2锅炉房扩建端室外零米，粉仓气化风机及其所配空气加热器、附属设备等布置在粉仓操作平台上，气力输送设备布置在石灰石粉仓底部。炉内脱硫系统每台锅炉设置一套输送系统，二台炉共二套，采用连续运行方式，炉内脱硫输送系统单台旋转给料机出力5t/h(即输送系统最大出力)，每台锅炉设有4个石灰石口，其中两个布置在水冷壁前墙的#1、#6给煤机给煤口处，石灰石粉通过落煤管加入炉内;另两个布置在二次风口处，随二次风吹入炉内。
CFB锅炉一般采用向炉内直接添加石灰石粉来控制SO2排放。投入炉内的石灰石在高温条件下煅烧发生分解反应生成氧化钙，然后在炉内850℃左右的条件下，氧化钙、SO2和氧气经过化学反应生成硫酸钙，最后随着低渣排出炉外。
国投大同电厂SO2排放量的控制一般是通过控制石灰石的给料速率，即增减钙硫摩尔比。但影响循环流化床锅炉脱硫效率还有床温，石灰石粒度等许多因素。
(1)改变粒度合格的石灰石量，可控制SO2的排放量，在一定范围内，随石灰石给料量的增加，SO2的排放量明显降低。
(2)一般认为床温在820℃～870℃，脱硫剂的脱硫效果最佳，这一温度也正是锅炉正常运行的床温范围。所以锅炉运行时对床温控制也是对SO2排放量控制的一种方式。
(3)石灰石在炉内的停留时间决定了石灰石的利用率，在锅炉运行条件不变的前提下，石灰石在炉内的停留时间取决于石灰石的粒径大小，所以选择合适的石灰石粒径是至关重要的。粒径在100～500μm范围内的石灰石在炉内停留时间最长，大于或小于这个粒径范围都将缩短其在炉内的停留时间。另外，合适粒度的石灰石分解形成的CaO和硫酸盐形成的CaSO4都是极好的床料。
国投大同电厂石灰石粉输送系统自投产以后来，经过前期的摸索与治理，总结出了有效的系统常见问题及处理方法，确保系统运行正常，系统最大出力6.5t/h(设计为5t/h)。为了增强入炉石灰石粉在炉内与烟气充分混合，于2012年分别在#1、#6落煤管各增加一个入炉口，改造后运行调整速度较以前有了明显的缩短，脱硫效率有所提高。
4.2脱硫异常情况分析：
当机组负荷大于110MW时，烟气排放SO2浓度存在长时间超标现象，分析主要原因如下：
(1)由于锅炉用煤煤种含硫量远远超过设计煤种0.35%，基本达到硫St.ad(0.45～0.8%).
(2)石灰石粉的纯度CaO含量(45%左右)远低于设计值(≥54%)要求(以上数据来源于与石灰石粉输送系统生产制造商的技术协议)。
(3)石灰石粉末太细，在颗粒还没有与二氧化硫反应时就已经被烟气携带出炉膛，降低石灰石利用率。石灰石粒径见下表：
4.3 石灰石粉用量计算
目前电厂要求用煤含硫量在0.8%以下，根据实际情况对入炉的检测，有部分时段入炉煤含硫量达到甚至超过1%，因此本设计按入炉煤含硫量为1%计算，根据2#炉性能试验时，机组满负荷时用煤量为104.2t/h：另带暖汽用煤量5t/h,共109.4t/h。
炉内发生的化学反应：
CaCO3===CaO+CO2↑ -Q
CaO+SO2===CaSO3 +Q
2CaSO3+O2===2CaSO4 +Q
单位时间内煤含硫量为109.4×1%=1.094t
当脱硫效率达到90%时，炉内脱硫反应钙硫摩尔比按2:1计算，脱去此部分硫用CaO量：
(1.094/32) ×2×56=3.829t
CaO含量纯度按45%计算，石灰石粉量为：
3.829/0.45=8.510t
系统采用连续运行方式，每套系统正常出力不小于一台锅炉机组满负荷时(440t/h蒸汽)用石灰石粉量的120%。
8.510×1.2=10.21t/h
两台炉脱硫系统运行差异问题：两台炉同时运行时，不论从石灰石粉用量还是烟气排放SO2含量上，1#炉均比2#炉差许多。鉴于此我们采取了以下步骤：
第一、从运行角度做试验性的调整。比如从床温控制、风量及风量配比等，做一些试验找到了最佳运行方式，毕竟每台炉在细节方面存在不同的。
第二、定期校对SO2在线测量设备，确保在线测量数据的正确性。从两台炉同时运行结果来分析，区别很大，除在运行方式上改进外，必要时需要对测量设备进行校对，确保检测的准备性。
五、石灰石粒径对脱硫效率的影响：
5.1石灰石粒径石灰石粉特性
石灰石粉特性参数如表5所示。石灰石的入炉粒度要求：最大粒径≤1mm，平均粒径0.15mm。
石灰石粒径对炉内脱硫效率有显著影响，因为石灰石的粒度分布与颗粒有效反应面积及其在炉膛中的停留时间有关。对于颗粒大的石灰石，在二氧化硫扩散到颗粒内部之前，它与颗粒表面生成的硫酸钙已经堵塞了扩散通道，使颗粒内部的氧化钙无法与二氧化硫反应，造成大量的氧化钙浪费。但如果石灰石的颗粒粒径太小，在颗粒还没有与二氧化硫反应时就已经被烟气携带出炉膛，降低石灰石利用率。
根据同类型机组炉内脱硫系统的运行效果和开展的试验研究，以及1MWth CFB燃烧试验台试验研究，CFB锅炉炉内脱硫推荐的石灰石粒度分布见图14，中位径d50为450 μm，高于原设计值。所采集的国投大同电厂的典型石灰石样的粒度分析结果见附录2，其中平均径为16.91 μm，中位径d50为6.876 μm。显然石灰石粒度过细，不能满足CFB锅炉炉内脱硫需要，石灰石利用率低。
5.2石灰石粉输送系统具有如下特点：
①气力输送的悬浮速度梯度较大，给输料管风速的选择带来困难，甚至造成管道的堵塞。
②石灰石粉颗粒容易沉积，易吸潮板结，易造成下料堵塞或堵管。
③对管道的磨损较大。
5.3炉内脱硫用石灰石推荐粒度要求
2014年7月以来由于二氧化硫排放标准由之前的400mg/m3降低至200mg/m3，因此运行中石灰石粉用量接近翻倍，由此造成石灰石管道频繁堵塞，需要不断的用压缩空气吹扫和人工敲打管道，根据现场实际情况我们分析得出是由石灰石粉粒度太细导致，经过经营计划部协调石灰石粉末有所改变，如7月28日化验结果所示，大于100目的占到了42%，石灰石系统运行正常，偶尔发生石灰石管道硼住，只需要输送气源稍微吹扫即可吹通，二氧化硫指标可控，石灰石给料机转速在40～90%之间，负荷在90～100MW时段尚有余量。
8月2日发生严重堵管，白班堵了四次被迫降负荷运行，损失电量约6000kwh,随即取样化验结果显示，大于100目的只占到5%，小于200目的占到了40%，严重偏离了我们要求的平均粒度100目，不大于80目的范围，由于石灰石粒度太细造成8月2日石灰石管道频繁堵管的主要原因。
我们经过分析并经过有关专家确定我们的炉型最适合的粒度为0.25～0.5mm即60～35目，因此如果想要石灰石系统正常运行且满足脱硫要求，必须要求供货商按照理想状态提供石灰石粒度。
六、石灰石粒径对脱硫效率的影响：
石灰石的粒径分布对炉内脱硫效率有着重要影响。如果粒径过小，投入锅炉的石灰石粉未经分离器捕集、一次通过锅炉直接进入尾部烟道形成飞灰的份额较多，而这部分细石灰石粉由于与烟气接触的时间过短，利用率偏低;如果投入锅炉的粒度过大，大部分石灰石不能参与循环，与高SO2浓度烟气接触时间与接触比表面积均较小，而且由于CaO与SO2和O2反应生成的CaSO4体积大于CaCO3，会堵塞烟气中SO2进入石灰石内部的通道，导致大部分石灰石未充分参与脱硫便从排渣口排出，使石灰石的利用率降低。
因此，石灰石的最佳粒度分布为：大部分石灰石颗粒能够参与炉内循环，并经多次循环利用后随烟气或底渣排出炉膛。根据同类型机组炉内脱硫系统的运行效果和开展的试验研究，以及1MWth CFB燃烧试验台试验研究，CFB锅炉炉内脱硫推荐的石灰石中位径d50为450 μm。
在越来越严格的环保标准要求下，为了使SO2的排放满足环保要求，电厂必须增加石灰石的投入量，并且确保石灰石的品质满足炉内脱硫的要求。但目前外购的石灰石粉的品质较难控制，特别是粒径方面无法满足循环流化床锅炉炉内脱硫的需要，石灰石利用率低;
结论：石灰石粒度太大因脱硫剂反应表面积小而使钙的利用率降低，但也不能太细，因为现在常用的分离器只能分离出大于75um的颗粒，小于75um的颗粒不能返回炉膛而降低了钙的使用率，研究表明最佳粒度为0.14～0.58mm，石灰石的入炉粒度要求：最大粒径≤1.5mm，平均粒径0.45mm，d>1小于2%。
结束语：
针对循环流化床锅炉炉内燃烧这一个非常复杂的过程，通过对燃烧的理论研究和大量运行经验总结，针对每一问题、每一环节，电厂上下齐努力，主要从设备改造和运行调整两方面积极探索解决方法，使我们较准确地把握了炉内燃烧工况，较精确地对燃烧进行了调整，既提高了运行水平，又保证了循环流化床锅炉的安全、稳定、经济运行。
参考文献：程昌业《流化床燃烧技术探讨》中国电力出版社1999
党黎军《流化床锅炉启动调试和安全运行》中国电力出版社
(供稿单位：国投大同能源有限责任公司，本文经原作者授权发布，转载请注明出处!)
