北斗智库环保管家网讯：循环流化床锅炉采用新型高效清洁的燃烧方式，具有燃料适应广泛、调峰性能好、NOx排放浓度低、脱硫效率高以及灰渣综合利用高等优点。目前我国100MW以上循环流化床锅炉已经超300台，采用的脱硫技术多数为炉内喷入石灰石经行烟气脱硫技术。这种干式脱硫工艺在实际应用中存在脱硫效率低、石灰石利用率低、灰渣难以综合利用等问题，在环保标准日益提高的情况下，已严重影响CFB锅炉的扩大发展。

 

　　本文在440t/h循环流化床锅炉上采用CFD数值模拟方法，分析炉内脱硫效率偏低的原因，并通过数值模拟分析了采用ROFA技术来提高炉内脱硫效率应用效果。

 

　　1、设备概况

 

　　某电厂440t/hCFB锅炉为超高压参数、中间再热锅炉。燃煤经三级给煤系统由炉后送入炉膛内燃烧，再由两个高温绝热旋风分离器进行物料分离，并建立外循环。尾部烟道分别布置低温过热器、低温再热器、省煤器及空预器。锅炉主要参数见表1，锅炉脱硫效果见表2。

 

　　该电厂锅炉采用炉内添加石灰石粉的脱硫方式，石灰石粉由旋转给料机以气力输送的方式送入炉膛进行脱硫反应。石灰石粉投入位置分别从锅炉前、后墙各两个二次风的喷口位置送入炉膛。锅炉额定负荷下设计钙硫摩尔比为2.5，但从实际运行效果来看，由于炉内脱硫反应效率较低，仅有66.92%，造成石灰石耗量增加，钙硫摩尔比达到8.35，使灰渣中的游离氧化钙含量升高，影响了炉渣的综合利用，同时SO2排放浓度难以达到国家环保标准要求。

 

　　2、CFD数值模拟研究

 

　　在锅炉额定负荷工况下，入炉煤量29.4kg/s，收到基硫含量为0.24%，一次风量81.5kg/s，二次风量为63.4kg/s，边界条件参数见表3所示。根据相关边界条件建立了CFD数值模拟模型，并进行综合分析，从而得出较为准确的模拟数据。

 

　　2.2模拟结果分析

 

　　采用CFD软件对锅炉额定负荷基本工况进行了模拟，主要分析了炉内温度场、氧量、CO浓度CO2浓度、SO2浓度分布变化情况，从锅炉中心剖面进行了模拟分析，见图1所示，图1中由左至右依次为：气体温度、O2、CO、CO2、SO2分布。

 

　　根据图1可以看出：

 

　　1）锅炉在额定负荷下，炉内温度分布模拟结果显示，炉内温度分布均匀性差，密相区温度偏高，稀相区温度偏低。由于低温区域的温度偏低，降低了脱硫反应速率，SO2的不宜被床料中石灰石捕获，从而造成喷入炉内的石灰石粉难以达到有效脱硫效果；在高温区域的温度偏高，有利于提高脱硫反应速率，但从CFD模拟效果发现该高温区域的脱硫效率反而降低，分析其原因主要是由于该区域的温度过高，使石灰石颗粒的表面孔隙烧损而过早的堵塞，从而造成颗粒内孔的石灰石未得到充分利用；另外，当反应区域温度过高时，颗粒表面会产生局部低氧和还原气氛，造成已经生成的CaSO4，再次分解为CaO和SO2气体，同样使石灰石的利用率降低，脱硫效率下降。

 

　　2）从炉内氧浓度分布模拟结果显示，该锅炉原有二次风穿透能力不足，造成炉膛中心部位缺氧，燃料燃烧不充分，使煤种S析出速率降低，不利于石灰石的脱硫反应，脱硫效果降低。

 

　　3）SO2浓度分布图可以看出，由于炉膛中心二次风穿透能力减弱，炉内还原气氛强，造成炉膛中心SO2浓度偏高，影响了石灰石反应效果，降低了脱硫效率。

 

　　2.3、ROFA技术模拟结果分析

 

　　炉内脱硫效果主要有床温、钙硫摩尔比、石灰石粒度、石灰石品质、氧量等参数影响。根据数值模拟结果，电厂脱硫效率主要受二次风穿透能力制约。为此，提出在二次风喷口截面安装旋转射流ROFA系统，来提高二次风刚性，同时对炉膛燃烧扰动性增强。

 

　　旋转射流ROFA系统，是利用高压头风机储能后通过安装在锅炉上的非对称布置的空气喷嘴将高速射流喷入炉膛内，在炉膛上部形成旋转涡流，使气流高速流动产生强烈的湍流扰动和大量旋转，以其对空间内的物料场、温度场、化学反应场进行更充分的混合，强化了炉内物料的燃烧与脱硫反应。CFB锅炉增加旋转射流ＲOFA系统后，脱硫反应效果CFD模拟分析见图2所示，图中由左至右依次为：气体温度、O2、CO、CO2、SO2分布。ＲOFA系统投入后，石灰石利用效果见图3所示。

 

　　根据图2可知：

 

　　1）从炉膛温度场分布模拟结果可以看出，炉膛上、中、下部温度分布更加均匀，物料混合效果得到改善。ROFA系统投入，使炉内温度场分布均匀，消除了低温区域脱硫效率低、脱硫反应速率慢的问题，同时消除高温区域石灰石板结及脱硫产物CaSO4重新分解的问题，从而提高了石灰石利用效率，提高了脱硫效率。

 

　　2）氧浓度分布图显示ROFA使氧气更好地穿透到炉床的下部。氧穿透效果增强使炉膛中心区域内，原无氧三角区得到消除。同时，边界层温度与中心区域温度偏差在ROFA风的强烈扰动混合下得到减小，使炉内的脱硫、燃烧反应环境得到有效改善，使锅炉的脱硫效率和燃烧效率提高。

 

　　3）SO2分布模拟结果对比表明，旋转射流系统投入后，SO2分布均匀，由于温度场均匀、氧量穿透效果增强，有利于煤种S的析出生成SO2，使脱硫反应提前，延长了脱硫反应时间，石灰石利用率升高。同时，氧量穿透增强，消除了消除生成的脱硫产物在还原性气氛下分解，提高石灰石利用率。

 

 

　　CFD模拟颗粒在离开炉膛上部分的停留时间分布如图3所示。根据CFD模拟图3可知：对于基线工况，峰值发生在停留时间小于6s，而对于ROFA工况，峰值发生在停留时间超过6s。可见，ROFA工况有更多的粒子具有超过14s以上的停留时间，在炉膛上部停留之间增加，颗粒可获得更好的燃烧效果，石灰石利用率更高，提高脱硫效果。

 

　　3、结论

 

　　CFB锅炉炉内脱硫反应主要受床温、石灰石活性、钙硫摩尔比、氧量等因素影响，通过CFD数值模拟，在炉膛二次风喷口位置增设ROFA喷射风后，炉内温度场更加均匀，消除了炉膛中心的贫氧区，同时提高了石灰石有效利用率，使脱硫效率得到大幅提高。

 

　　文献信息

 

　　李彦龙，冷杰，张宝源。ROFA技术提高CFB锅炉脱硫效率数值模拟研究[J].锅炉制造，2016,05:41-43.

 

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