循环流化床锅炉添加石灰石脱硫对锅炉效率的影响(1)

0.前言

循环流化床锅炉发展的核心问题是环保问题和效率问题，即在保证效率的同时，降低污染物排放。目前，对循环流化床锅炉环保问题的研究已进行得非常深入，不仅对低NO_X排放、炉内石灰石脱硫等重大问题有了深入的了解，而且对N₂O、CO、C_XH_Y等原来不太被人们重视的问题也给予了充分关注，同时，对如何保证和提高循环流化床锅炉效率也有了一定的认识。但是，添加石灰石脱硫对循环流化床锅炉效率的影响目前仅有一些定性的认识，尚未进行过定量分析。本文将对这一问题进行专门研究。

1.添加石灰石脱硫的石灰石投入量计算

首先，我们列出石灰石脱硫的化学反应方程式：

CaCO₃——→CaO CO₂

CaO SO₂ 1/2O₂——→CaSO₄

理论上讲，加入1mol(100g)CaCO₃后，将减少1mol(64g，或0.0224Nm³)SO₂，多消耗0.5mol(16g，或0.0112Nm³)O₂，多生成1mol(44g，或0.0224Nm³)CO₂。

但是，从炉内的实际工况考虑，以上两个化学反应都是不能全部正向完成的。为将其量化，存在Ca/S（摩尔）比和脱硫效率两个衡量参数，即在一定Ca/S比下脱硫效率为h_m。

在考虑脱硫的情况下，加入炉内的CaCO₃重量为：

B_CaCO3=(100/32)×(Ca/S)×(Sar/100)×Bjkg/h

其中：Sar为收到基硫份；

Bj为给煤量，kg/h。

注意：这里指的是CaCO₃重量，而非石灰石重量。石灰石重量应为：

B_S=B_CaCO3／h_CaCO3=(100/32)×(Ca/S)×(Sar/100)×Bj／h_CaCO3kg/h

其中：h_CaCO3为石灰石中CaCO₃含量。

说明：以上进行的石灰石投入量计算中未考虑煤灰中金属氧化物的自脱硫能力，也未考虑石灰石中MgO、Fe₂O₃等金属氧化物参与脱硫的影响，原因是总体上它们对炉内脱硫反应的影响不大，所以将它们作为计算裕量。但是，在使用MgCO₃含量较高的白云石作脱硫剂时，需考虑它对脱硫的影响。

2.添加石灰石脱硫对入炉热量的影响

添加石灰石脱硫的热化学反应包括CaCO₃煅烧的吸热反应和硫酸盐化反应的放热反应两部分，其热化学反应方程式如下：

CaCO₃——→CaO CO₂－1830KJ/kgCaCO₃

CaO SO₂ 1/2O₂——→CaSO₄＋15141KJ/kgS

显然，CaCO₃煅烧热损失q_CaCO3=B_CaCO3×1.83×10⁵／BjQar,net,p

　　　硫酸盐化放热q_CaSO4=－Sar×h_m×1.5×10⁶／Qar,net,p

其中：Qar,net,p为燃料低位发热量，KJ/kg。

需要注意的是，以上的计算是以CaCO₃给料量，而不是石灰石给料量为基准的。另外，在石灰石中含有少量MgCO₃，一般情况下，含量很少（小于5），可忽略不计。但是，在使用MgCO₃含量较高的白云石作脱硫剂时，需考虑这部分的热量变化。MgCO₃煅烧反应的热化学反应方程式：

MgCO₃——→MgO CO₂－1180KJ/kgMgCO₃

因此，MgCO₃煅烧热损失q_MgCO3=B_MgCO3×1.18×10⁵／BjQar,net,p

其中：B_MgCO3为MgCO₃给料量，kg/h。

3.对灰渣物理热损失的影响

加入石灰石后灰渣物理热损失（q₆）的变化包括飞灰和大渣两部分。严格地说，飞灰部分因加入石灰石引起的热损失应计算在排烟热损失中（即排烟焓发生变化）。为了计算方便，我们将其统一归于灰渣物理热损失中，并将加入石灰石后增加的灰渣物理热损失称为附加灰渣物理热损失（q₆¢）。

q₆¢=100×[a_s(ct)₁ (1-a_s)(ct)₂]B_S¢／BjQar,net,p

其中：a_s为石灰石飞逸份额；

　　　(ct)₁为排烟温度下的飞灰焓，KJ/kg；

　　　(ct)₂为排渣温度下的灰渣焓，KJ/kg；

　　　B_S¢为石灰石脱硫反应后的重量，kg。

床内脱硫反应后，石灰石组份变化引起了重量变化。向炉内加入的石灰石主要成分是CaCO₃(100g/mol)，经分解反应和硫酸盐化反应后主要成分变为CaO(56g/mol)和CaSO₄(136g/mol)。另外，石灰石中CaCO₃以外的物质在炉内也可能存在复杂的化学反应过程，但因各种成分反应后重量有增有减，总体变化不大，含量又相对很少，所以在重量计算中可以认为它们是惰性的。反应后石灰石的重量B_S¢为：

B_S¢=(1-h_CaCO3)B_S h_CaCO3B_S{(56/100)[(Ca/S)-h_m] (136/100)h_m}/(Ca/S)

4.对排烟热损失的影响

添加石灰石脱硫对排烟热损失的影响可分为两个方面，一是脱硫反应使烟气量增加，造成排烟热损失的增加；二是脱硫后烟气露点温度下降，可使设计排烟温度降低，从而减小排烟热损失。

4.1烟气量增加造成排烟热损失增加的计算

计算脱硫反应使烟气量增加造成排烟热损失的增加，最重要的是要计算出烟气容积的变化。

4.1.1烟气容积计算的经典公式

根据前苏联热力计算标准（1957年版和1973年版），燃烧产物计算的经典公式如下：

理论空气量V⁰=0.0889(Car 0.375Sar) 0.265Har-0.0333Oar

理论氮容积V⁰_N2=0.79V⁰ 0.8Nar/100

三原子气体容积V_RO2=1.866(Car 0.375Sar)/100

理论水蒸汽容积V⁰_H2O=0.111Har 0.0124War 0.0161V⁰

水蒸汽容积V_H2O=V⁰_H2O 0.0161(a-1)V⁰

理论烟气容积V⁰_t=V_RO2 V⁰_N2 V⁰_H2O

烟气容积V_t=V_RO2 V⁰_N2 V_H2O (a-1)V⁰

以上的计算公式是对燃料燃烧特性的一般规律进行理论总结的基础上得出的，因此，对于不加石灰石脱硫的循环流化床锅炉，以上的计算公式基本是适用的。但是，循环流化床锅炉内加入石灰石后，打破了炉内的气体平衡。

4.1.2加入石灰石对烟气容积的影响

首先，我们研究一下加入石灰石后几种气体成分的实际变化情况：

CaCO₃的分解反应生成CO₂的容积为：

V¢_CO2=(22.4/100)×(Ca/S)×(Sar/100)Nm³/kg

脱硫反应使SO₂容积减少了：
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