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循环流化床锅炉添加石灰石脱硫对锅炉效率的影响

上海锅炉厂有限公司 周一工

[内容摘要] 本文阐述了循环流化床锅炉添加石灰石脱硫对锅炉效率的影响，指出了影响因素，并定量分析了各种影响因素的影响程度。
[关 键 词] 循环流化床锅炉 石灰石脱硫 锅炉效率 影响因素

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NOX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、CXHY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 + 1/2 O2 ——→ CaSO4
理论上讲，加入1mol(100g) CaCO3后，将减少1mol(64g，或0.0224Nm3) SO2，多消耗0.5 mol(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hm。
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)×Bj kg/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：
BS = B CaCO3／hCaCO3 =(100/32)×(Ca/S)×(Sar/100)×Bj／hCaCO3 kg/h
其中：hCaCO3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 + CO2－1830 KJ/kg CaCO3
CaO + SO2 + 1/2 O2 ——→ CaSO4＋15141 KJ/kg S
显然，CaCO3煅烧热损失 qCaCO3 = B CaCO3×1.83×105／Bj Qar,net,p %
　　　硫酸盐化放热 qCaSO4 = －Sar×hm×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 + CO2－1180 KJ/kg MgCO3
因此，MgCO3煅烧热损失 q MgCO3 = B MgCO3×1.18×105／Bj Qar,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×[as(ct)1+(1- as ) (ct)2] BS¢／Bj Qar,net,p %
其中：as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；
　　　BS¢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BS¢为：
BS¢= (1- hCaCO3) BS + h CaCO3 BS {(56/100)[(Ca/S) -hm] + (136/100) hm}/(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 V0N2=0.79V0+0.8Nar/100
三原子气体容积 VRO2=1.866(Car+0.375Sar)/100
理论水蒸汽容积 V0H2O=0.111 Har+0.0124War+0.0161V0
水蒸汽容积 VH2O= V0H2O +0.0161(a -1)V0
理论烟气容积 V0t= V RO2+ V0N2+ V0H2O
烟气容积 Vt= V RO2+ V0N2+ VH2O+(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：
V¢SO2= hm×(22.4/32)×(Sar/100) Nm3/kg
脱硫反应将消耗O2容积为：
V¢O2= hm×(22.4/32)×(Sar/100)/2 Nm3/kg
脱硫反应消耗O2的空气容积为：
V¢air=(100/21)×hm×(22.4/32)×(Sar/100)/2 Nm3/kg
另外，还有一个因素不能忽视，就是石灰石的含水量WS对水蒸汽容积的影响。从分析可以得出，1kg燃料将增加水蒸汽容积：
V¢H2O=(22.4/18)×(Ca/S)×(Sar/100)×(WS/100) Nm3/kg
下面，我们可以得出加入石灰石后的燃烧产物计算公式：
理论空气量 DV0= V0+ V¢air
=0.0889Car+(0.0333+0.0167hm)Sar+0.265Har-0.0333Oar
理论氮容积 DV0N2=0.79DV0+0.8Nar/100
三原子气体容积 DVRO2= VRO2+ V¢CO2 - V¢SO2
=0.01866Car+[0.00224(Ca/S)+0.007(1-hm)]Sar
理论水蒸汽容积 DV0H2O=V0H2O+ V¢H2O
=0.111 Har+0.0124War+0.0161DV0+0.000124(Ca/S)×Sar×WS
水蒸汽容积 DVH2O= DV0H2O+0.0161(a -1)DV0
理论烟气容积 DV0t= DVRO2+ DV0N2+ DV0H2O
烟气容积 DVt= DV RO2+DV0N2+ DVH2O+(a -1)DV0
4.1.3 锅炉出口当量过量空气系数adl的计算
用上面的公式可求出加入石灰石脱硫前后一定过量空气系数下锅炉出口（即空气预热器出口）烟气容积的变化。以此为基础，可计算出加入石灰石情况下的当量过量空气系数adl（即将加入石灰石情况下的烟气容积DVt折算到不加入石灰石时的过量空气系数）。
DVt= DV RO2+DV0N2+ DVH2O+(a -1)DV0= V RO2+ V0N2+ VH2O+(adl -1)V0
adl= 1+[( DV RO2 -V RO2) +( DV0N2 - V0N2) +( DVH2O - VH2O) +(a -1)DV0]／V0
4.1.4 加入石灰石脱硫前后排烟热损失计算
① 加入石灰石脱硫前排烟热损失计算
加入石灰石脱硫前排烟热损失 q2=( Iyx - a I0)(100- q4)／Qar,net,p
其中：Iyx为锅炉出口过量空气系数a及排烟温度θyx状况下的烟气焓；
　　　I0 为冷空气理论空气焓；
　　　q4 为机械不完全燃烧热损失。
② 加入石灰石脱硫后排烟热损失计算
加入石灰石脱硫后排烟热损失 q2¢=( I¢yx - a dl I0)(100- q4)／Qar,net,p
其中：I¢yx为锅炉出口当量过量空气系数a dl及排烟温度θyx状况下的烟气焓。
显然，q2¢与q2的差就是脱硫反应使烟气量增加造成的排烟热损失增加。
4.2 烟气露点温度降低减小排烟热损失
烟气露点温度tp的计算公式为：
tp =125(SZS)1/3／1.05EXP(ayh AZS)＋tk
其中：SZS为收到基折算硫份；
AZS为收到基折算灰份；
ayh 为飞灰份额；
tk 为烟气的水蒸气露点。
加入石灰石后，烟气露点温度用以上公式计算时，需注意以下几个问题：
① 收到基折算硫份应考虑脱硫的影响，即：
S¢ZS = (1-hm)SZS = (1-hm)×4186.8×Sar／Qar,net,p
② 收到基折算灰份应考虑石灰石脱硫产物的影响，即：
AZS = 4186.8×(Aar+100 BS¢/Bj)／Qar,net,p
③ 飞灰份额应考虑石灰石飞逸份额的影响，即：
a¢yh = [ayh×(Bj Aar/100) + as×BS¢]／(Bj Aar/100+ BS¢)
④ 烟气的水蒸气露点需考虑石灰石含水量的影响。
根据以上公式，可计算出加入石灰石脱硫前后烟气露点温度下降的数值，从而分别确定加入石灰石脱硫前后合适的排烟温度，并以此计算出加入石灰石后排烟热损失减小的数值。
但是，烟气露点温度下降并不构成排烟温度降低的必然结果。在不加入石灰石脱硫而具有较高烟气露点温度的情况下，也可以采用其它方法降低排烟温度，如加装暖风器、末级空气预热器采用耐腐蚀钢、采用热管空气预热器等。可是，以上这些降低排烟温度的方法不可避免地造成初投资增加。因此，从深层次分析，加入石灰石脱硫降低烟气露点温度以减小排烟热损失不仅是一个锅炉热效率问题，而且是一个复杂的综合经济性评价问题。

5. 定量分析结果
用以上计算方法，我们对二十多种燃料进行了计算和定量分析，得出以下结论：
5.1 石灰石煅烧吸热和硫酸盐化反应的放热是影响循环流化床锅炉效率的最主要因素。综合两个热反应，锅炉效率是升高的。燃料含硫量越高，锅炉效率升高越多。对于含硫量4%以上的高硫燃料，锅炉效率升高可达一个百分点以上。
5.2 加入石灰石引起的附加灰渣物理热损失也是影响循环流化床锅炉效率的重要因素。燃料含硫量越高，附加灰渣物理热损失越大。对于含硫量4%以上的高硫燃料，附加灰渣物理热损失造成的锅炉效率降低可接近0.8个百分点左右。
5.3 加入石灰石引起的烟气量增加造成排烟热损失增加对循环流化床锅炉效率的影响相对较小。其影响程度也与燃料含硫量密切相关。燃料含硫量越高，影响程度越大。对于含硫量4%以上的高硫燃料，烟气量增加造成的锅炉效率降低约为0.1~0.15个百分点。
5.4 如不计入脱硫后因烟气露点温度下降使设计排烟温度降低而减小的排烟热损失，加入石灰石脱硫对循环流化床锅炉效率的影响是很小的。计算结果表明，大多数燃料加入石灰石后循环流化床锅炉效率有较小的升高，升高幅度最大的约为0.15~0.2个百分点。
5.5 加入石灰石脱硫对烟气露点温度有很大的影响。含硫量小于1%的低硫煤，烟气露点温度下降10~20℃；含硫量1~3%的中硫煤，烟气露点温度下降20~35℃；含硫量大于3%的高硫煤，烟气露点温度下降35~50℃。

[参考文献]
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3. 冯俊凯、沈幼庭，锅炉原理及计算，科学出版社，1992
4. 锅炉机组热力计算标准，哈尔滨锅炉厂标准化室，1985. 5
5. 刘焕彩，流化床锅炉的原理与计算，华中理工大学出版社，1988

【作者简介】 周一工，男，1965年生，1986年毕业于清华大学热能工程系，上海锅炉厂有限公司高级工程师，循环流化床锅炉主任设计师。主要从事循环流化床锅炉的设计、研究及超临界压力锅炉锅内特性研究，发表论文50余篇，3次入选国际动力会议，获国家科技成果完成者证书。
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