CFB鍋爐添加石灰石對(duì)鍋爐熱力計(jì)算的影響

王海超，劉　科，崔　輝

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南　250003）

CFB鍋爐添加石灰石對(duì)鍋爐熱力計(jì)算的影響

王海超1，劉科1，崔輝2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250003）

在循環(huán)流化床鍋爐（CFB）中添加石灰石作為脫硫劑可以有效減少SO2排放。然而添加石灰石脫硫之后將對(duì)燃燒產(chǎn)物計(jì)算、灰平衡和鍋爐熱效率等產(chǎn)生影響。為此，對(duì)添加石灰石后的各種影響進(jìn)行理論分析，提出相應(yīng)的計(jì)算方法和對(duì)熱效率影響的判據(jù)，使鍋爐熱效率計(jì)算盡可能符合鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)也可為鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

CFB；石灰石；脫硫；熱效率；灰平衡；燃燒產(chǎn)物

0　引言

煤炭是我國(guó)火力發(fā)電廠的主要燃料，其中含硫量較高的煤所占比重較大，在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的SO2、NOx等氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。通過(guò)在循環(huán)流化床鍋爐中添加石灰石進(jìn)行脫硫，可以大大減少SO2的排放，減少環(huán)境污染［1］；同時(shí)由于它的燃燒溫度相對(duì)較低，還可有效減少NOx的產(chǎn)生。所以循環(huán)流化床鍋爐作為一種高效、低污染的燃燒設(shè)備備受關(guān)注。

添加石灰石脫硫的原理是利用石灰石主要成分CaCO3熱解產(chǎn)生的CaO與SO2反應(yīng)生成CaSO4，從而使燃料中的硫進(jìn)入灰渣，而不是排入大氣中，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的［2］。在燃料中添加石灰石后會(huì)對(duì)燃燒造成一系列的影響，如鍋爐的熱效率、灰平衡、煙氣量、給煤量［3］等均將發(fā)生變化，這不僅對(duì)鍋爐運(yùn)行有影響，而且在鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)須予以考慮。

添加石灰石首先帶來(lái)的影響是石灰石熱解時(shí)需要從爐內(nèi)吸收一部分熱量，如式（1）所示。

而CaO和SO2作用時(shí)又會(huì)釋放出一定的熱量，如式（2）所示。

顯然，如果釋放熱量不等于吸收熱量，則將影響鍋爐的熱平衡計(jì)算。

由于石灰石的添加，將把額外的惰性物質(zhì)CaSO4和CaO等帶入爐內(nèi)。因此，煙氣中灰焓一項(xiàng)的計(jì)算應(yīng)該考慮這部分額外灰分的影響。此外，煙氣飛灰濃度的計(jì)算也相應(yīng)受到影響。

從式（1）、（2）知，石灰石熱解時(shí)將帶入爐內(nèi)額外的CO2。而燃燒產(chǎn)生的SO2與石灰石熱解產(chǎn)生的CaO反應(yīng)，同時(shí)又使煙氣中SO2減少。這些都將影響鍋爐燃燒產(chǎn)物的計(jì)算。

1　添加石灰石對(duì)鍋爐熱平衡的影響

商業(yè)石灰石中CaCO3的純度并非100%，常含有其他雜質(zhì)。另外CFB爐內(nèi)燃燒火焰溫度并不一定處在脫硫的最佳溫度。石灰石中CaCO3熱解不一定完全，CaO與SO2反應(yīng)過(guò)程也不一定完全進(jìn)行。為此，用增加石灰石投入量來(lái)彌補(bǔ)和抵消上述一系列不利因素的影響［4-5］。

1.1脫硫反應(yīng)吸收的熱量

式中：B為鍋爐煤耗量，kg·s-1；Sar為煤收到基硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ηSO2為脫硫效率，ηSO2＜1.0。折算到每kg計(jì)算燃料所需添加的CaCO3質(zhì)量為

式中：q4為機(jī)械不完全燃燒熱損失，%。

由式（3）、（4）所得數(shù)據(jù)除以商業(yè)石灰石CaCO3純度可得到所需添加石灰石量。隨每kg入爐煤帶進(jìn)爐內(nèi)的CaCO3熱解時(shí)應(yīng)吸收的熱量為

式中：Qab為 CaCO3熱分解時(shí)所吸收的熱量，1.83×105kJ/kmol；為 CaCO3的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。

1.2脫硫反應(yīng)釋放的熱量

送入爐內(nèi)的CaCO3中與SO2反應(yīng)、起到脫硫作用的部分熱解得到的CaO質(zhì)量為

因此，脫硫過(guò)程中，與SO2相作用的CaO摩爾數(shù)為

最后可得按每kg入爐煤計(jì)算，在脫硫過(guò)程中釋放出的熱量為

式中：Qrel為 CaO與 SO2反應(yīng)時(shí)釋出的熱量，4.86×105kJ/kmol；mCaOmol為CaO的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。

1.3計(jì)算判據(jù)

1.4脫硫?qū)﹀仩t熱效率的影響

添加石灰石脫硫過(guò)程中的熱效應(yīng)為（qrel+qab），其中qrel取正值，qab取負(fù)值。因此，可得添加石灰石脫硫?qū)﹀仩t熱效率的影響

式中：Qr為燃料支配熱量，Qr=Qar，net+icoal+Qout，k J/kg；Qar，net為煤的收到基低位發(fā)熱量；icoal為煤的物理顯熱，kJ/kg；Qout為外部熱源帶入爐內(nèi)熱量，kJ/kg。將式（4）～（6）代入式（7）可得：

式（8）即為DL/T 964—2005中q7的計(jì)算公式。一般來(lái)講，Δη數(shù)值并不大?，F(xiàn)以高硫、高機(jī)械不完全燃燒熱損失、低發(fā)熱量、高鈣硫摩爾比等最不利的條件作計(jì)算，其Δη=-0.4%～-0.6%。

2　添加石灰石對(duì)燃燒產(chǎn)物含灰量的影響

2.1添加石灰石造成的灰分增加

入爐石灰石首先分解成CaO及CO2，但只有部分CaO與SO2作用，生成CaSO4。所以燃燒產(chǎn)物中新增的固體惰性物質(zhì)有CaSO4和多余的CaO。根據(jù)脫硫過(guò)程，沒(méi)有參加脫硫反應(yīng)的CaO量為

脫硫反應(yīng)產(chǎn)物CaSO4的量為

所以總固體惰性物質(zhì)（灰分）為

相應(yīng)每單位計(jì)算煤耗，額外增加的灰分為

2.2添加石灰石對(duì)灰平衡的影響

考慮添加石灰石后鍋爐灰平衡如圖1所示。

圖1　添加石灰石后鍋爐灰平衡

從圖1知爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物中灰分為

進(jìn)入對(duì)流煙道煙氣攜帶的灰分為

進(jìn)入除塵器煙氣攜帶的灰分為

出除塵器煙氣攜帶的灰分為

進(jìn)入大氣的灰量Aenv應(yīng)小于或等于國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排塵量。

分離器效率

或循環(huán)灰通量

除塵器效率

設(shè)計(jì)冷渣器時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算冷渣量

所以爐內(nèi)輻射受熱面與流化床之間的換熱系數(shù)和對(duì)流受熱面輻射放熱系數(shù)均應(yīng)該按相應(yīng)的灰濃度進(jìn)行計(jì)算。

3　添加石灰石對(duì)燃燒產(chǎn)物數(shù)量的影響

根據(jù)石灰石熱解反應(yīng)式可得，熱解產(chǎn)生的CO2在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的容積為

由脫硫反應(yīng)式可得反應(yīng)減少的SO2容積為

反應(yīng)同時(shí)需要0.5VSO2的氧氣，所需空氣的量為

經(jīng)計(jì)算，這部分氧氣數(shù)量不大，完全可以由過(guò)量空氣中的氧氣提供，不必額外增加空氣量。

由上述可得由于脫硫?qū)е碌臒煔怏w積變化量為

所以，煙氣容積為

三原子氣體容積為

煙氣質(zhì)量

在總壓力為0.098MPa時(shí)，CO2與H2O分壓力分別為

4　結(jié)語(yǔ)

添加石灰石脫硫?qū)⑹篃煔庵袏A帶的灰量增大，進(jìn)而對(duì)鍋爐的傳熱、積灰和磨損性能產(chǎn)生影響。

添加石灰石脫硫后，燃燒產(chǎn)物的數(shù)量和質(zhì)量都將增大，從而影響受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算，對(duì)運(yùn)行鍋爐各處受熱面的煙溫、煙速等運(yùn)行數(shù)據(jù)也將產(chǎn)生影響。

在日益強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)和CFB鍋爐容量不斷增大 （目前國(guó)產(chǎn)600MW CFB已投入商業(yè)運(yùn)行）的今天，在節(jié)能要求日益嚴(yán)格的情況下，鍋爐熱力計(jì)算應(yīng)該力求準(zhǔn)確反映鍋爐運(yùn)行的真實(shí)規(guī)律。明確添加石灰石脫硫?qū)﹀仩t熱效率計(jì)算的一系列影響更加有助于鍋爐效率計(jì)算的準(zhǔn)確和流化床鍋爐節(jié)能效益分析。

［1］P.巴蘇，S.A.弗雷澤.循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京：科學(xué)出版社，1994.

［2］岑可法，倪明江，駱仲泱，等.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

［3］蘇建民，鄒崢，洪方明，等.CFB鍋爐爐內(nèi)添加石灰石脫硫?qū)Υ矞睾湾仩t效率的影響［J］.福建能源開(kāi)發(fā)與節(jié)約，2002（3）：35-37.

［4］苑廣存，趙長(zhǎng)遂，吳新，等.燃用石油焦和煤添加脫硫劑循環(huán)流化床鍋爐熱效率計(jì)算［J］.能源研究與利用，2005（6）：9-12.

［5］北京鍋爐廠譯.鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976.

Effects on Thermal Calculation Caused by Limestone Addition in CFB Boilers

WANG Haichao1，LIU Ke1，CUI H ui2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Insittute，Jinan 250003，C hina；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，C hina）

The limestone addition used as desulfurizer in CFB boilers provides a relatively environmentally benign method to control the emission of SO2.However the sulfur retention procedure obviously gains effects on calculation of combustion products，ash balance and boiler thermal efficiency.A detailed theoretical analysis of all effectsmentioned above is proposed，corresponding calculation method and the criterion of the impact on boiler thermal efficiency are presented.So as tomake the boiler thermal calculation meets the practical operation asmuch as possible，and provides reference for safe and stable boiler operation.

CFB；limestone；sulfur retention；thermal efficiency；ash balance；combustion products

TK224.1

A

1007-9904（2016）03-0034-04

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院2015年度技術(shù)革新項(xiàng)目（2015-30）

2015-10-19

王海超（1987），男，工程師，從事電站鍋爐性能測(cè)試等工作。