CFB鍋爐添加石灰石對鍋爐熱力計算的影響

王海超，劉　科，崔　輝

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南　250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南　250003）

CFB鍋爐添加石灰石對鍋爐熱力計算的影響

王海超1，劉科1，崔輝2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南250003）

在循環流化床鍋爐（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燃燒產物計算、灰平衡和鍋爐熱效率等產生影響。為此，對添加石灰石后的各種影響進行理論分析，提出相應的計算方法和對熱效率影響的判據，使鍋爐熱效率計算盡可能符合鍋爐實際運行情況，同時也可為鍋爐安全穩定運行提供參考。

CFB；石灰石；脫硫；熱效率；灰平衡；燃燒產物

0　引言

煤炭是我國火力發電廠的主要燃料，其中含硫量較高的煤所占比重較大，在燃燒過程中產生大量的SO2、NOx等氣體，對環境造成嚴重的污染。通過在循環流化床鍋爐中添加石灰石進行脫硫，可以大大減少SO2的排放，減少環境污染［1］；同時由于它的燃燒溫度相對較低，還可有效減少NOx的產生。所以循環流化床鍋爐作為一種高效、低污染的燃燒設備備受關注。

添加石灰石脫硫的原理是利用石灰石主要成分CaCO3熱解產生的CaO與SO2反應生成CaSO4，從而使燃料中的硫進入灰渣，而不是排入大氣中，從而達到保護環境的目的［2］。在燃料中添加石灰石后會對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］等均將發生變化，這不僅對鍋爐運行有影響，而且在鍋爐設計計算時須予以考慮。

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

而CaO和SO2作用時又會釋放出一定的熱量，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算。

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

從式（1）、（2）知，石灰石熱解時將帶入爐內額外的CO2。而燃燒產生的SO2與石灰石熱解產生的CaO反應，同時又使煙氣中SO2減少。這些都將影響鍋爐燃燒產物的計算。

1　添加石灰石對鍋爐熱平衡的影響

商業石灰石中CaCO3的純度并非100%，常含有其他雜質。另外CFB爐內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反應過程也不一定完全進行。為此，用增加石灰石投入量來彌補和抵消上述一系列不利因素的影響［4-5］。

1.1脫硫反應吸收的熱量

式中：B為鍋爐煤耗量，kg·s-1；Sar為煤收到基硫質量分數，%；ηSO2為脫硫效率，ηSO2＜1.0。折算到每kg計算燃料所需添加的CaCO3質量為

式中：q4為機械不完全燃燒熱損失，%。

由式（3）、（4）所得數據除以商業石灰石CaCO3純度可得到所需添加石灰石量。隨每kg入爐煤帶進爐內的CaCO3熱解時應吸收的熱量為

式中：Qab為 CaCO3熱分解時所吸收的熱量，1.83×105kJ/kmol；為 CaCO3的摩爾質量，kg/kmol。

1.2脫硫反應釋放的熱量

送入爐內的CaCO3中與SO2反應、起到脫硫作用的部分熱解得到的CaO質量為

因此，脫硫過程中，與SO2相作用的CaO摩爾數為

最后可得按每kg入爐煤計算，在脫硫過程中釋放出的熱量為

式中：Qrel為 CaO與 SO2反應時釋出的熱量，4.86×105kJ/kmol；mCaOmol為CaO的摩爾質量，kg/kmol。

1.3計算判據

1.4脫硫對鍋爐熱效率的影響

添加石灰石脫硫過程中的熱效應為（qrel+qab），其中qrel取正值，qab取負值。因此，可得添加石灰石脫硫對鍋爐熱效率的影響

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熱量；icoal為煤的物理顯熱，kJ/kg；Qout為外部熱源帶入爐內熱量，kJ/kg。將式（4）～（6）代入式（7）可得：

式（8）即為DL/T 964—2005中q7的計算公式。一般來講，Δη數值并不大。現以高硫、高機械不完全燃燒熱損失、低發熱量、高鈣硫摩爾比等最不利的條件作計算，其Δη=-0.4%～-0.6%。

2　添加石灰石對燃燒產物含灰量的影響

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。所以燃燒產物中新增的固體惰性物質有CaSO4和多余的CaO。根據脫硫過程，沒有參加脫硫反應的CaO量為

脫硫反應產物CaSO4的量為

所以總固體惰性物質（灰分）為

相應每單位計算煤耗，額外增加的灰分為

2.2添加石灰石對灰平衡的影響

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知爐內燃燒產物中灰分為

進入對流煙道煙氣攜帶的灰分為

進入除塵器煙氣攜帶的灰分為

出除塵器煙氣攜帶的灰分為

進入大氣的灰量Aenv應小于或等于國家環保標準規定的排塵量。

分離器效率

或循環灰通量

除塵器效率

設計冷渣器時，應按下式計算冷渣量

所以爐內輻射受熱面與流化床之間的換熱系數和對流受熱面輻射放熱系數均應該按相應的灰濃度進行計算。

3　添加石灰石對燃燒產物數量的影響

根據石灰石熱解反應式可得，熱解產生的CO2在標準狀態下的容積為

由脫硫反應式可得反應減少的SO2容積為

反應同時需要0.5VSO2的氧氣，所需空氣的量為

經計算，這部分氧氣數量不大，完全可以由過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導致的煙氣體積變化量為

所以，煙氣容積為

三原子氣體容積為

煙氣質量

在總壓力為0.098MPa時，CO2與H2O分壓力分別為

4　結語

添加石灰石脫硫將使煙氣中夾帶的灰量增大，進而對鍋爐的傳熱、積灰和磨損性能產生影響。

添加石灰石脫硫后，燃燒產物的數量和質量都將增大，從而影響受熱面傳熱計算，對運行鍋爐各處受熱面的煙溫、煙速等運行數據也將產生影響。

在日益強調環境保護和CFB鍋爐容量不斷增大 （目前國產600MW CFB已投入商業運行）的今天，在節能要求日益嚴格的情況下，鍋爐熱力計算應該力求準確反映鍋爐運行的真實規律。明確添加石灰石脫硫對鍋爐熱效率計算的一系列影響更加有助于鍋爐效率計算的準確和流化床鍋爐節能效益分析。

［1］P.巴蘇，S.A.弗雷澤.循環流化床鍋爐的設計與運行［M］.北京：科學出版社，1994.

［2］岑可法，倪明江，駱仲泱，等.循環流化床鍋爐理論設計與運行［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［3］蘇建民，鄒崢，洪方明，等.CFB鍋爐爐內添加石灰石脫硫對床溫和鍋爐效率的影響［J］.福建能源開發與節約，2002（3）：35-37.

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

［5］北京鍋爐廠譯.鍋爐機組熱力計算標準方法［M］.北京：機械工業出版社，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

國網山東省電力公司電力科學研究院2015年度技術革新項目（2015-30）

2015-10-19

王海超（1987），男，工程師，從事電站鍋爐性能測試等工作。