干法半干法烟气脱硫灰化学组成计算模型研究

4 半干法脱硫工艺脱硫灰组成计算模型
无论何种半干法烟气脱硫工艺 , 其总的物料 平衡的计算模型应 该是相同的 。 在 半干法脱硫
工艺中 , 脱硫 剂通常是消石灰(或石灰浆), 同时 喷入水分 , 水分起到 反应媒介的作用 , 加速反应 速度 , 水分也与反应产物亚硫酸钙反应形成半水 亚硫酸钙 。 水分的最终去向一部分 进入脱硫产 物 , 成为脱硫产物内 部水分 , 大部分 变成蒸汽进 入烟气 。 为了简化计算忽略烟气中 的二氧化碳 与氢氧化钙的反应 。消石灰一般含有杂质 , 主要 是碳酸钙 , 设消石灰的纯度为 ηCa(O H)2 。
第 41 卷第 3 期 2010 年 5 月
锅 炉 技 术 BOI LER T ECH NO LO G Y
V ol .41 , N o.3 M ay ., 2010
文章编号 : CN31-1508(2010)05-0070-06
干法/半干法烟气脱硫灰化学组成计算模型研究
徐夕仁1 ,2 , 马春元2 , 归柯庭1 , 陈莲芳2 , 王文龙2 , 董 勇2
+mCaO +mCaSO4
(13)
增加的百分数为 :
Δη=100AΔm
(14)
前两项为总粉煤灰 量 。 设排渣和 飞灰的组
成成分相同 , 则 考虑排灰系数脱硫飞灰(简称脱
硫灰)的质量为 :
m′tlh =αA[ A +m石灰石 (1 -ηc)+(1 -X CaCO3 )×
mCaCO 3 +mCaO +mCaSO4 ]
整个脱硫 系统物 料平衡的 计算模 型如图 1 所示 。
图 1 炉内固硫脱硫灰组成计算用图
2 .1 随着 1 k g 煤加入的石灰石的计算 根据钙硫比 , 相对于 1 kg 煤 , 炉内脱硫需要 加入的石灰石为 :
m石灰石
=1S00
C a MC a CO S MS
3
1 ηc
(7)
进入炉内的碳酸钙为 mCaCO 3 =ηcm石灰石 2 .2 由于炉内脱硫反应 , 产生的脱硫副产物量的
考虑烟气脱硫后飞灰的总量的增加率为 :
δmfh
=m
h tlh
-mfh
mfh
(24)
活化反应器排出 脱硫灰中各种 物相的组成
比例为 :
xhfh
=αA [
A
+(1 -ηc)m石灰石 ] mh
tlh
m h x = m CaSO4
CaSO4 h tlh
m h x = m CaSO3
1/
2H
2
O
CaSO31/2 H2 O h tlh
αA
Ca S
-ηlns
-(1 -ηlns)ηhhs
(22)
3 .2 脱硫灰的总质量及组成计算模型
m
h tlh
=mfh
+mCaSO31/2 H2 O
+mCaSO4 2H 2O
+mCa(OH)2 -m′CaO
(23)
活化反应器后 , 干态脱硫灰的组成变 为 :粉
煤灰 、碳酸钙 、CaSO4 、CaSO 3 ·1/2H 2 O 、CaSO 4 · 2H 2O 和 Ca(O H)2 , 此时原始排烟中的氧化钙由 于水化反应而消失 。
(15)
飞灰中各主要物相的百分含量为 :
x CaO
=mmCt
aO lh
×100 %
(16)
xCaSO 4
=mCaSO 4 m tlh
×100 %
xfh
=A
+m石灰石 (1 mtlh
-ηc)×100
%
xCaCO3
=(1 -X CaCO3 )mCaCO3 mtlh
×100 %
(17) (18) (19)
3 炉内脱硫尾部增湿活化(LIF A C )脱硫
灰组成计算模型
3 .1 增湿活化后脱硫灰组成的计算 忽略 CO 2和 Ca(O H)2的反应 , 忽略水分的变 化 , 原粉煤灰和碳酸 钙不参与脱硫反应 , 并假设 所有的 CaO 均与水发生了反应 , 设增湿活化器的 脱硫效率为 ηhhs 。 以干态计算 。
CaO
的量为
:m′CaO
=S
(1
-ηlns)ηhhs
MCaO MS
。
生成的 CaSO 3·1/ 2H 2 O 为 :
mCaSO31/2H 2O
=S(1
-ηlns)ηhhs
MCaSO30 .5H2 MS
O
(1
-X)(20)
生成的 CaSO 4·2H2 O 为 :
mCaSO42 H2 O
=S (1
-ηlns)ηhhs X
M CaS O42H 2 O MS
(21)
剩余的 Ca(O H )2 为 :
mCa(OH)2
=αAmCaO
MCa(O H)2 MCaO
-S
(1
-ηlns
)ηhhs
MCa(OH)2 MS
=
αA
S
MCa(OH)2 MS
Ca S
-ηlns
-S(1
-ηlns)ηhhs
MCa(OH)2 MS
=
S MCa(OH)2 MS
计算
根据炉内固硫反应方程 式 , 炉内脱 硫后 , 脱 硫灰的主要组成为粉煤灰(包括煤中的灰和石灰 石带入的灰)、由于脱硫带入的脱硫副产物(包括 未分解的碳酸钙 、未反应的生石灰和反应产物硫 酸钙)。为了计算简单 , 计算时煤燃 烧产生的粉
煤灰中的硫酸钙包含在粉煤灰中 。 设炉内固硫效率为 ηlns , 则参与反应的CaCO3
2
※CaSO 4
(2)
CaO +H 2 O ※Ca(O H)2 SO2 +Ca(O H)2 ※CaSO 3 +H2 O
(3) (4)
C aS O3
+12
H2O
※C
aSO
3
·
1 2
H2O
(5)
CaSO 3 +2H 2 O +12 O 2 ※CaSO 4·2H2 O (6) 方程式(1)、(2)是炉内固硫的主要化学反应 。
图 3 半干法烟气脱硫灰组成计算图
半干法脱硫工艺中的主要反应是(4)、(5)、 (6)。
以 1 kg 燃煤量为基准 , 炉内没有进行脱硫 。 进入烟气脱硫塔的硫的质量为 :ms =SαS 进入的消石灰的质量为 :
mCa(OH)2
=S
αs CSaM
Ca(O H)2
MS
1 ηCa(OH)2
参与反应的 Ca(O H )2 的质量为 :
硫属于干法脱硫 , 而炉后烟气喷浆脱硫(如旋转喷
雾干燥法)、喷粉喷水脱硫等(如烟气循环流化床
脱硫 、尾部增湿活化脱硫)属于半干法脱硫 。 由于
干法 、半干法脱硫化学 反应机理 、固 硫剂有所不
同 , 其脱硫灰的组成和计算模型也不同 。
CaCO 3 ※CaO +CO 2
(1)
CaO
+S O2
+
1 2
O
反应掉消石灰(Ca(O H)2)和石灰石(CaCO 3)。
2 炉内固硫脱硫灰组成计算
设燃料的灰分 A , 硫分为 S , 燃烧过程硫排放 系数为 αs (考 虑煤中 的硫不 能全 部转变 成气体 SO 2 的系数), 飞灰排放系数为 αA (考虑只有一部 分灰随着烟气排出的系数), 以1 kg煤为基准 。整 个脱硫系统钙硫比为 Ca/S(如果增湿活化烟气系 统不再增加脱硫剂 , 此钙硫比也是炉内脱硫的钙 硫摩尔比), 炉内脱硫剂通常是磨细的石灰石 , 设 其碳酸钙含量为 ηc , 不参与反应的石灰石中的杂 质 , 最后变成粉煤灰的一部分 , 不考虑水分变化 , 另外为了简单 , 把粉煤灰作为单独的一相 , 称为粉
(10)
石灰石带入的灰量 :
m′石灰石 =m石灰石 (1 -ηc)
(11)
2 .3 固硫反应后 , 炉内灰的总量及组成百分比计算
mtlh =A +m石灰石 (1 -ηc)+(1 -X CaCO3 )×
mCaCO3 +mCaO +mCaS O4
(12)
由于脱硫 , 使灰总量增加 :
Δm =m石灰石 (1 -ηc)+(1 -X CaCO3 )mCaCO3
(30)
m′Ca(O H)2
=S
αsηs
MCa(OH)2 MS
(31)
脱硫产物中剩余的 Ca(O H)2 的质量为 :
m″Ca(OH)2 =mCa(O H)2 -m′Ca(O H)2
(3)、(4)、(5)、(6)是尾部增湿活化脱硫的主要反
应 ;(4)、(5)、(6)是半干法烟气脱硫的主要反应 。
故炉内固硫的主要副产物是氧化钙(CaO)和硫酸
钙(CaSO 4), 尾部增湿活化和半干法烟气脱硫产
生的额外的主要副产物是 :半水亚硫酸钙(CaSO3
·1/ 2H2 O)、二水硫酸钙(CaSO 4 ·2H2 O )、以及未
收稿日期 :2009-02-24 作者简介 :徐夕仁(1963-), 男 , 东南大学在职博士 , 副教授 。 主要从事燃煤污染物减排和节能技术的科研和教学工作 。
第3期
徐夕仁 , 等 :干法/ 半干法烟气脱硫灰化学组成计算模型研究
71
煤灰相 , 当需要计算脱硫灰的成分时 , 只要再考虑 粉煤灰的化学成分及其在脱硫灰中的份额即可 。
0 前 言
干法/ 半干法烟气脱 硫灰的性质 、组成等特 性决定其应用的前 景和范围 。 脱硫 灰的性质虽 可借助于化学分析 、仪 器测试等手段获 得 , 但根 据烟气脱硫工艺参数 、脱硫化学反应原 理 , 可以 也从理论上预测或 估算脱硫灰的组成 。 结合实 际烟气脱硫工 艺特点 , 从 脱硫 化学反 应方 程出 发 , 理论上推 导出不同干法/ 半干法 烟气脱硫工 艺脱硫灰的组成计算模型 , 通过进行 实例计算 , 并和文献提供数据进行对比 。
从方程(3)、(4)、(5)、(6)看出 , 对半干法烟气 脱硫 , 由于脱硫反应产生的副产物主要是 CaSO 3· 1/ 2H2 O 、CaSO4 ·2H2 O 、剩 余 的 Ca (O H )2 和 CaSO 3 。研究表明 在潮湿环境 下 CaSO 3 主要以 CaSO 3·1/ 2H2O 形式存在 , 所以半干法烟气脱硫 状态下 , 脱硫副产物中基本没有 CaSO3 。 反应(6) 进行的程度取决于多种因素 , 设 CaSO 3·1/2H 2O 的氧化率为 Xy 。
为
:S ηlns
M CaCO3 MS
, 产生的固硫产物 CaSO 3
为:
mCaSO4
=S
ηlns
M CaSO4 MS
(8)
设进入炉膛的 CaCO3 的分解率为 XCaCO3 , 且认 为 CaCO3 不直接与 SO2反应, 没有分解的石灰石为 :
m′CaCO3 =(1 -X CaCO3 )mCaCO3
1 m ol的 SO 2 完 全 与 Ca (O H )2 脱 硫反 应 , 可以产 生 1 mo l 的 CaSO 3 ·1/ 2H2 O 或 1m ol 的 CaSO 4·2H2 O 。
图 2 尾部增湿活化脱硫灰计算用图
72
锅 炉 技 术
第 41 卷
相对于 1 kg 燃料 , 活化反应器内参与反应的 S 的 质量 为 :S (1 -ηlns)ηhhs 。 脱硫 反应 所 需的
(9)
未分解的石灰石成为脱硫灰的一部分 。
未反应的 CaO 为 :
MCaO
m =X m M CaO
CaCO3 CaCO3
CaCO3
-S
ηlns
M CaO MS
=
X CaCO3 S
CaM CaCO3 S MS
M CaO MCaCO3
-S
ηlns
M CaO MS
=
S MCaO MS
X
CaCO3
ห้องสมุดไป่ตู้Ca S
-ηlns
(1.东南大学 能源 与环境学院 , 江苏 南京 210096; 2.山东大学 能源与动力工程 学院 , 山 东 济南 250061)
关键词 : 脱硫灰 ;化学成分 ;计算模型 摘 要 : 随着干法/ 半干法烟 气脱硫工 艺的推广应 用 , 其 脱硫副产 物 -脱硫 灰的排放数 量也会大 幅度增加 。 脱硫灰的综合利用是目前的研究热点 。 脱硫灰的性质在很大程度上 取决于脱 硫工艺 , 结合烟气 脱硫的实际 工 艺特点 , 从理论上推导出不同干法/ 半干法烟气脱硫工艺脱硫灰的 组成计算 模型 , 并进行了实 例计算 。 这些 计 算模型对于烟气脱硫灰处理系统的设计 、掌握脱硫灰组成变化 、脱硫灰的应用都具有重要的参 考价值 。 中图分类号 : X701 文献标识码 : B
1 干法/ 半干法烟气脱硫主要化学反应及 产物成分分析
干法 、半干法烟气脱硫工艺的区分并没有严
格的界限 。本文认为 :如果在烟气脱硫化学反应
中有水分参与(水分起重要的媒介作用)且离开脱
硫塔的脱硫灰为干态 , 即为半干法 烟气脱硫灰 。
反之 , 如果没有水分参与 , 即为干法烟气脱硫 。根
据此定义 , 炉内喷钙脱硫 、炉后烟气喷钙(干粉)脱
m h x = m Ca
SO3
1/
2H2
O
CaSO 4 h tlh
m h x = m Ca(OH)2
Ca(OH)2 h tlh
活化脱硫塔钙硫比 :
(25) (26) (27) (28) (29)
Ca S
=锅 锅炉炉出 出口口飞 烟气灰中 中钙S 的的摩 摩尔尔数 数
=
αfh mCaO MS S(1 -ηlns)M CaO