燃烧脱硫对热平衡计算的影响分析
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摘 要：在燃煤中加入石灰石后，引起烟气成分和热量的变化，对于这种影响，还没有形成一套系统的计算方法。本文从脱硫的化学反应方程式中推出烟气成分计算式和炉内燃烧热平衡计算式，估算热量变化的影响。
1.概述
众所周知，烟气中含有SO2会造成锅炉尾部受热面的酸腐蚀，烟气排入大气后，会造成环境的污染，而燃煤在锅炉内燃烧是产生SO2的源头。烟气脱硫和燃烧脱硫是降低烟气中SO2含量的主要方法。烟气脱硫也称为燃烧后脱硫，虽然脱硫效率高，但是由于脱硫系统的设备投资大、占地面积多、运行费用高，比较适合于大型火力发电厂的烟气脱硫。而燃烧脱硫比较适合于中小型工业锅炉及采暖锅炉的脱硫。由于燃烧脱硫法系统简单、占地面积小、投资少，而且通常作为脱硫剂的碳酸钙（CaCO3）廉价易得，固硫后的产物硫酸钙无二次处理问题，使得燃烧脱硫方法得到广泛应用。
燃烧脱硫以流化床锅炉加钙脱硫最为合适。因为流化床锅炉的主要特征恰好符合炉内固硫的条件：（1）燃料和脱硫剂在炉内停留时间较长，使二者能够充分接触，反应完全；（2）流化床锅炉对燃料的适应性强，掺入脱硫剂后对炉内燃烧工况影响不大。（3）流化床的燃烧温度一般为800～1000℃，与脱硫剂和SO2的硫化反应温度区域相吻合（约为850℃）。
随着社会发展和科学技术的不断进步，国家对于烟气排放指标的控制要求日益严格，如何提高燃烧脱硫中吸收剂的利用率，是我们需要在理论和实践中探讨的问题。本文对于燃烧脱硫炉内热量变化及烟气成分变化给出了相应的计算公式，与广大专业同行共同探讨。
2.脱硫的化学反应与炉内热力计算
固硫的吸收剂通常采用石灰石，其主要成分是CaCO3。设CaCO3在炉内加热完全分解为CaO和CO2，即：
CaCO3 CaO + CO2 178270 (kJ/kmol) （1）
CaCO3分解出的CO2逸出后，形成多孔状的CO2，它在氧化气氛中与SO2反应形成稳定的CaSO4（放热反应），与灰渣一起排出燃烧室，达到脱硫的目的。假设此反应为不可逆反应，即：
CaO + SO2 + 0.5O2 CaSO4 + 501530 (kJ/kmol) （2）
由上述两个反应式可以导出加入石灰石固硫后炉内热力计算变化的关系式。设煤的应用基成分为Cy、Hy、Oy、Ny、、Sy、、Ay、、Wy，从石灰石成分的分析中得知CO2的含量为RCaO,取钙硫摩尔比为RCaS，脱硫效率为ηa, 燃煤和固硫的空气过剩系数均取α，烟气中带走的飞灰份额为αfh,炉渣份额为αlz，以1kg 燃料为计算基准。
2．1石灰石需要量及物料平衡
石灰石的需要量为：
石灰石分解释放的CO2为：
被CO2吸收的SO2为：
吸收SO2时的耗氧量为：
固体灰渣增加量为：
2．2烟气成分计算
炉内燃烧产生的烟气成分可按如下公式计算：
2．3烟气的容积份额、分子量及焓的计算
容积份额：
分子量：
烟气重量：
其中： 为某成分的分子量，
假设固体灰渣的增加量仍按 份额排入烟气，按 份额排入炉渣；又因为加入的石灰石数量很少，其比热可按灰的比热计算，则烟气中的飞灰焓为：
其他 仍按原式计算。
2．4炉内热量的变化
在标准状态下（298K，1atm），（1）、（2）两化学反应式的反应热可按下式计算：
标准状态下总的热效应为：
将此热效应计入炉内输入热量，则：
式中： ― 分别为煤和石灰石的物理显热，KJ/kg；
― 外来热源加热空气带入的热量，KJ/kg。
炉内排烟热损失为：
锅炉灰渣物理显热损失为：
流化床锅炉燃烧脱硫的实践证明，脱硫反应对 的影响不大，可以忽略不计。
3.工程实例的计算与分析
现以某热力发电厂的流化床锅炉燃烧脱硫为例，计算分析炉内添加石灰石后热平衡的变化情况。
3．1媒质分析资料如下：
由上表可知，计入石灰石后，因固硫需要氧气量，使得理论空气量、烟气量均略有增加。因石灰石分解时的吸热低于固硫时的放热，使得炉内的输入热量变化不大，仅在标准状态下需要考虑该热效应的影响。对于增加的固体量排放显热归于q2和q6的增加，虽然q6增加得较多，但是其绝对值较低。若q3、q4、q5不变的话，锅炉效率约降低0.5%。
结束语
通过分析可知，炉内加入石灰石脱硫对于热平衡的影响，主要取决于煤的含硫量，石灰石的含CaO 量，钙硫摩尔比 的关系。若已知 的关系，则采用本文中推导的公式能简便定量地求得影响程度；对于低硫或中硫煤，如按照 掺入石灰石，其对于热平衡计算的影响可以忽略不计。
参考文献
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