摘要  循环流化床锅炉添加石灰石脱硫不可避免地对锅炉性能产生一定影响，本文定量分析了添加石灰石脱硫后锅炉性能计算中燃烧产物计算的新方法，并通过实例分析总结出至关重要的影响因素。

关键词  循环流化床锅炉    石灰石脱硫    燃烧产物计算    灰平衡

1前言

循环流化床锅炉是一种清洁燃烧方式，它具有优良的环保性能，由于低温燃烧和分级送风， NO_X的排放量很低，仅为煤粉燃烧锅炉的1/3～1/4，同时，通过炉内添加石灰石脱硫，可 大大减少SO_X的排放。

循环流化床锅炉的炉内加钙(石灰石)脱硫是一种经济的脱硫方式。与常规锅炉的尾部烟气脱硫(FGD)相比，它具有设备投资省、占地面积小、能耗低、操作简单、无水污染等优点；与煤粉燃烧的炉内喷钙脱硫相比，其脱硫效率要高得多，一般情况下，在Ca/S比1.8～2.5时，循环流化床锅炉的脱硫效率可达90%以上。

但是，必须清醒地认识到，炉内加钙脱硫在大大降低SO_X排放的同时，对锅炉自身性能不可避免地带来一定影响。对循环流化床锅炉的工程设计者来说，对这种影响仅有定性认识是不够的，必须进行定量分析，使炉内加钙脱硫对锅炉性能的影响做到可知、预知，并能对一些可能出现的负面影响采取积极的预防措施。

炉内加钙脱硫对锅炉性能计算带来的影响是非常复杂的。概括地讲，有三个方面的影响：第一是对燃烧产物计算和传热计算的影响，第二是对锅炉效率的影响，第三是对污染物排放的影响。本文将对第一方面的影响进行定量分析，第二、第三方面的影响将另文著述。

需要说明的是，以下进行的分析和计算是以高温单级分离为基础考虑的，中温单级分离的情况也可适用，带有飞灰再循环系统的情况也能参照使用。但是，并不是说以下的计算方法是通用的，它不适用于两级分离的情况。两级分离的计算方法更复杂，并存在一些不可确定的因素，如石灰石颗粒的一次飞逸分额和二次飞逸分额的关系问题在目前仍是一个不可知的领域。

所幸的是，单级分离，尤其是高温单级分离是循环流化床锅炉的主流派设计，目前世界上95 %以上的循环流化床锅炉都是采用单级分离的。两级分离技术的开发虽然对循环流化床锅炉的发展作出了一些有益的尝试，并有一些实际应用的例子，尤其在我国，九十年代初两级分离的循环流化床锅炉一度曾作为主导产品。现在这种状况已经改变，单级分离回归了主流派地位。随着技术的发展，越来越证明单级分离是循环流化床锅炉最优越的技术形式。因此，掌握了单级分离的计算方法就已能适应循环流化床锅炉设计的需要。

2燃烧产物计算的经典公式

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

以上的计算公式是对燃料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，唯一的例外是，分离器前的飞灰浓度需考虑循环倍率的影响。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和灰平衡。因此，必须对加 入石灰石后的气体平衡和灰平衡进行定量分析。

 

3加入石灰石对燃烧产物计算的影响

首先，我们列出石灰石脱硫的化学反应方程式：

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η_SO2。

在考虑脱硫的情况下，每向炉内加入1kg燃料，需加入CaCO₃的重量为：

 

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。

现在，我们可以考虑实际的气体平衡了。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：

 

另外，还有一个因素不能忽视，就是石灰石的含水量W_S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：

 

飞灰浓度的计算与灰平衡有关。下面，我们进行循环流化床锅炉加入石灰石前后的灰平衡分析和飞灰浓度计算。

4加入石灰石前后的灰平衡分析和飞灰浓度计算

灰平衡分析和飞灰浓度计算是锅炉传热计算的基础，掌握正确的灰平衡分析和飞灰浓度计算方法是锅炉性能计算的前提。因此，正确分析加入石灰石前后的灰平衡和飞灰浓度计算方法是十分重要的。首先，我们分析一下正常情况下(即不加入石灰石情况)的计算方法。

4.1不加入石灰石情况下的灰平衡分析和飞灰浓度计算

我们仍以1kg入炉燃料为基数进行分析。由于炉内灰量极大，而未燃尽碳部分比例很小，因 此在灰平衡分析中忽略不计，也不考虑分离器排灰。

 

分离器分离效率为η_f,它取决于分离器的形式和结构。

显然，分离器后各受热面区域的飞灰浓度计算方法与常规计算方法相同，而分离器前的飞灰浓度中循环倍率的影响是主要因素。

 

4.2加入石灰石情况下的灰平衡分析和飞灰浓度计算

进行加入石灰石情况下的灰平衡分析和飞灰浓度计算首先需要解决石灰石的飞逸分额a_sf,石灰石的飞逸分额与石灰石自身特性、石灰石粒径分布、流化速度等诸多因素有关。一般情况下(d₅₀=0.3～0.5mm，中低速床)，a_sf在0.75～0.85之间。

另一个需要清楚认识的问题是床内石灰石组份变化引起的重量变化。向炉内加入的石灰石主要成分是CaCO₃(100g/mol)，经分解和硫酸盐化反应后主要成分为CaO(56g/mol)和CaSO₄ (136g/mol)。因此重量的变化是客观的存在。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，引起重量变化，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为：