循环流化床燃煤锅炉的SO2和NOx排放的实验及原理探讨__墨水学术,

所属栏目：工业设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:220

副标题#e#
　　循环流化床燃煤锅炉的SO2和NOx排放的实验及原理探讨
　　吴高德
　　（广东拓奇电力技术发展有限公司广东广州510000）
　　摘要：本文结合数值模拟和试验相结合的方法来研究煤种对循环流化床燃烧(CFB)燃烧SO2和NOx排放的影响。在1.5MWthCFB试验台上分别做了5种煤燃烧的SO2和NOx排放试验，根据所建CFB锅炉脱硫脱氮数学模型和已建与煤种相关的CFB锅炉总体数学模型，对该试验台炉膛内5种煤SO2和NOx的生成和脱除进行数值模拟，其结果和试验结果吻合良好。结果表明了煤种决定CFB锅炉脱硫效率及SO2和NOx的排放。
　　关键词：热能动力工程；循环流化床燃烧；石灰石；排放；脱硫；
　　1引言
　　文中主要描述了在1.5MWthCFB燃烧试验台上进行的5种中国典型动力煤的排放试验，同时描述了脱硫脱氮数学模型和已建的CFB锅炉总体数学模型，对排放试验进行了数值模拟，比较数值模拟结果和试验结果，分析了煤种对脱硫效率、S02与NOx排放的影响。
　　2循环流化床燃烧排放试验装置及条件
　　2．1热态燃烧试验台系统
　　1.5MWthCFB燃烧试验台由燃烧系统和辅助系统组成。燃烧系统主要由炉膛、高温气固分离器、料腿和返料器组成。炉膛上部内径为0.7m，炉膛下部内径为0.5m、炉膛高8.7m，炉膛底部采用风帽结构的布风板。
　　本试验台的辅助系统包括烟风系统、烟气冷却系统、给料及排渣系统、除灰系统、冷却水系统、电气控制系统、烟气成分测试系统和固体颗粒采集系统等。一次风和二次风均采用冷风直接加入炉膛，尾部烟气采用布袋除尘，煤及石灰石分别通过各自的螺旋铰龙加入炉膛，试验台采用计算机实时数据采集与记录系统，烟气成分由在线分析仪系统完成。
　　2．2试验煤种和石灰石介绍
　　进行实验的煤种一共5种，涵盖了烟煤、无烟煤、褐煤、低热值煤、高热值煤、高硫煤。这5种煤的元素分析和工业分析见表1。
　　表1五种计算煤种的物性表
　　物性 A B C D E
　　Cao/% 67.13 61.15 52.58 43.06 51.49
　　Hao/% 3.67 2.74 2.45 0.67 3.54
　　Oao/% 7.65 0.86 6.72 2.14 11.84
　　Sao/% 1.23 3.625 1.62 0.13 0.34
　　Nao/% 0.68 0.95 0.62 0.1. 1.00
　　Mao/% 4.54 1.42 7.43 1.32 19.99
　　Aao/% 15.10 29.26 28.58 52.58 11.80
　　Vao/% 30.61 12.93 33.26 10.98 45.93
　　Qao/%MJ/Kg 25.96 22.75 17.34 13.84 17.10
　　试验用煤的粒径在12.0mm以下，50％切割粒径d50为1.0mm左右；石灰石的粒径在1.6mm以下，50％切割粒径d50为0.11mm左右。
　　3循环流化床燃烧排放模型
　　3．1SO2排放模型的建立
　　循环流化床燃烧整体模型包括了流动模型、传热模型、燃烧模型和排放模型等，排放模型是在流动模型、传热模型和燃烧模型的基础上建立的。以小室模型为基础，将炉膛上下划分成一系列的小室，小室内气固两相质量能量保持守恒。气体成分考虑了挥发分、CO2、O2、CO、N2、NO、SO2、H2、H20九种气体，根据这9种气体的质量守恒，可以得到这9种气体在炉膛内的分布。
　　在循环流化床燃烧过程中，将石灰石与煤一起送入炉膛，煤中的硫与氧反应生成SO2气体，石灰石煅烧分解成CaO固体和CO2气体，CaO与SO2反应，生成固态的CaSO，随着炉渣或飞灰排出炉外。
　　排放模型的假设：①煤进入炉膛密相区后，硫在密相区内瞬间全部生成了SO2气体；②石灰石进入炉膛后就立即分解成CaO颗粒和CO2气体，并假设CaO颗粒的粒径分布等于石灰石的粒径分布③SO2与CaO的反应一步完成，生成CaSO④CaO基体上形成的CaSO造成C#p#副标题#e#aO孔隙空腔的收缩和堵塞；⑤脱硫剂颗粒存在磨损。
　　石灰石的分解反应方程式为
　　CaCO3→CaO+CO2一183kJ／mol(1)
　　本模型将硫酸盐化反应当作一步反应处理，即
　　CaO+SO2，+1/2O2→CaSO(2)
　　反应式(2)中的反应速率为
　　式中d1为档石灰石颗粒直径；k1为档石灰石颗粒的体积反应速率常数，式(4)为其表达式；CSO2为当地SO2的浓度。
　　k1=490e×p(-7.33×107/(RT))Sgλ1(4)
　　式中λ1为石灰石的反应活性系数。
　　在模型中根据石灰石粒径分为两种：石灰石粒径大于0.1mm时的反应活性系数和石灰石粒径小于0.1mm时的反
　　应活性系数，然后根据经验公式计算其值。通过λ1来考虑在CaO基体上形成的CaSO造成CaO孔隙空腔的收缩和堵塞。
　　系数Sg的表达式为：
　　Sg=（5）
　　3.2NOx排放模型的建立
　　在CFB锅炉运行的温度水平和氧浓度水平上，热力型NO生成速率很低，所以CFB锅炉中生成的主要是燃料型NOx。循
　　环流化床锅炉NOx的排放主要与炉膛温度、空气过剩系数和二次风配置(包括二次风位置和二次风占总风量的比例)三个
　　因素有关。
　　燃料氮在煤燃烧时，一部分随挥发分析出，即挥发分氮，而另一部分则残留在焦炭内，即焦炭氮。这两种氨大部分都转换成NO，模型中未考虑N2O。在二次风以下区域，在焦炭表面还发生NO和碳的还原反应。本模型中假设燃料氨全部氧化成NO，并和碳发生如下还原反应
　　C+2NO→CO2+N2(6)
　　式(6)的反应速率为
　　(7)
　　式中YNO为NO的当地浓度；YCO为CO的当地浓度;KNO为NO的还原速率，用式(8)计算。
　　=5.24×107exp[-34000/(RT)](8)
　　4计算结果与试验结果的分析与对比
　　4.1计算条件
　　本文中计算条件都是按照试验条件来确定的，表2给出了典型的计算条件。
　　表2典型的计算条件
　　参数 数值
　　空气流化速度/（m/s） 4.0
　　炉膛温度/℃ 850
　　给煤颗粒尺寸/㎜ 0～12
　　一次风占总风量的比例/% 55
　　静止床高/m 0.4
　　过剩空气系数 1.2
　　石灰石粒度/㎜ 0～1.673
　　4.2煤种对SO2排放的影响
　　A、B、C、E四种煤在不同Ca/S下的脱硫效率见图1。在高Ca/S条件下计算值和试验值吻合良好；在低Ca/S条件下，脱硫效率计算值都比试验值略大。在图1中，根据4条曲线的斜率大小可知，在相同的石灰石粒径分布、基本相同的炉膛温度和相同的钙硫摩尔比范围内，这4个煤种的脱硫效率由高到低的排列顺序为煤种B、煤种C、煤种A和煤种E，而这4种煤中的硫含量由高到低的排列顺序与此完全相同，这说明煤的硫含量直接影响脱硫效率。煤中的硫含量高，投入的石灰石量也大，固体CaO在循环回路中反复与SO2的接触(循环倍率接近3O)，加强了CaO对SO2的捕捉，从而有利于提高脱硫效率。
　　图1四种煤不同Ca／S下的脱硫效率图2炉膛内SO浓度分布(煤种D)
　　图2是煤种D在不同Ca/S下炉膛内SO2浓度的分布，其它4种煤与其类似。随着Ca/S增加，炉膛出口的SO2浓度也降低。由于模型假设SO2在密相区析出，所以密相区的SO2浓度比较高：在给煤点处SO2的浓度达到最大；由于CaO对SO2的捕捉，在稀相区SO2的浓度逐渐下降，炉膛出口的SO2浓度最低。
　　5种煤在不同Ca/S下的炉膛出口SO2浓度的比较见表3。可见，计算值和试验值吻合得相当好。随着Ca/S的增加，5种煤中炉膛出口SO2浓度逐渐减小。煤种B的硫含量最高，但是在Ca/S为2.6时，SO2的浓度已经达到排放标准。
　　表3五种煤在不同Ca／S下的炉膛出口SO浓度的比较
　　 Ca/S 实验值/（mg/m3） 计算值（mg/m3）
　　A 0.81 369 414.5
　　 1.61 268 278.8
　　 2.46 171 164.4
　　B 0.92 1471 1415.9
　　 1.74 313 321.8
　　 2.6 98 99.#p#副标题#e#2
　　C 1.0 479 481.2
　　 1.81 250 252.3
　　 2.68 78 79.4
　　D 1.43 113 113.1
　　 3.29 102 98.9
　　 5.87 46 45.4
　　E 1.96 107 109.1
　　 3.53 24 22.7
　　 5.03 16 16.0
　　5结论
　　(1)在相同Ca/S下，煤中的含硫量越高，脱硫效率越高；对不同煤种，达到同一脱硫效率(例如90％)所需的Ca/S差别较大。
　　(2)随着Ca/S的增加，炉膛出口SO2：浓度降低，但NOx浓度略有增加。
　　(3)在总风量和二次风口位置不变的情况下，随着一次风量占总风量的百分比增加，NOx的浓度增加，CO的浓度略微下降，CO2的浓度几乎不变。
　　(4)所有煤种的SO2和NOx浓度在给煤处达到其浓度的最高值，然后沿着炉膛高度增加方向SO2和NOx浓度逐渐减少。
　　(5)SO2和NOx浓度的数值计算结果和试验结果吻合很好。