石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺系统物质与能量平衡计算方法的拟定

中国科协2005年学术年会11分会场暨中国电机工程学会2005年学术年会论文集1石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺系统物质与能量平衡计算方法的拟定国电华北电力设计院工程有限公司朱国平【内容摘要】本文对石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺系统的物质与能量的平衡计算方法进行了拟定，并提出了多个相关计算公式，可供工程设计和设备选型过程中参考。【关键词】烟气脱硫石灰石石膏物质与能量平衡计算方法1.前言随着国内环保法规的完善和污染物排放控制力度的加大，烟气脱硫设施在电力行业燃煤电厂的安装已趋普及。由于对机组容量的适应性、工程投资、技术可靠性、国内外运行业绩等多方面因素，在已投运和在建的烟气脱硫工程中，石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统占据了绝对多数。目前相应石灰石－石膏湿法烟气脱硫工艺系统的计算软件还完全由国外各相关产业公司垄断，为了更好的实现烟气脱硫产业国产化，降低烟气脱硫工程的投资成本，增强国内烟气脱硫系统的设计水平，自主开发石灰石－石膏湿法烟气脱硫工艺计算软件已是非常必要和迫切。本文将就现在典型的石灰石-石膏湿法烟气脱硫的工艺系统提出相应的物质与能量平衡计算方法进行探讨，但对工程使用中一些系数及参数的取值不加讨论。抛砖引玉，欢迎指正。2.石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统工艺简介石灰石-石膏湿法脱硫工艺采用价廉易得的石灰石或石灰作脱硫吸收剂，石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌制成吸收剂浆。也可以将石灰石直接湿磨成石灰石浆液制的吸收剂浆。当采用石灰为吸收剂时，石灰粉经消化处理后加水搅拌制成吸收剂浆。在吸收塔内，吸收剂浆液与烟气接触混合，烟气中的SO2与浆液中的碳酸钙以及鼓入的氧化空气进行化学反应，最终反应产物为石膏。脱硫后的烟气经除雾器除去带出的细小液滴，经加热器加热升温后排入烟囱。脱硫石膏浆经脱水装置脱水后回收。由于吸收剂浆的循环利用，脱硫吸收剂的利用率很高。该工艺适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫，脱硫效率可达到95%以上。石灰石-石膏湿法脱硫工艺脱硫过程的主要化学反应为：在脱硫吸收塔内烟气中的SO2首先被浆液中的水吸收与浆液中的CaCO3反应生成CaSO3，CaSO3被鼓入氧化空气中的O2氧化最终生成石膏晶体CaSO4·2H2O。其主要化学反应式为：吸收过程：SO2+H20→H2SO3=HSO3－+H+CaCO3+2H+→Ca2++CO2+H2O氧化过程：HSO3－+1/2O2→SO42－+H+Ca2++SO42－+2H2O→CaSO4·2H2O石灰石-石膏湿法脱硫是目前世界上技术最成熟、应用最广，运行也最为可靠，已成为世界商业性FGD的主导。德国的Bischoff公司、Steimuller公司，日本的三菱重工、川崎重工，美国的B＆W公司等多家公司开发研究这种工艺，特别在美国、德国和日本，应用该脱硫工艺的机组容量约占电站脱硫装机总容量的90％，应用的单机容量已达1000MW。常规的石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺流程如下图所示：中国科协2005年学术年会11分会场暨中国电机工程学会2005年学术年会论文集23.计算方法拟定3.1计算方法拟定原则在允许的误差范围内，为了使得拟定的计算方法相对简洁并趋于保守、安全，本文给定如下原则：1.全部烟气进行脱硫；2.燃煤中硫完全转化为SO2；3.石灰石中除CaCO3和MgCO3外其它杂质均为不可溶惰性物质；4.烟气飞灰为不可溶惰性物质；5.脱硫增压风机设置在脱硫系统原烟气入口或净烟气出口，忽略烟气系统流程中的压降；6.忽略烟气流程中的烟道及设备漏风；7.忽略烟气中HCl、HF、NOx、SO3等活性物质所参与的化学反应；8.忽略GGH本体和吸收塔本体的散热；9.忽略随废水排放排出的石灰石成分、石膏成分及烟气飞灰成分；10.忽略吸收塔内烟气中飞灰的散热量；3.2符号定义及基本公式下表中列出了本文中使用的部分参数符号及一些基本的公式。由于该计算方法需要较复杂的循环迭代过程，纯手工计算显得极其麻烦，要较为精确地得出计算结果必须借助于程序化，故计算过程中对一些常规通过查表得到的技术数据（如比热、焓等）也要求以公式的方式计算得到。序号项目符号单位备注一工程设计参数1煤质分析(收到基)碳Car%给定氢Har%给定中国科协2005年学术年会11分会场暨中国电机工程学会2005年学术年会论文集3序号项目符号单位备注氧Oar%给定氮Nar%给定硫Sar%给定水份Mar%给定灰份Aar%给定固有水分（空气干燥基）Mad%给定理论空气量（干空气）V0Nm3/kg煤V0=0.0889(Car+0.3758Sar)+0.265Har-0.0333Oar2燃煤量锅炉计算燃煤量Bjt/h给定锅炉实际燃煤量Bgt/h给定3脱硫效率η％给定三燃烧产物理论体积：Vy0Nm3/kg煤Vy0=VN2+VRO2+VH2O氮气VN2Nm3/kg煤VN2=0.79*V0+0.8*Nar/100三原子气体VRO2Nm3/kg煤VRO2=VCO2+VSO2=1.866(Car+0.375Sar)/100CO2VCO2Nm3/kg煤VCO2=1.866Car/100SO2VSO2Nm3/kg煤VSO2=1.866*0.375Sar/100水蒸汽VH20Nm3/kg煤VH20=0.111Har+0.0124Mar+0.0161V0四GGH原烟气入口参数：烟气温度Ty1℃给定过剩空气系数αy1给定含尘量Ay1kg/Nm3给定氮气VN2.y1Nm3/kg煤VN2.y1=0.79αy1V0+0.8Nar/100氧气VO2.y1Nm3/kg煤VO2.y1=0.21(αy1-1)V0三原子气体VRO2.y1Nm3/kg煤VRO2.y1=VRO2=1.866(Car+0.375Sar)/100CO2VCO2.y1Nm3/kg煤VCO2.y1=VCO2=1.866Car/100SO2VSO2.y1Nm3/kg煤VSO2.y1=VSO2=1.866*0.375Sar/100水蒸汽(αy1)VH20.y1Nm3/kg煤VH20.y1=0.111Har+0.0124Mar+0.0161αy1V0总烟气量Vy1Nm3/kg煤Vy1=Vy0+1.0161(αy1-1)V0烟气比热：Cy1kJ/m3℃Cy1=(CN2.y1VN2.y1+CO2.y1VO2.y1+CCO2.y1VCO2.y1+CSO2.中国科协2005年学术年会11分会场暨中国电机工程学会2005年学术年会论文集4序号项目符号单位备注y1VSO2.y1+CH2O.y1VH2O.y1)/(VN2.y1+VO2.y1+VCO2.y1+VSO2.y1+VH2O.y1)氮气CN2.y1kJ/m3℃CN2.y1=CN2(Ty1)氧气CO2.y1kJ/m3℃CO2.y1=CO2(Ty1)CO2CCO2.y1kJ/m3℃CCO2.y1=CCO2(Ty1)SO2CSO2.y1kJ/m3℃CSO2.y1=CSO2(Ty1)水蒸汽(αy1)CH20.y1kJ/m3℃CH20.y1=CH2O(Ty1)五GGHGGH漏风率△αGGH％给定，原烟气漏至净烟气量占入口原烟气份额六GGH出口原烟气参数：烟气温度Ty2℃过剩空气系数αy2αy2=αy1含尘量Ay2kg/Nm3Ay2=Ay1氮气VN2.y2Nm3/kg煤VN2.y2=(1-△αGGH)VN2.y1氧气VO2.y2Nm3/kg煤VO2.y2=(1-△αGGH)VO2.y1三原子气体VRO2.y2Nm3/kg煤VRO2.y2=(1-△αGGH)VRO2.y1CO2VCO2.y2Nm3/kg煤VCO2.y2=(1-△αGGH)VCO2.y1SO2VSO2.y2Nm3/kg煤VSO2.y2=(1-△αGGH)VSO2.y1水蒸汽(αy1)VH20.y2Nm3/kg煤VH20.y2=(1-△αGGH)VH2O.y1总烟气量Vy2Nm3/kg煤Vy2=(1-△αGGH)Vy1烟气比热：Cy2kJ/m3℃Cy2=(CN2.y2VN2.y2+CO2.y2VO2.y2+CCO2.y2VCO2.y2+CSO2.y2VSO2.y2+CH2O.y2VH2O.y2)/(VN2.y2+VO2.y2+VCO2.y2+VSO2.y2+VH2O.y2)氮气CN2.y2kJ/m3℃CN2.y2=CN2(Ty2)氧气CO2.y2kJ/m3℃CO2.y2=CO2(Ty2)CO2CCO2.y2kJ/m3℃CCO2.y2=CCO2(Ty2)SO2CSO2.y2kJ/m3℃CSO2.y2=CSO2(Ty2)水蒸汽(αy1)CH20.y2kJ/m3℃CH20.y2=CH2O(Ty2)七石灰石浆液系统石灰石CaCO3含量RCaCO3%给定，质量比中国科协2005年学术年会11分会场暨中国电机工程学会2005年学术年会论文集5序号项目符号单位备注石灰石MgCO3含量RMgCO3%给定，质量比石灰石浆液浓度RL％给定，质量浓度石灰石耗量QLkg/kg煤八石膏浆液及真空脱水系统吸收塔排浆浓度RGt％给定，质量浓度漩流分离器排浆浓度RGX%给定，质量浓度脱水后石膏表面水分RG.H2O%给定，质量比，一般取10％干石膏粉允许Cl-浓度RG.Cl%给定，质量浓度湿石膏产量QG.wkg/kg煤含表面水干石膏产量QG.dkg/kg煤不含表面水干石膏纯度RG.d%氯柄冲洗水量QG.H2O.Clkg/kg煤九工艺水系统工艺水温度TH2O℃给定，一般取20℃T温度下饱和水焓h1(T)kJ/kgT温度下饱和蒸汽焓h2(T)kJ/kg给定温度下饱和水汽化潜热H(T)kJ/kgH(T)=h2(T)–h1(T)Cl-浓度Cl-H2Oµg/l给定工艺水总消耗量Qkg/kg煤十吸收塔脱硫效率ηt％除尘效率ηash％给定，质量比钙硫比(Ga/S)fca/s给定，摩尔比，一般取1.03～1.05烟气蒸发水量QH2O.Gaskg/kg煤石膏化合水量QH2O.Gkg/kg煤氧化空气量Qairkg/kg煤氧化空气裕量系数αair给定，示原烟气中含氧量不同取值1.4～1.8氧化空气温度Tair℃给定，按环境温度并考虑一定的氧化风机温升氧化空气比热Cair(Tair)kJ/m3℃中国科协2005年学术年会11分会场暨中国电机工程学会2005年学术年会论文集6序号项目符号单位备注浆液控制Cl-浓度Cl-tµg/l给定十一废水系统废水量Qwwkg/kg煤十二GGH净烟气入口参数烟气温度Ty3℃过剩空气系数αy3含尘量Ay3kg/Nm3氮气VN2.y3Nm3/kg煤氧气VO2.y3Nm3/kg煤三原子气体VRO2.y3Nm3/kg煤VRO2.y3=VCO2.y3+VSO2.y3CO2VCO2.y3Nm3/kg煤SO2VSO2.y3Nm3/kg煤水蒸汽(αy1)VH20.y3Nm3/kg煤总烟气量Vy3Nm3/kg煤Vy3=VN2.y3+VO2.y3+VCO2.y3+VSO2.y3+VH2O.y3烟气比热：Cy3kJ/m3℃Cy3=(CN2.y3VN2.y3+CO2.y3VO2.y3+CCO2.y3VCO2.y3+CSO2.y3VSO2.y3+CH2O.y3VH2O.y3)/(VN2.y3+VO2.y3+VCO2.y3+VSO2.y3+VH2O.y3)氮气CN2.y3kJ/m3℃CN2.y3=CN2(Ty3)氧气CO2.y3kJ/m3℃CO2.y3=CO2(Ty3)CO2CCO2.y3kJ/m3℃CCO2.y3=CCO2(Ty3)SO2CSO2.y3kJ/m3℃CSO2.y3=CSO2(Ty3)水蒸汽(αy1)CH20.y3kJ/m3℃CH20.y3=CH2O(Ty3)十三GGH净烟气出口参数烟气温度Ty4℃给定过剩空气系数αy4含尘量Ay4kg/Nm3氮气VN2.y4Nm3/kg煤氧气VO2.y4Nm3/kg煤三原子气体VRO2.y4Nm3/kg煤VRO2.y4=VCO2.y4+VSO2.y4CO2VCO2.y4Nm3/kg煤中国科协2005年学术年会11分会场暨中国电机工程学会2005年学术年会论文集7序号项目符号单位备注SO2VSO2.y4Nm3/kg煤水蒸汽(αy1)VH20.y4