一种适用于煤粉炉炉内干法脱硫的计算分析方法技术

一种适用于煤粉炉炉内干法脱硫的计算分析方法，涉及煤粉锅炉尾气净化。1)建立模型分区：根据工业级煤粉炉几何尺寸和计算精度，将煤粉炉自下而上分为n个串联反应室；2)模型中进料参数：煤质分析数据、进煤量、进风量、脱硫剂组分与Ca/S比，脱硫剂载气比、脱硫剂进料位置；3)建立炉内燃烧过程模型。将工业级空气分级燃烧煤粉炉模型与基于硫释放、碳酸钙分解与烧结、硫捕获三种涉及硫转化的模型结合，利用工业实际运行参数作为模型输入参数并将所建立的模型求解得出炉内干法脱硫的脱硫效率，利用该方法还可研究钙基脱硫剂组分、Ca/S比、炉内进料位置等对脱硫效果的影响，可为空气分级燃烧煤粉炉炉内脱硫设计提供参考依据。燃烧煤粉炉炉内脱硫设计提供参考依据。燃烧煤粉炉炉内脱硫设计提供参考依据。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于煤粉炉炉内干法脱硫的计算分析方法


[0001]本专利技术涉及煤粉锅炉尾气净化领域，尤其是涉及通过求解数学模型，获得运行参数改变对煤粉锅炉干法脱硫影响的一种适用于煤粉炉炉内干法脱硫的计算分析方法。

技术介绍

[0002]二氧化硫是大气主要污染物之一，随着国家环保标准提高，烟气中SO2的排放浓度需越来越低。炉内干法脱硫在炉内捕捉SO2，相对湿法脱硫，省去脱硫塔、喷雾干燥塔等大型设备，容易在现运行锅炉上应用。
[0003]炉内干法脱硫将钙基脱硫剂喷射到炉内某区域，通过快速煅烧生成CaO，随之与SO2、O2反应生成CaSO4。该反应属于复杂的高温快速非均相反应，其反应温度、SO2浓度、吸附剂组分、颗粒大小及新生CaO结构等均影响硫酸化反应过程。炉内高温区域会出现脱硫剂烧结和硫酸钙分解，影响整体脱硫效率。需要对干法脱硫过程中脱硫剂组分、Ca/S比及脱硫剂进料位置等参数进行优化设计。工业锅炉运行过程中调整干法脱硫的参数，可能给生产带来巨大的安全隐患和经济压力，而仿真模拟是一种高效、安全的替代工具。Suhas(Suhas K.Mahuli et al.Combined calcination,sintering and sulfation model for CaCO3‑
SO
2 reaction.AIChE J.,1999,45(2):367
‑
382.)等人基于晶粒
‑
亚晶粒概念，建立考虑伴随发生的煅烧、烧结和硫酸化反应的CaO单颗粒反应模型。本专利技术在此基础上结合煤粉炉内流动与应特性，建立煤粉炉内钙基脱硫过程的数学模型，实现不同脱硫剂组分、Ca/S比、脱硫剂进料位置等参数时脱硫效率的计算。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供通过求解微分方程组获得不同组分的脱硫剂、Ca/S比、炉内进料位置等对脱硫效率的影响，从而为煤粉炉内干法脱硫设计提供参考的一种适用于煤粉炉炉内干法脱硫的计算分析方法。
[0005]本专利技术包括以下步骤：
[0006](1)建立模型分区：根据工业级煤粉炉几何尺寸和计算精度，将煤粉炉自下而上分为n个串联反应室区域；
[0007](2)模型中进料参数：煤质分析数据、进煤量、进风量、脱硫剂组分与Ca/S比，脱硫剂载气比、脱硫剂进料位置；
[0008](3)建立炉内燃烧过程模型：炉内燃烧包括碳燃烧模型和气相燃烧；
[0009]其中，碳燃烧模型采用缩核模型，燃烧速率如下：
[0010][0011]式中：R
C,j,i
代表第j反应室进料煤中焦炭在第i反应室内的燃烧速率，kg/s，R
C,i
代表第i反应室内焦炭总燃烧速率，kg/s；
[0012]气相燃烧的燃烧速率如下：
[0013]R
g,i
＝n
i
∑
r
v
g,r
R
r,i
[0014]R
g,i
代表第i反应室内组分g反应速率，kmol/(m3·
s)，其中，g包括O2、N2、NH3、NO、CH4、C2H4、CO2、H2O、SO2、H2S、COS等11种物质，n
i
表示第i反应室内烟气的物质的量，kmol，v
g,r
代表组分g在化学反应r中的化学计量系数，R
r,i
代表第i小室内化学反应r的反应速率，1/(m3·
s)；
[0015](4)建立硫转化模型：炉内干法脱硫反应包括碳酸钙分解与烧结反应、氧化钙硫酸化反应、硫酸钙分解与还原反应；
[0016]碳酸钙分解的速率如下：
[0017][0018]式中，R
Ca,i
代表第i层反应室内碳酸钙分解速率，kg/(m3·
s)，k
Ca,i
代表第i层反应室内碳酸钙煅烧的速率常数，m/s，ρ
Ca
代表碳酸钙密度，kg/m3，代表第i层反应室内碳酸钙质量浓度，kg/m3，代表碳酸钙比表面积，m2/kg，P
e
代表碳酸钙平衡分解压力，kPa，代表第i层反应室内二氧化碳的分压，kPa；
[0019]氧化钙硫酸化反应的速率如下：
[0020][0021][0022]logr
G0,j
＝
‑
23.33+nlogT
g,i
[0023]式中，R
S1,j,i
代表第j层反应室进入或生成的氧化钙在第i层反应室中的反应速率，kmol/(m3·
s)，k
s
代表氧化钙硫酸化反应速率常数，m4/(kmol
·
s)，r
G,j,i
代表第j层反应室中进入或生成的氧化钙颗粒部分硫酸化后在第i层反应室中的半径，m，r
G0,j
代表第j层反应室中进入或生成的氧化钙颗粒的初始半径，m，c
CaO,i
代表第i层反应室中氧化钙的摩尔浓度，kmol/m3，代表第i层反应室中二氧化硫的浓度，kmol/m3，z代表硫酸钙与氧化钙的摩尔体积比，取3.09，r
c,j,i
代表第j层反应室进入或生成的氧化钙在第i层未反应的半径，m，n代表高温烧结影响，数值受碳酸钙种类影响；
[0024]硫酸钙分解与还原反应速率如下：
[0025][0026][0027]式中，R
S2,j,i
代表第j层反应室生成的硫酸钙在第i层的分解速率，kmol/(m3·
s)，R
S3,j,i
代表第j层反应室生成的硫酸钙在第i层的还原速率，kmol/(m3·
s)，代表第i层反应室内硫酸钙摩尔浓度，kmol/m3，k
d
代表硫酸钙分解反应速率常数，m/s，k
r
代表硫酸钙还原反应速率常数，m4/(kmol
·
s)；
[0028]第i层反应室内SO2反应速率如下：
[0029][0030]式中，代表第i层反应室内二氧化硫反应速率，kmol/(m3·
s)，R
S,i
代表第i层气相均相反应二氧化硫生成速率，kmol/(m3·
s)；
[0031](5)基本守恒方程组：根据全混流模型建立各反应室内的各组分的质量守恒与能量守恒微分方程组；
[0032]固相质量守恒方程为：
[0033][0034]式中，V
i
代表第i层反应室的体积，m3，c
s,j,i
代表第j层进入的固体s在第i层的质量浓度，kg/m3，其中，固体s表示焦炭、灰分、氧化钙、硫酸钙和碳酸钙，F
s,i
代表第i层进入固体s的质量，kg/s，Q
i
代表第i层出口的体积流量，m3/s；R
s,i
代表第i层固体s的反应速率，kg/(m3·
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于煤粉炉炉内干法脱硫的计算分析方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立模型分区：根据工业级煤粉炉几何尺寸和计算精度，将煤粉炉自下而上分为n个串联反应室；(2)模型中进料参数：煤质分析数据、进煤量、进风量、脱硫剂组分与Ca/S比，脱硫剂载气比、脱硫剂进料位置；(3)建立炉内燃烧过程模型：炉内燃烧包括碳燃烧模型和气相燃烧；其中，碳燃烧模型采用缩核模型，燃烧速率如下：式中：R
C,j,i
代表第j反应室进料煤中焦炭在第i反应室内的燃烧速率，kg/s，R
C,i
代表第i反应室内焦炭总燃烧速率，kg/s；气相燃烧的燃烧速率如下：R
g,i
＝n
i
∑
r
v
g,r
R
r,i
R
g,i
代表第i反应室内组分g反应速率，kmol/(m3·
s)，其中，g包括O2、N2、NH3、NO、CH4、C2H4、CO2、H2O、SO2、H2S、COS，n
i
表示第i反应室内烟气的物质的量，kmol，v
g,r
代表组分g在化学反应r中的化学计量系数，R
r,i
代表第i小室内化学反应r的反应速率，1/(m3·
s)；(4)建立硫转化模型：炉内干法脱硫反应包括碳酸钙分解与烧结反应、氧化钙硫酸化反应、硫酸钙分解与还原反应；碳酸钙分解的速率如下：式中，R
Ca,i
代表第i层反应室内碳酸钙分解速率，kg/(m3·
s)，k
Ca,i
代表第i层反应室内碳酸钙煅烧的速率常数，m/s，ρ
Ca
代表碳酸钙密度，kg/m3，代表第i层反应室内碳酸钙质量浓度，kg/m3，代表碳酸钙比表面积，m2/kg，P
e
代表碳酸钙平衡分解压力，kPa，代表第i层反应室内二氧化碳的分压，kPa；氧化钙硫酸化反应的速率如下：氧化钙硫酸化反应的速率如下：logr
G0,j
＝
‑
23.33+nlogT
g,i
式中，R
S1,j,i
代表第j层反应室进入或生成的氧化钙在第i层反应室中的反应速率，kmol/(m3·
s)，k
s
代表氧化钙硫酸化反应速率常数，m4/(kmol
·
s)，r
G,j,i
代表第j层反应室中进入或生成的氧化钙颗粒部分硫酸化后在第i层反应室中的半径，m，r
G0,j
代表第j层反应室中进入或生成的氧化钙颗粒的初始半径，m，c
CaO,i
代表第i层反应室中氧化钙的摩尔浓度，kmol/m3，代表第i层反应室中二氧化硫的浓度，kmol/m3，z代表硫酸钙与氧化钙的摩尔体积比，取3.09，r
c,j,i
代表第j层反应室进入或生成的氧化钙在第i层未反应的半径，m，n代表高温烧结影响，数值受碳酸钙种类影响；
硫酸钙分解与还原反应速率如下：硫酸钙分解与还原反应速率如下：式中，R
S2,j,i
代表第j层反应室生成的硫酸钙在第i层的分解...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华，李豪，曹志凯，车黎明，吴雪娥，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：