陈鸿伟，梁占伟，祁海波，韩 亮

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003)

0 引言

CO2排放带来的温室效应等全球性环境问题受到越来越多的关注，化石燃料电厂是CO2的一个集中排放源，因此富氧燃烧、氨基吸收剂吸收CO2及双流化床钙基吸收剂吸收CO2等CO2排放控制技术的研究成为热门话题。双流化床钙基吸收剂吸收CO2综合双流化床通过物料内外循环使物质与能量传输及碳化与煅烧反应率最大化和钙基吸收CO2经济性的特点［1］，相对于富氧燃烧和氨基吸收剂吸收CO2技术降低电厂效率8%～12%［2］，该技术仅使电厂效率降低 4% ～6%［3］，被认为是高效经济的CO2排放控制技术。双流化床钙基吸收剂吸收CO2相关文献中CaO对CO2吸收率及影响因素的成熟研究［4～7］，为双流化床能量平衡及各可变参量对能量平衡影响研究奠定基础。本文针对双流化床建立并耦合计算碳化炉与煅烧炉的物质与能量平衡关系式，分析了其能量平衡及钙碳摩尔比、碳化炉飞灰份额、分离器效率等可变参量对能量变化影响，为碳化炉和煅烧炉的结构设计与运行优化提供参考。

1 双流化床系统工作原理

双流化床主体由碳化炉和煅烧炉组成，碳化炉内CaO吸收CO2生成CaCO3，生成的CaCO3经其分离器分离后进入煅烧炉;在煅烧炉内CaCO3煅烧放出CO2生成CaO经其分离器分离后返回碳化炉。电厂排烟由烟气进口进入碳化炉与碳化炉返料口进入的CaO反应脱去CO2，经旋风分离器后的烟气为无CO2烟气;碳化炉下面设置有排渣口，排出老化物料。煅烧炉煅烧CaCO3产生的高浓度CO2烟气，经CO2分离设备收集CO2;煅烧炉设有给煤口、CO2/O2进口和石灰石给入口;再循环烟气由加热器引出和氧气进入混合式加热器后供入煅烧炉。加热器内布置饱和水加热器和过热器，加热器产生的过热蒸汽用于发电设备。双流化床系统示意图如图1所示。

双流化床的碳化吸收CO2和煅烧放出CO2反应方程式为

钙基吸收SO2的反应方程式为

图1 双流化床系统示意图Fig.1 Schematic of system of dual fluidized beds

2 双流化床质能平衡关系式

双流化床物质与能量平衡计算应用某电厂300 MW锅炉的设计煤种，设计煤种的元素分析见表1。双流化床技术参数见表2。

表1 燃煤元素分析Tab.1 Analysis of the coal element

表2 双流化床技术参数Tab.2 Technical parameters of dual fluidized beds

2.1 碳化炉质能平衡关系式

电厂排烟进入碳化炉后，CO2与初始床存量(Mtbed')和碳化炉返料(Mtr)中的CaO反应生成Ca－CO3;本文应用文献［6］试验得到的CO2吸收率随钙碳摩尔比变化的结果，计算碳化炉内CO2吸收率，该结果与文献［7］建模模拟CO2吸收率的结果一致，其中考虑了CaO转化率衰减、床存量、石灰石给入量等对CO2吸收率的影响。认为CaO粒径在合理范围内，不考虑粒径对碳酸化的影响;进入碳化炉的物料以碳化炉飞灰和排渣的形式维持碳化炉的床存量基本不变。碳化炉物料平衡关系式:

式中:Mtbed'为初始床存量，kg;Mtr为碳化炉返料量，kg;MCO2为电厂排烟中 CO2质量，kg;ηCO2为 CO2吸收率，%;Mash为电厂排烟中灰分质量，kg;Mtbed″为反应后床存量，kg;Mtd为碳化炉排渣量，kg;Mtf为碳化炉飞灰量(碳化炉物料飞离碳化炉炉膛的质量)，kg。

碳化炉烟气平衡关系式:

式中:Vtin为电厂排烟进入碳化炉的体积，Nm3/kg;Vtout为碳化炉排出烟气体积，Nm3;VCO2为1kg燃煤燃烧产生的CO2体积，Nm3/kg。

碳化炉能量平衡关系式:

式中:Qtr为碳化炉返料带入的热量，kJ;Qta为碳化炉内CaO吸收CO2放热量，kJ;Qtin为电厂排烟带入碳化炉热量，kJ/kg;Qtx为碳化炉水冷壁吸热量，kJ;Qtd为碳化炉排渣带出的热量，kJ;Qtout为碳化炉排烟带出的热量，kJ;Qtf为碳化炉飞灰带出热量，kJ。

2.2 煅烧炉质能平衡关系式

假设煅烧炉返料和给入石灰石中的CaCO3全部煅烧为CaO;煅烧炉燃煤生成的SO2与CaO反应生成CaSO4组成床料，不考虑SO2对CaO碳化反应的影响;碳化炉排渣和飞离分离器损失的CaO和CaCO3由煅烧炉给入石灰石补充;煅烧炉返料和给入石灰石经煅烧后以煅烧炉飞灰的形式经其分离器分离后进入碳化炉，煅烧炉床存量基本保持不变。煅烧炉物料平衡关系式:

式中:Mdbed'为煅烧炉的初始床存量，kg;Mdr为煅烧炉返料质量，kg;Mdl为煅烧炉给入石灰石质量，kg;Mdash为煅烧炉给煤燃烧后灰的质量，kg;Mdbed″为煅烧后的煅烧炉床存量，kg;Mdf为煅烧炉飞灰量(煅烧炉物料飞离煅烧炉炉膛质量)，kg;MdCO2为煅烧给入石灰石生成CO2质量，kg。

煅烧炉烟气平衡关系式:

式中:VCO2/O2为煅烧炉1kg给煤供入CO2/O2体积，Nm3;VO2为1kg给煤所需氧的体积，Nm3;Vg为1kg燃煤燃烧产生的烟气体积，Nm3/kg;B为煅烧炉燃煤量，kg;VCO2·ηCO2为煅烧碳化炉内反应生成的CaCO3放出的CO2体积，Nm3;VdCO2为煅烧给入石灰石生成的CO2体积，Nm3;Vdout为煅烧炉排出烟气体积，Nm3。

由表1知煅烧炉给煤在CO2/O2气氛燃烧后的成分主要是CO2、灰分和水蒸气，煅烧炉内CO2体积分数大于95%，且CO2的焓值比其他气体大，因此再循环烟气的热量按CO2计算;煅烧炉能量平衡关系式:

式中:Qm=Qnet.ar·B为煅烧炉燃煤放热量，kJ;QCO2/O2为煅烧炉供入CO2/O2带入的热量，kJ;Qdl为煅烧炉给入石灰石带入的热量，kJ;Qdr为煅烧炉返料带入的热量，kJ;Qdout为煅烧炉排烟带出的热量，kJ;Qdf为煅烧炉飞灰带出的热量，kJ;Qda为煅烧炉煅烧CaCO3吸热量，kJ。

3 结果与分析

本文应用C语言计算基于双流化床质能平衡建立的碳化炉与煅烧炉的质能平衡关系式，计算流程图如图2所示，输入钙碳摩尔比(mc)、分离器效率(x10)及碳化炉飞灰份额(碳化炉物料飞离碳化炉炉膛的质量分数x3)等参数，先假定一个煅烧炉燃煤量(B);首先，依据1kg燃煤烟气体积及钙碳摩尔比计算碳化炉内反应前物料量(Mtr)与反应后物料量(Mtf);其次，计算煅烧炉物质与能量平衡关系式，进行反复迭代式(8)，直到收敛输出计算结果。计算结果与折算后文献结果的比较如表3所示，计算结果合理。

图2 双流化床计算流程图Fig.2 The calculating framework of dual fluidized beds

表3 计算结果与文献结果比较Tab.3 The check of the calculation against the references result

3.1 可变参量对碳化炉内能量影响

碳化炉内水冷壁吸热量在三种工况下随钙碳摩尔比变化情况如图3所示。水冷壁吸热量随钙碳摩尔比的增加而增加，主要是由于随着钙碳摩尔比的增加碳化炉返料量增加使其在碳化炉内放热量增加和CO2吸收率增加使CO2和CaO反应放热量增加。由图3可知，碳化炉飞灰份额和分离器效率对水冷壁吸热量的影响很小，碳化炉内钙碳摩尔比决定了碳化炉返料量及CO2吸收率，进而影响返料放热量和CO2与CaO反应放热量，碳化炉飞灰份额和分离器效率对碳化炉返料量及CO2吸收率影响很小，所以三种工况下碳化炉水冷壁吸热量相差很小。

图3 可变参量对碳化炉水冷壁吸热量的影响Fig.3 Effect of adjustable variables on absorbed heat of carbonator water wall

3.2 可变参量对煅烧炉内能量影响

煅烧炉内能量在三种工况下随钙碳摩尔比的变化情况如图4～6所示。如图4所示，煅烧炉燃煤放热量随着钙碳摩尔比的增加而增加;相同钙碳摩尔比时，其随着碳化炉飞灰份额和分离器效率增加而减小;一方面由于双流化床内循环物料量增加，另一方面煅烧炉煅烧碳酸钙吸热量增加，致使煅烧炉燃煤量增加。相同的钙碳摩尔比时，煅烧炉返料吸热量在三种工况下变化很小(图5)，煅烧碳酸钙吸热量随着碳化炉飞灰份额和分离器效率增加而减小(图6)，因此相同的钙碳摩尔比时，煅烧碳酸钙吸热量是影响煅烧炉燃煤放热量的主要因素。

图4 可变参量对煅烧炉燃煤放热量的影响Fig.4 Effect of adjustable variables on coal heat release of calciner

图5为煅烧炉返料吸热量变化情况，其随着钙碳摩尔比的增加而增加，相同的钙碳摩尔比时，在x3=0.99，x10=0.99工况下煅烧炉返料吸热量略大于 x3=0.99，x10=0.95 与 x3=0.95，x10=0.99 两种工况，而 x3=0.99，x10=0.95 与 x3=0.95，x10=0.99两种工况几乎相等，可知碳化炉飞灰份额与飞离器效率对煅烧炉返料量及返料吸热量影响较小。

图5 可变参量对煅烧炉返料吸热量的影响Fig.5 Effect of adjustable variables on absorbed heat of calciner circulation rate

图6为煅烧炉内煅烧碳酸钙吸热量变化情况，其随着钙碳摩尔比的增加而增加;随着钙碳摩尔比增加，CO2吸收率和煅烧炉给入CaCO3增加使其增加;煅烧炉给入CaCO3是为了满足钙碳摩尔比和补充由于碳化炉飞灰份额与分离器效率降低而损失的CaCO3及CaO。相同的钙碳摩尔比时，其随着碳化炉飞灰份额和分离器效率降低而增加;主要是由于碳化炉飞灰份额及分离器效率降低使碳化炉返回煅烧炉的CaCO3及CaO减少，因此煅烧炉给入CaCO3增加使煅烧碳酸钙吸热量增加。

图6 可变参量对煅烧碳酸钙吸热量的影响Fig.6 Effect of adjustable variables on absorbed heat of calcined calcium carbonate

4 结论

基于双流化床物质与能量平衡建立并耦合计算碳化炉与煅烧炉的物质与能量平衡关系式，得出碳化炉飞灰份额、钙碳摩尔比、分离器效率等可变参量对双流化床能量平衡的影响:

(1)碳化炉水冷壁吸热量在三种工况下随钙碳摩尔比的增加而增加，相同的钙碳摩尔比时三种工况下其相差很小。

(2)煅烧炉燃煤放热量随着钙碳摩尔比的增加而增加，相同钙碳摩尔比时，其随着碳化炉飞灰份额和分离器效率增加而减小;煅烧炉返料吸热量在相同的钙碳摩尔比时，三种工况下其变化很小;煅烧碳酸钙吸热量在相同的钙碳摩尔比时，其随着碳化炉飞灰份额和分离器效率降低而增加;在工况x3=0.99，x10=0.95 和 x3=0.95，x10=0.99 时增加的煅烧炉燃煤放热量主要是由于煅烧碳酸钙吸热量增加引起的。

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