[发明专利]一种适用于煤粉炉炉内干法脱硫的计算分析方法

权利要求书

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∑_rv_g,rR_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：

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：

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)；

第i层反应室内SO₂反应速率如下：

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)；

(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；

固相质量守恒方程为：

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·s)；

气相质量守恒方程为：

式中，x_g,i代表第i层气体g的体积分数，F_g,i代表第i层进料气体组分g的摩尔量，kmol/s，N_i代表第i层出口气体的摩尔流量，kmol/s，R_g,i代表第i层气体组分g的反应速率，kmol/(m³·s)；

能量守恒方程为：

式中，c_n,i代表第i层内组分n的浓度，kmol/m³，n包括气体组分和固体组分，C_pn,i代表第i层组分n的比热容，kJ/(kmol·K)，Q_h,in,i代表第i层进料的能量，kJ/s，Q_h,i代表第i层流向第i+1层的能量，kJ/s，Q_R,i代表第i层化学反应释放的能量，kJ/s，Q_ra,i代表第i层向相邻反应器和水冷壁的辐射传热的能量，kJ/s，Q_w,i代表第i层热损失能量，kJ/s；

(6)模型求解：采用编程或Matlab对微分方程组求解，输出炉内干法脱硫效率；

脱硫效率如下式：

式中，η_S代表脱硫效率，代表未加入脱硫剂模型出口SO₂在基准氧含量为6％时的浓度，mg/Nm³，代表加入脱硫剂后模型出口SO₂在基准氧含量为6％时的浓度，mg/Nm³。