李 星　 楊艷玲　　　　　　　　　 李 磊
　　　(哈爾濱建筑大學(xué))　　　　　　 （哈爾濱理工大學(xué)）

　　摘　要：脫硫劑石灰石的反應(yīng)活性對(duì)流化床燃煤鍋爐的脫硫效果影響很大。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用動(dòng)力學(xué)方法，通過(guò)測(cè)定固態(tài)CaO的硫酸鹽化程度來(lái)推斷石灰石的反應(yīng)活性。但這在石灰石中含有許多其它雜質(zhì)成分時(shí)是不夠全面的，因?yàn)檫@些雜質(zhì)成分對(duì)石灰石的脫硫反應(yīng)活性影響很大，不能忽視。
　　本文通過(guò)測(cè)定流化床入口和出口的SO₂濃度變化來(lái)判斷加入床中的石灰石樣品的反應(yīng)活性。由于凡是能引起SO₂濃度變化的物質(zhì)都與石灰石的反應(yīng)活性有關(guān)，從而克服了原有方法僅考慮CaO重量變化的片面性。
　　本文也采用了動(dòng)力學(xué)方法建立了石灰石反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并利用線性化方法對(duì)其反應(yīng)速率常數(shù)K進(jìn)行了線性估計(jì)，建立了石灰石化學(xué)成分與活性關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。
　　關(guān)鍵詞：石灰石，脫硫，反應(yīng)活性，動(dòng)力學(xué)模型。

Study of Desulphurization Reaction Activity of Limestone
Li Xing^★, Yang Yan-Ling^★ Li Lei^※
（^★Harbin University of Architectural and Civil Engineering）
（^※Harbin University of Science and Engineering）

　　ABSTRACT：The reaction activity of desulphurizer limestone has a great effect on the desulphurization result of fluidized bed coal-burning boilers. Now the method of dynamics is used in normal applications by measuring the sulphation degree of the solid calcium oxide to infer the reaction activity of limestone. But it is not enough on condition that there is much type of impurity composition within the limestone, which has considerable influence on the desulphurization reaction activity of limestone.
　　The change of sulfur dioxide concentration of inlet and outlet of the fluidized bed is measured to determine the reaction activity of limestone samples in the bed in this article. Because the material which will lead to the change of sulfur dioxide concentration has a relation to the reaction activity of limestone, therefore, this method overcomes the one—sidedness of the method above, which only considers the weight change of calcium oxide. The method of dynamics is applied to establish the dynamic model of limestone reaction, and linearization method is employed to make linear estimates of reaction rate constant K so that the mathematical model between chemical composition and activity of limestone is built up.
　　Key words: limestone; desulphurization; reaction activity; dynamic model.

　 　　向流化床鍋爐的燃燒區(qū)加入石灰石，首先發(fā)生的是石灰石的高溫分解，分解產(chǎn)物為CaO。CaO顆粒在O₂過(guò)量條件下，與SO₂發(fā)生硫化反應(yīng)，生成CaSO₄，即：

　　　　　　　CaO+SO₂+1/2O₂=CaSO₄+486kj/mol 　　　　　 　　　　　　　　　　(1)

　 　　石灰石的反應(yīng)活性對(duì)反應(yīng)式(1)的反應(yīng)程度影響很大。因此，國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作^[1~3]，實(shí)驗(yàn)主要采用熱重分析(TGA)法，測(cè)定的對(duì)象一般為CaO的硫酸鹽化程度，并以此為基礎(chǔ)研究石灰石的脫硫反應(yīng)活性。由于該方法的測(cè)定對(duì)象為固態(tài)，故簡(jiǎn)稱之為“固測(cè)法”。但是，用固測(cè)法研究石灰石的活性，有時(shí)存在較大的偏差。TGA法的吸硫曲線的增重趨勢(shì)總是被認(rèn)為是按反應(yīng)式(1)中CaO吸收SO₂和O₂生成CaSO₄所造成。而實(shí)際上，石灰石中除了主要成分CaCO₃外，還含有許多其它雜質(zhì)成分。一些雜質(zhì)成分經(jīng)高溫分解后產(chǎn)生的一些堿性氧化物同樣也能與SO₂和O₂反應(yīng)生成硫酸鹽。另外一些雜質(zhì)成分還會(huì)生成一些復(fù)雜的復(fù)合物，從而間接地影響反應(yīng)(1)的進(jìn)行，這些情況都會(huì)給熱重分析帶來(lái)不可避免的誤差，而也影響了石灰石活性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
　　本文的研究方法是將測(cè)定對(duì)象由TGA法的固測(cè)改為對(duì)SO₂的氣測(cè)。在流化床脫硫模擬試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)監(jiān)測(cè)SO₂濃度的變化研究石灰石的反應(yīng)活性。在特定的工況條件下，SO₂在通過(guò)吸硫劑石灰石時(shí)濃度變化可以認(rèn)為是由于石灰石固有特性所引起的，它體現(xiàn)了石灰石總體吸硫效果，這樣就避免了由于僅僅考慮CaO的轉(zhuǎn)化而忽略了其它雜質(zhì)成分影響帶來(lái)的活性數(shù)值的偏差。本文將以流化床典型運(yùn)行溫度850℃下的反應(yīng)速度常數(shù)作為石灰石脫硫活性的指標(biāo)。

1.材料與方法

　　試驗(yàn)采用流化床反應(yīng)器模擬法。全部試驗(yàn)在石灰石脫硫反應(yīng)活性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，圖1為試驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖。N₂、CO₂和SO₂經(jīng)流量計(jì)A進(jìn)入氣體混合器B，在a點(diǎn)用MIS-2000煙道氣體分析儀E對(duì)混合氣體的SO₂初始濃度進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)SO₂流經(jīng)a點(diǎn)進(jìn)入反應(yīng)器C時(shí)，脫硫反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行。每間隔10min在b點(diǎn)用氣體分析儀E對(duì)SO₂的濃度進(jìn)行一次測(cè)定，直到SO₂的濃度不再改變時(shí)為止，此時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。為了模擬流化床的實(shí)際工況，石灰石的熱解與脫硫在反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行(這與TGA法不同)，反應(yīng)溫度設(shè)置為流化床典型運(yùn)行溫度850℃。

2.動(dòng)力學(xué)模型的建立

　　反應(yīng)式(1)的速度公式為：

　　　　　　　　　　　r=-dC_A/dt=KC^X_AC^Y_B　　　　　　　　　　　　　 (2)

　　式中，r為脫硫反應(yīng)速度；t為反應(yīng)時(shí)間；C_A為t時(shí)刻的SO₂濃度；C_B為t時(shí)刻的O₂濃度；x和y分別為SO₂和O₂的表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)。Lee^[4]等人研究石灰石在流化床中與SO₂的反應(yīng)物性時(shí)指出：因?yàn)榉磻?yīng)是在氧過(guò)量的條件下進(jìn)行的，所以固硫化反應(yīng)對(duì)于 SO₂是一級(jí)反應(yīng)，而對(duì)于O₂是零級(jí)反應(yīng)。于是，根據(jù)這一結(jié)論可將(2)式簡(jiǎn)化為：

　　　　　　　　　　　　　r=-dC_A/dt=KC_A 　　　　　　　　　　　　　 (3)

　　采用積分法，將(3)式移項(xiàng)積分：

　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 (4)

　　當(dāng)t=0時(shí)，SO₂的濃度為C₀，當(dāng)t=t時(shí)，SO₂的濃度為C₀。對(duì)(4)式積分后即得到：

_C=C0exp(-Kt) 　　　　　　　　　　　　　　 (5)

3.石灰石脫硫反應(yīng)活性的求取

　　將(5)式兩邊取對(duì)數(shù)，得

_lnC=lnC0-Kt　　　　　　　　　　　　　　 (6)

　　(6)式可轉(zhuǎn)換為：

　　　　　 　　　　　Y=b+aX 　　　　　　　　　　　　　　　(7)

　 由式(7)可見(jiàn)，變量X與Y之間成線性關(guān)系。因此，可以線性回歸確定參數(shù)a、b及線性相關(guān)系數(shù)R。使用ppp-60程序上機(jī)運(yùn)算，得到的結(jié)果列于表1。
　　由表1可見(jiàn)，線性相關(guān)系數(shù)在0.95以上，查t分布的ta值表，t0.0005=-5.405。表1中所有的t檢驗(yàn)值均小于－5.405，說(shuō)明有1－α=1－0.0005=99.95％的把握拒絕μ=0的零假設(shè)^[5]。

表1 運(yùn)算結(jié)果

序號(hào)

回歸式=b+ax

反應(yīng)速度常數(shù)K
(850℃)

相關(guān)系數(shù)R

t檢驗(yàn)值

1

=8.000－1.794×10^-2 x

1.794× _10^-2

0.9712

-9.990

2

=7.886－1.374× _10^-2 x

1.374× _10^-2

0.9506

-7.505

3

=7.968－8.843× _10^-2 x

8.843× _10^-2

0.9960

-27.42

4

=7.807－1.794× _10^-2 x

1.794× _10^-2

0.9764

-11.08

5

=7.912－1.409× _10^-2 x

1.409× _10^-2

0.9936

-21.63

6

=7.884－1.708× _10^-2 x

1.708× _10^-2

0.9885

-16.03

7

=7.849－7.160× _10^-2 x

7.160× _10^-2

0.9644

-8.935

8

=7.792－1.795× _10^-2 x

1.795× _10^-2

0.9794

-11.89

9

=7.879－1.519× _10^-2 x

1.519× _10^-2

0.9891

-16.48

10

=7.778－1.665× _10^-2 x

1.665× _10^-2

0.9837

-13.38

11

=7.752－1.808× _10^-2 x

1.808× _10^-2

0.9864

-14.70

12

=7.857－1.022×_10^-2 x

1.022× _10^-2

0.9708

-9.905

13

=7.857－1.431× _10^-2 x

1.431× _10^-2

0.9831

-13.15

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表1 運(yùn)算結(jié)果　　　　　　　　　　　 續(xù)表

序號(hào)

回歸式=b+ax

反應(yīng)速度常數(shù)K(850℃)

相關(guān)系數(shù)R

t檢驗(yàn)值

14

=7.794－2.001× _10^-2 x

2.001× _10^-2

0.9816

-15.43

15

=7.777－2.048× _10^-2 x

2.048× _10^-2

0.9833

-13.23

16

=7.783－1.677× _10^-2 x

1.677× _10^-2

0.9760

-10.96

17

=7.868－1.510× _10^-2 x

1.510× _10^-2

0.9788

-11.71

18

=7.788－1.788× _10^-2 x

1.788× _10^-2

0.9714

-10.02

19

=7.900－1.811× _10^-2 x

1.811× _10^-2

0.9761

-11.01

20

=7.844－1.749× _10^-2 x

1.749× _10^-2

0.9790

-11.76

4.石灰石化學(xué)成分與活性關(guān)系

　　以反應(yīng)活性k作為因變量，化學(xué)成分為自變量，建立多元線性回歸方程。為了保證方程的穩(wěn)定性，采用逐步回歸分析法^[6]將一些次要成分給予剔除，最后得到回歸方程為：

 　　　　 (8)

　　復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.9722，殘差平方和Q=1.275×10^-5，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=9.544×10^-4，F(xiàn)檢驗(yàn)值F=80.48?？梢?jiàn)，方程(8)的回歸擬合優(yōu)度較高。

5.結(jié)論

　　1．采用氣測(cè)法獲得的石灰石脫硫反應(yīng)速率常數(shù)K，可以全面地反映石灰石脫硫能力，避免了固測(cè)法由于石灰石雜質(zhì)造成的誤差。
　　2．由式(8)可知，石灰石的反應(yīng)活性與雜質(zhì)成分有一定的數(shù)量關(guān)系。值得注意的是[MgCO₃]在方程中對(duì)k具有負(fù)效應(yīng)，這似乎有些不可思議，這是因?yàn)閇MgCO₃]的分解產(chǎn)物MgO的反應(yīng)活性與壓力有關(guān)。MgO由于在常壓下與SO₂的反應(yīng)非常之慢，可視為惰性，所以MgCO₃一般在增壓流化床內(nèi)才具有良好的脫硫作用。
　　3．利用式(8)可對(duì)石灰石的反應(yīng)活性進(jìn)預(yù)測(cè)，例如：當(dāng)[CaO]=50%，[MgCO₃]=6.2%，[SiO₂]=3.42%，[Fe₂O₃]=0.08%，[Al₂O₃]=0.2%時(shí)，可求得K=1.763×10^-2。

參考文獻(xiàn)

　　1. Dennis J.S. and Hayhurst A.N.,“A Simplified Analytical Model for the Rate of Reaction of SO₂ with Limestone Particles”, Chemical Engineering Science, 1986, 41:25～36.
　　2. James R.H. et al. “Testing of Limestone Sample from the TVA Region as Sulfur Dioxide Sorbent in AFBC”, Institute for Miningang Minerals and Research Kentucky Center for Energy, Research Laboratory and Tennessee, Valley Authority, 1984.
　　3. 國(guó)家環(huán)保局，“大氣污染防治技術(shù)研究”。北京科學(xué)出版社，1993，370～373.
　　4. Lee D.C., et al. “A Single Particle Size Model for Sulfur Retention in Fluidized Bed Coal Combustors”. AICHEJ, 1981, 27: 472～480.
　　5. 中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所，“回歸分析方法”。北京:科學(xué)出版社，1974，29～32.
　　6. 邢英等，“經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)測(cè)”。北京:清華大學(xué)出版社1982，109～119.

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　　注：原刊于《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》，1998年，第1期。