SCR烟气脱硝系统物料能量平衡模拟与辅助设计.pdf

SCR 烟气脱硝系统物料能量平衡模拟与辅助设计 ＊ 杜云贵 吴其荣 重庆大学资源与环境科学学院, 重庆 400045 余 宇 中电投远达环保工程有限公司, 重庆 400060 摘要 SCR selective catalyst reduction 选择性催化还原法 脱硝技术是火电厂烟气脱硝技术的主流技术之一, 其物料平 衡的计算是指导实践及进行工艺设计的重要手段。 根据 SCR 烟气脱硝的技术原理 , 结合工程实践经验 , 开发了 SCR 烟气脱硝物料平衡程序, 对 SCR系统的主要工艺参数进行了模拟计算, 并开发了各设备的辅助设计功能。 关键词 烟气脱硝 SCR 物料平衡 程序设计 辅助设计 ＊科技部国家支撑计划项目 2007BAC204B00 。 0 引言 SCR selective catalyst reduction 选择性催化还原 法 烟气脱硝是目前应用最为广泛的烟气脱硝技术之 一 [ 1- 2] 。SCR烟气脱硝系统的物料平衡计算是SCR系 统设计的重要组成部分, 是系统控制、各设备选型及 催化剂选型的前提和依据 。一般 SCR 的系统由供氨 和催化反应器 2 个子系统组成 ,包括 5 个基本环节 氨的输送和贮存 ; 氨的蒸发气化; 氨 - 空气混合稀释; 氨空气混合气与烟气混合 ,在催化剂的作用下进行还 原反应 [ 3] 。各个环节都涉及物料及能量的转移和传 递,但其涉及到的繁杂的计算 ,费时费力 ,容易出错。 基于此 ,开发本物料平衡程序, 模拟烟气脱硝过程中 的物料平衡,为设计和工程应用提供源数据和参考 。 1 设计原理 目前主要是通过氨气及其衍生物 如氨水和尿 素 与氮氧化物的反应来达到去除氮氧化物的目的。 其主要反应式为 4NH3 4NO O24N2 6H2O 8NH3 6NO27N212H2O [ 4] 此外还有一些其他的副反应, 但工程上一般为了计算 方便只采用上述反应方程式, 本程序开发过程中即采 用上述反应机理来进行物料平衡模拟。 设计中,根据此反应可以初步确定需氨量及逃逸 率,从而根据物料平衡计算出反应中所需的其他物质 的量及其焓值, 从而再确定各工艺设备的选型 。程序 采用了面向对象的设计方法, 由主程序单元和各子设 备程序单元组成 ,主程序中先创建烟气的组成和空气 的组成等基类, 并对类中的各个成员函数进行封装, 从而在此基础上派生出各关键节点处的新类 ,对每个 类中的成员变量定义其方法和函数 ,其他各子设备程 序单元通过函数之间的相互引用来获得源数据 [ 5] 。 2 物料平衡模拟 2. 1 烟气量 各节点的烟气量 Q 会随着各节点的温度和压力 的变化而变化, 根据理想气体状态方程可建立如下烟 气量变化模型 Q2P1 Q1ΔQ 273 T2 P2 273 T1 QdryQ2 1 -η H2O QmQ11 440 P R 273 T [ 6] 式中 Q1, Q2 实际烟气流量 ,m 3 h ; Qdry 干烟气流量,m 3 h; P1, P2 两节点的压力 ,Pa ; T1, T2 两节点的温度 , ℃; ΔQ 注入的新鲜空气量,m 3 h; ηH2O 烟气中水的体积分数 ; R 常数 ; Qm 质量流量,g h。 2. 2 需氨量 SCR反应的需氨量是由氮氧化物消耗量来确定 的。实际工程中用 NO2的式量来表示 NOx的式量, 由此需对NO 和 NO2分别计算其需氨量。由反应机 理可得 C NOC NOXγM NO M NO2 C NO2C NOX 1 -γ 需氨量 [ C NO-C NO′ C NO2 -C NO2′ 8 6 C HCl ] 1 λ η NOX 式中 C NOX 烟气中氮氧化物的浓度,mg m 3 ; C NO 、C NO′ 入口和出口 NO 的质量 35 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 浓度 ,mg m 3 ; C NO2 、C NO2′ 入口和出口的 NO2质 量浓度 ,mg m 3 ; C HCl 烟气中 HCl 的含量,mg m 3 ; M NO 、M NO2 NO 和 NO2的物质的摩 尔质量,g mol ; γ 烟气中 NO 质量分数 ; λ 氨的过量系数; ηNOX NOX的去除率 。 2. 3 空气量 氨的喷入需要掺入空气量 ,空气量的大小需要根 据消耗氨的量来确定 。 Q空气需氨量 Υ22. 4 式中 Υ 喷入气体中氨的体积分数。 2. 4 焓值的模拟 焓值是各加热设备及选型的主要参数,但其计算 过程较为复杂, 一般通过查焓值图所得 , 本程序由于 压力和温度都在一定的范围内 ,所以拟合了适合火电 厂SCR烟气脱硝系统的焓值表达式。针对不同的烟 气成分由文献资料 [ 7-10] 并通过线性回归分析可拟合 出其经验模型如下 对于 4、 5、 6 节点 ,其焓值QmT 4. 186 对于 7、8 节点, 其焓值 QmT 4. 186 2 427. 88Qm′ 对于其他节点, 其经验模型为 焓值 Qm 0. 25371. 9827 4. 186T 580 Qm-Qmdry 4. 186 式中 Qm 质量流量,g h; Qm′ 纯氨水的质量流量,g h; T 温度 , ℃; Qmdry 干质量流量 ,g h。 实验设计中 ,需对此公式根据各节点的温度和压 力再作进一步的调整 。 2. 5 烟气组分 对于烟气中各组分的含量会随着节点和节点参 数的不同而出现变化 ,对第 i 个节点处各物质的体积 分数为 ηi Mi- 1ΔMi ∑ Mi- 1ΔMi 式中 Mi -1 第 i -1 个节点处物质的摩尔质量, g mol ; ΔMi 新生成的物质的摩尔质量 ,g mol 。 2. 6 物料平衡模拟 模拟过程中 ,通过循环叠加法对每个节点的物料 及能量状态进行模拟 TNOTEnTNOTE1∑ n i 2 Δ TNOTEi [ 11] 式中 TNOTEn 第 n 个节点处的物料状态 ; TNOTE1 第1 个节点处的物料状态; Δ TNOTEi 第 i 个节点与上一个节点的物料 变化状态 。 3 软件设计与组成 本软件采用的火电厂 SCR 烟气脱硝系统流程如 图1 所示。 图 1 火电厂SCR 烟气脱硝流程 程序由输入界面 ,输出界面和数据流表 见图 2 组成 ,此外菜单栏有各设备的参数列表及其辅助设计 功能菜单。 输入窗口主要有原烟气的组成 ,空气组成, 脱硝 的控制参数 ,以及考虑当还原剂为氨水和尿素时其组 成参数 ,以及一些附属设备的参数, 其中各节点的温 度和压力由流程图窗口输入。 数据表中的数据流是针对从基类节点派生出的 新节点进行控制的, 根据各个节点的压力和温度以及 组分的变化情况来确定新节点的各参数 ,同时对每个 节点内的参数进行封装 ,封装的参数 TNOTE { 烟气 量、 干烟气量、 干烟气量 ref . O2 、 实际烟气流量、 实际 干烟气流量 、 温度 、 压力、焓值、 N2体积、 O2体积、 H2O 体积、 CO2体积 、 Ar 体积 、 NH3体积、 N2H4CO 体积 、 SO2 浓度、 SO3浓度 、 HF 浓度、 HCl 浓度 、 NOX浓度、 NH3浓 度、 灰尘浓度} ; 每个节点之间的数据流通过控制类之 间的相互调用来生成 ,数据流主要包括的节点如图 1 所示, 有 1～ 15号节点 ,分别是{ SCR反应器入口 、 SCR 反应器 、 SCR反应器出口 、反应物贮罐、供氨泵、供氨 阀、 供氨系统、 供氨调节阀 、 空气入口 、 空气稀释风机, 36 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 图2 SCR 烟气脱硝的物料平衡数据表 1～ 4 号节点 空气加热器、 氨 - 空气混合器 、 附属加热设备 1 入口, 附属加热设备 1 出口、附属加热设备 2 入口 ,附属加 热设备2 出口} 。这样通过封装 ,派生和继承, 并根据 物料及能量计算平衡原理就可以对每个节点的物质 表征及能量大小计算出来 , 从而模拟出了 SCR 烟气 脱硝系统内的各个节点处的参数, 为工程实践和系统 设计提供参考源数据 [ 12] 。 4 设备辅助设计 通过节点的控制模拟 ,得出了各节点处的主要参 数,通过函数在单元内传递到各设备模块 ,并根据辅 助设备设计原理可以得出各设备的主要参数 ,从而为 设备选型提供参考。辅助设计的主要设备包括如下 { 反应物贮罐、 供氨泵 ,稀释风机、 空气加热器 、 供氨系 统、 氨 - 空气混合器、氨注入泵 、催化剂 、烟气混合器 和附属设备} 其中附属设备包括{ 卸料泵 、 氨储藏罐、 氨储罐抽空泵、快速循环阀 、 声波吹灰器、吹灰器、卸 氨压缩、 蒸汽、 加热设备} 。通过模拟计算出催化剂的 设计参数见图 3。 图 3 催化剂设计窗口 5 结论和建议 1 本程序通过计算 SCR反应器的反应机理, 结 合工程实践的经验和相关资料模拟了 SCR 反应系统 的物料及能量平衡系统。 2 通过开发的 SCR 烟气脱硝物料平衡软件, 模 拟了SCR系统的各个设备间的物料及能量状态 , 并 下转第 47 页 37 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 [ 9] 邱江新, 郭俊, 陈颖, 等.电 除尘用高频高压电 源中 国, 200520132783. 5 [ 10] Akagi H, Nabae A. 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Helmut electrostatic preciptator Power supply US , 4808200 [ 21] Santamaria,George T.Pulsed power supply for an electrostatic precipitator US, 4600411 作者通信处 刘军 310027 浙江大学玉泉校区电力电子技术研究 所 102 室 电话 0571 87951332 E -mail sinliujunsina. com. cn 2007- 12-06 收稿 上接第 37页 开发了各设备辅助设计功能, 为各设备的选型和设计 及工程实践提供了源数据和参考数据。 3 本软件还需进一步优化, 并在某些功能方面 可以进一步的加强, 从而更科学地指导工程设计与 实践 。 参考文献 [ 1] 黄建军, 路达, 赵毅. 氮氧化物催化还原技术在火电厂的应用研 究. 电力情报, 2002 3 27 -29 [ 2] 于龙, 张彦军. 选择性催化还原 SCR 脱硝技术研究.锅炉制 造, 2005 4 1 -4 [ 3] 杨. 氮氧化物减排技术与烟气脱硝工程. 北京 冶金工业出版 社, 2007 117 -126 [ 4] Schaub G, Unruh D, Wang J, et al.Kinetic analysis of selective catalytic NOxreduction SCR in acatalytic filter.Chemical Engineering and Processing, 2003 42 365-371 [ 5] 吴金华, 于秋生. delphi 程序设计教程. 北京 机械工业出版社, 2004 64 -156 [ 6] 王洪涛, 李雨松. 动态好氧堆肥模拟模型研究与应用. 中国环境 科学, 2001 3 240 -244 [ 7] 袁筱凤. 湿空气焓值的计算. 湖北化工,1998 4 43 -48 [ 8] 郑向阳. 从含湿气体的热物理特性分析锅炉烟气潜热的利用. 工业锅炉, 2006 1 16 -20 [ 9] 蒋寻寒, 曹祖庆. 一组性能优良的水和水蒸汽高精度特性公式. 动力工程, 2003 12 2777 -2809 [ 10] 虞亚辉, 黄荣国. 水和水蒸汽比容及焓的拟合式. 华东电力, 1999 7 19 -21 [ 11] Salama A I A. 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With the increase of temperature, the dust -removing efficiency and pressure dropwould become higher during the process of dust -cleaning. Keywords dust-removing granular bed high temperature INVESTIGATION ON ENVIRONMENTAL PROTECTION OF BUILDING CONSTRUCTION Tian Jing 31 Abstract It is done an investigationon the attitude of managing personnel of construction enterprise andthat of residents aroundworksitesto environmental protection. The results show thatin treatment of pollution, building refuses are mainly incinerated or transportedto a landfill site; for construction noises, there are no constructions at night, anti noise walls are set up. Insufficient supervision of environment. less in environ - mental protection and lack of scientific management are the main factors to pollute environment by building constructions. The relevant solutions are proposed based on perfection of specifications and laws, enhancement of construction management, and improvement on construction techniques etc. Keywords building construction attitude to environmental protection questionnaire THE SIMULATION OF MASS BALANCE AND AIDED DESIGN IN SCR FUME DENITRATION SYSTEMDu Yungui Wu Qirong Yu Yu 35 Abstract SCR selective catalyst reductiondenitration technology is one of the main fume denitration technology in thermal power plants, whose mass balance calculation is an important means of guiding practice and technological design.Based on technical principle of SCR fume denitration and the experience of engineering practice, itwas explored the program for mass balance of SCR and simulated the main technological parameters of SCR system, as well as developed the auxiliary design function of each device. Keywords flue gas denitration SCR mass balance program design aided design SMOKE PURIFICATION AND ENERGY-SAVING TECHNOLOGICAL TRANSATION FOR CHARGING CAR OF COKE -OVENChen Yingying Wang Haitao 38 Abstract Smoke purification of charging car of coke -oven isone of the key points in coking plant smoke purification. This paper introduces how to trans smoke wet purification of the charging car of coke -oven to dry purification, including the effects of saving energy , water and re - ducing noise. Keywords charging car smoke purification energy -saving technology COUNTERMEASURES FOR CONTROLLING NOXPOLLUTION OF CENTRAL HEATING BOIL - ERSLi Wei Ding Xiaowen Ma Wenjing et al 41 Abstract The boilers with low excessair coefficient were chosen in the environmentalimpact assessment of a centralheating project, mean - while the scheme of enhancing managementof boiler operation was usedto control NOXemission. The low excessair coefficient of the selectedboil - erswas lower than 1 . 43, by which NOXemission concentration in fume could be reduced to 143 mg m3. The index of NOxcanmeet the emission standard. Keywords central heating environmental impact assessment control of NOXpollution THE DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY FOR ELECTROSTATIC PRECIPITATOR Liu Jun Shi Jianjiang 44 Abstract The power supply for anelectrostatic precipitator is the key part in the electrostatic precipitator system, and its perance is the key factor to improve the efficiency of the dust removal. The developmentof power supply for electrostatic precipitatorsisreviewed based on energy- saving and improvement of dust removal efficiency. It has three development trends, which is from single -phase power supply to three -phase power supply, from voltage regulation under line frequency to high frequency inverting and from one power mode to hybrid power mode. The high frequen - cy power supply for electrostatic precipitators is the developing trends andhas the advantages of flexible control, controlledwave of output high voltage and fast reaction under flashover and restart. Keywords electrostatic precipitation dedust efficiency three phase high frequency high voltage pulse MERCURY CONTROL TECHNOLOGIES FOR COAL -FIRED FLUE GAS Tian Lihui Li Caiting Zeng Guangming et al 48 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 5,October, 2008