臥式氨儲罐儲氨量計算

張耀軍，張國軍，宣大宇

(華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠，哈爾濱　150024)

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臥式氨儲罐儲氨量計算

張耀軍，張國軍，宣大宇

(華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠，哈爾濱150024)

摘要：為準(zhǔn)確計算燃煤電廠臥式氨儲罐的儲氨量，通過分析氨的氣-液兩相轉(zhuǎn)化規(guī)律、氨儲罐內(nèi)氣相壓力變化規(guī)律以及液態(tài)氨密度變化規(guī)律，提出了通過氨儲罐內(nèi)溫度、壓力和液氨液位來計算氨儲量的方法?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該方法能較準(zhǔn)確地計算出氨儲罐的儲氨量、一段時間內(nèi)的氨消耗量以及卸氨量等。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；氨區(qū)；臥式液氨儲罐；存儲量

0引言

大型燃煤火力發(fā)電廠普遍采用選擇性催化還原(SCR)法煙氣脫硝裝置，氨作為脫硝還原劑被大量使用，外購的液氨儲存在氨儲罐中，再經(jīng)蒸發(fā)器氣化成氣態(tài)氨進入鍋爐煙氣脫硝裝置。氨區(qū)的儲氨量過大會存在安全隱患，儲氨量過少則容易造成供氨中斷，所以，正確地計算出儲氨量有重要意義。

1氨的理化特性以及在燃煤電廠的應(yīng)用

氨(NH3)的沸點為-33.4 ℃，熔點為-77.7 ℃，自燃點為651.11 ℃，爆炸極限為氨的體積分?jǐn)?shù)達16%～25%，具有強烈的刺激性氣味，易溶于水，溶于水后形成氫氧化銨堿性溶液。氨應(yīng)用廣泛，是一種重要的化工原料，為儲運方便，通常將氣態(tài)氨通過加壓或冷卻轉(zhuǎn)換成液態(tài)氨，簡稱液氨[1]。

燃煤發(fā)電廠采用的SCR法煙氣脫硝是利用氨對NOx的還原功能，在一定條件下將NOx還原為對大氣影響較小的氮氣和水[2]。

2氨儲罐內(nèi)儲量計算

為保證安全、規(guī)范管理，各燃煤電廠都設(shè)置了專門存儲和液化液氨的氨區(qū)，氨儲罐布置在氨區(qū)內(nèi)。電廠用的氨儲罐多為臥式橢圓封頭圓柱形儲罐，華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠(以下簡稱哈三電廠)的2臺氨儲罐比較典型，設(shè)計壓力為1.6 MPa，設(shè)計溫度為-40 ～ 50 ℃，總?cè)莘e為100 m3，壁厚為24 mm，室外布置。當(dāng)?shù)囟咀畹蜌鉁剡_-35 ℃，夏季最高氣溫近40 ℃，晝夜溫差最大超過10 ℃。哈三電廠氨儲罐外形尺寸為：直桶長度L1= 11.320 m，直桶直徑D=3.200 m，封頭直邊L2=0.050 m，封頭高度L3=0.850 m。生產(chǎn)中需要根據(jù)氨儲罐的運行壓力、溫度、液氨液位等參數(shù)計算氨儲罐實際儲量。

正常運行時氨儲罐下部為液態(tài)氨，上部為氣態(tài)氨和氮氣的混合氣體，位于儲罐底部的出口門打開時，液氨由此流出。進入氨儲罐的液氨純度要求高于99.6%，氮氣保護氣純度要求高于99.5%，雜質(zhì)很少，可認(rèn)為氨儲罐內(nèi)只存在氨和氮氣兩種物質(zhì)，由此推斷氨儲罐壓力p計算公式為

(1)

式中：pN2為氮氣的分壓；pNH3為氣態(tài)氨的分壓。

氮氣的臨界溫度為-147 ℃，臨界壓力為3.4MPa, 氮氣在正常的運行溫度(-30～30 ℃)和運行壓力(0～1.6MPa)下不會液化或固化，因此氨儲罐內(nèi)氮氣質(zhì)量是保持不變的，但根據(jù)克拉伯龍方程，pN2與氣體的溫度成正比，與氣體的體積成反比。在-30～30 ℃范圍內(nèi)，氨的飽和蒸汽壓pNH3b變化較大：當(dāng)儲罐內(nèi)氣態(tài)氨的分壓低于所在溫度下氨的飽和蒸汽壓時，液態(tài)氨氣化成氣態(tài)氨，氣態(tài)氨的質(zhì)量增加；反之，儲罐內(nèi)氣態(tài)氨的分壓高于所在溫度下氨的飽和蒸汽壓時，氣態(tài)氨液化成液態(tài)氨，氣態(tài)氨的質(zhì)量減少。最終達到平衡時，氨儲罐內(nèi)氣態(tài)氨分壓pNH3等于所在溫度下氨的飽和蒸汽壓pNH3b，即pNH3=pNH3b，pNH3b可通過下式計算[3]

(2)

式中：t為氨儲罐內(nèi)的溫度。

通過公式(1)，(2)和克拉伯龍方程計算可知，氨儲罐壓力p隨溫度變化而變化，當(dāng)溫度升高時，pN2和pNH3都升高，氨儲罐壓力p升高，反之則氨儲罐壓力p降低；但pN2與氣體溫度成正比例函數(shù)關(guān)系，pNH3與氣體溫度成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，正常運行溫度下pNH3受溫度的影響比pN2大得多，因此氨儲罐內(nèi)氨和氮質(zhì)量變化不大時，氨儲罐壓力p變化的主要原因是氨儲罐內(nèi)pNH3隨溫度發(fā)生了變化。

2.1氣態(tài)氨計算[4]

查閱資料得知，氨的臨界溫度tc=132.33 ℃，臨界壓力pc=11.313MPa，氨儲罐運行溫度為-30 ～30 ℃，所以重點研究這個溫度區(qū)間氣態(tài)氨的物理化學(xué)性質(zhì)。通過公式(2)計算得出-30 ℃時氨的飽和蒸汽壓pNH3b=0.119 55MPa，也就是說此溫度下氨儲罐中氨氣的分壓pNH3=0.119 55MPa。根據(jù)普遍化范德華方程計算并查閱《雙參數(shù)普遍化壓縮因子圖》得出，此時對比溫度tr=0.60，對比壓力pr=0.010 6，壓縮因子Z=0.99；同理可計算出0 ℃時氨儲罐中氨氣的分壓為0.429 42MPa，對比溫度tr=0.67，對比壓力pr=0.038 0，壓縮因子Z=0.96；30 ℃時氨儲罐中氨氣的分壓為1.166 50MPa，對比溫度tr=0.75，對比壓力pr=0.096 1，壓縮因子Z=0.93。通過上述方法還可以計算出其他溫度下氨儲罐內(nèi)氨的壓縮因子Z并發(fā)現(xiàn)-30～30 ℃區(qū)間Z值在0.99～0.93之間均勻分布，因此，氣態(tài)氨在溫度t時的摩爾體積Vm計算公式如下

(t+30)=0.960 3-0.000 99t，

(3)

式中：R為摩爾氣體常數(shù)；t1為氣體的絕對溫度。

因此，氨儲罐內(nèi)氣態(tài)氨的質(zhì)量為

(4)

式中：V為氨儲罐總?cè)莘e；V1為液氨體積。

2.2液氨儲量計算

無論氨儲罐內(nèi)氨的氣、液兩相發(fā)生什么變化，液態(tài)氨都會匯集到氨儲罐的底部，液氨液位h可通過液位計測量得到，根據(jù)氨儲罐的液氨液位h，利用微積分和橢圓封頭圓柱體體積計算的經(jīng)驗公式推導(dǎo)出液氨體積V1(m3)計算公式

計算得出

(5)

液氨的密度ρ(kg/L)受溫度影響較大，可通過下式計算得出

(133-t)]/[4.283+0.813 055×

(6)

液態(tài)氨質(zhì)量為

(7)

2.3總存儲量計算

氨儲罐內(nèi)的總儲氨質(zhì)量為氣態(tài)氨和液態(tài)氨的質(zhì)量和

(8)

上述計算非常復(fù)雜，需要編寫計算機程序或者使用電子表格進行計算。

3現(xiàn)場驗證

為驗證上述計算方法的準(zhǔn)確性，將每天氨儲罐中氨的減少量和機組氨氣流量表的日累計流量進行比對，數(shù)據(jù)見表1。表1中：儲氨量計算值是根據(jù)每日0時儲罐溫度和液位采用上述公式進行計算的結(jié)果；日消耗氨量計算值是當(dāng)日0時氨儲罐儲氨量計算值與次日0時氨儲罐儲氨量計算值的差值；氨氣用量表計值為機組氨氣流量表當(dāng)日0時至次日0時的實測值；無日消耗氨量計算值的日期為卸氨日，不做統(tǒng)計。

表1　日消耗氨量比對數(shù)據(jù)

續(xù)表

綜合分析表1中4月份的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算得到1個月內(nèi)氨消耗總量為76.242t，氨氣用量表計值為76.015t，累計偏差為0.227t，雖然個別日期偏差較大，但多日的累加數(shù)據(jù)偏差不大，證明此計算方法準(zhǔn)確性較高，可以滿足實際工作的需要。計算也表明，氨儲罐液位的測量精度對儲氨量計算值的準(zhǔn)確性影響較大，例如，氨儲罐溫度為0 ℃時，若液氨液位指示值偏差0.01m，可使氨儲罐內(nèi)儲氨量計算值的偏差最大達0.25t，因此，采用本方法統(tǒng)計儲氨罐的儲氨量必須保證液氨液位測量準(zhǔn)確。哈三電廠氨儲罐液位測量精度為±0.01m，計算氨的日消耗量時，液氨液位變化較小，液位測量的相對誤差較大，計算出的氨消耗量值偏差大；計算多日消耗量時，液氨液位變化較大，液位測量的相對誤差較小，計算出的氨消耗量值偏差小，這是統(tǒng)計長期累加數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高的一個重要原因。

4結(jié)束語

通過對不同溫度、壓力下氨的氣態(tài)、液態(tài)相互轉(zhuǎn)化，以及氣態(tài)氨、液態(tài)氨密度變化的分析，可以比較精確地計算氨儲罐中氨的實際儲量，準(zhǔn)確統(tǒng)計出氨的消耗量和氨儲罐的每次裝卸氨量，防止因儲氨量過大造成儲罐超壓或因氨儲量不足造成脫硝裝置退出運行，對于保證電廠脫硝裝置安全、經(jīng)濟運行有著重要意義。

參考文獻：

[1]夏懷祥，段傳和.選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2012：147-162.

[2]郝艷紅，黃成群，傅毓赟，等.火電廠環(huán)境保護[M].北京：中國電力出版社，2008：57-60.

[3]魯新宇，劉建蘭，馮鳴，等.物理化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：11-19.

[4]姚玉英，陳常貴，柴誠敬.化工原理：上冊[M].2版.天津：天津大學(xué)出版社，1999：3-5.

(本文責(zé)編：劉芳)

收稿日期:2016-03-17；修回日期:2016-04-25

中圖分類號：X 773

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)05-0061-03

作者簡介：

張耀軍(1972—)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，從事火力發(fā)電廠化學(xué)監(jiān)督、運行及檢修管理方面的工作(E-mail:zhang.yaojun@126.com)。