燃機(jī)余熱鍋爐排煙酸露點(diǎn)溫度計(jì)算研究

杜 龍，蘇引平，任念毛

(中機(jī)國能電力工程有限公司，上海 200063)

0 引言

隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的推進(jìn)，進(jìn)一步提高余熱鍋爐的效率顯得越來越重要。降低燃機(jī)余熱鍋爐排煙溫度，是一種有效提高鍋爐效率的方式。然而降低余熱鍋爐排煙溫度，需要增加余熱鍋爐尾部受熱面，增加設(shè)備投資，另外還受到煙氣酸露點(diǎn)的限制(規(guī)范要求余熱鍋爐排煙溫度高于煙氣酸露點(diǎn)10℃以上[1])。因此，如何設(shè)定余熱鍋爐排煙溫度是一個(gè)通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比性分析、綜合考量的結(jié)果。

目前，燃煤鍋爐酸露點(diǎn)的計(jì)算，國內(nèi)廣泛使用的是前蘇聯(lián)1973年版的《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》，這個(gè)方法得到了廣泛認(rèn)可。但是，對(duì)于燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組來說，由于天然氣含硫量較低，且燃機(jī)中SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率也不同，這套方法不再適用于燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐排煙酸露點(diǎn)溫度的計(jì)算。

本文以某F級(jí)燃機(jī)機(jī)組為例，通過多種方法詳細(xì)計(jì)算了燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐排煙酸露點(diǎn)溫度，從中尋找出了一套可行的計(jì)算方法，為降低機(jī)組余熱鍋爐排煙溫度，提供理論支持。

1 設(shè)備概況及計(jì)算邊界條件

1.1 設(shè)備概況

某機(jī)組由2臺(tái)F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)、2臺(tái)余熱鍋爐、1臺(tái)蒸汽輪機(jī)及3臺(tái)發(fā)電機(jī)組成。余熱鍋爐為某公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的三壓、再熱、臥式、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)是由某公司生產(chǎn)的一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機(jī)，配套的凝汽器為單背壓、雙流程、表面式凝汽器。

脫硝催化劑采用蜂窩型催化劑，單層設(shè)計(jì)。催化劑活性溫度范圍為340 ℃到427 ℃，節(jié)距為2.15 mm，基材為TiO2，活性物質(zhì)為V2O5，單臺(tái)爐體積為 41.2 m3，重量約 18 t。

1.2 計(jì)算邊界條件

該工程燃料為天然氣，不考慮備用燃料。廠內(nèi)設(shè)天然氣調(diào)壓裝置，將天然氣壓力調(diào)整到燃機(jī)需要的壓力。燃料特性如表1所示。

表1 機(jī)組燃料(體積百分比)%

燃?xì)廨啓C(jī)在燃用設(shè)計(jì)燃料下排氣狀態(tài)及余熱鍋爐設(shè)計(jì)運(yùn)行工況如表2所示。

表2 鍋爐設(shè)計(jì)運(yùn)行工況

選擇性催化還原法 (selective catalytic reduction，SCR)煙氣脫硝裝置入口煙氣參數(shù)見表3。設(shè)計(jì)反應(yīng)器入口NOx濃度為25 ppm，性能考核試驗(yàn)時(shí)脫硝效率達(dá)到85%，氨逃逸濃度不高于 3 μL/L。

表3 脫硝系統(tǒng)煙氣參數(shù)

2 燃燒計(jì)算

2.1 空氣中水蒸汽分壓力及含濕量計(jì)算

該工程所處地年平均氣溫12℃，大氣壓力平均值997.685 hPa，相對(duì)濕度平均值為 77.57%。 根 據(jù) DL/T5240—2010《 火 力 發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》相關(guān)公式可以計(jì)算得出空氣中的飽和水蒸汽分壓力為17.053 hPa[2]，其他計(jì)算結(jié)果見表4所示。

表4 空氣中水蒸汽分壓力

2.2 天然氣的燃燒計(jì)算

根據(jù)DL/T5240—2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》相關(guān)公式計(jì)算得到燃燒用理論空氣量如表5所示，煙氣成分如表6所示[2]。

表5 燃燒用理論空氣量

表6 煙氣成分

通過將煙氣成分的計(jì)算值與已有數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果非常接近。另外Ar含量無法計(jì)算，但對(duì)結(jié)果影響不大。計(jì)算結(jié)果與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如表7所示。

表7 煙氣成分計(jì)算結(jié)果對(duì)比 %

3 煙氣中水露點(diǎn)溫度的計(jì)算

根據(jù)DL/T5240—2010火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程相關(guān)公式計(jì)算得出煙氣中的含濕量為61.00 g/kg，水露點(diǎn)溫度為43.15℃[2]，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 煙氣中水露點(diǎn)計(jì)算

4 SO2向SO3轉(zhuǎn)化率的確定

4.1 燃?xì)廨啓C(jī)中天然氣燃燒SO2向SO3轉(zhuǎn)化率的確定

目前，國內(nèi)相關(guān)設(shè)備廠家以及GE公司，普遍認(rèn)為SO2向SO3轉(zhuǎn)化率為5%，美國電力研究所 (Electric Power Research Institute，EPRI)發(fā)表的文獻(xiàn)[3]中關(guān)于SO2向H2SO4轉(zhuǎn)化率，明確表明轉(zhuǎn)化率與排煙溫度有關(guān)，當(dāng)煙溫低于400℉ (204.4℃ )時(shí)，SO3全部轉(zhuǎn)化為H2SO4，此時(shí)SO2向H2SO4轉(zhuǎn)化率與SO2向SO3轉(zhuǎn)化率相同，為5.5%。該結(jié)論與國內(nèi)相關(guān)設(shè)備廠家以及GE公司的數(shù)據(jù)基本一致，如表9所示。

表9 SO2向SO3轉(zhuǎn)化率[3]

4.2 SCR催化劑中SO2向SO3轉(zhuǎn)化率的確定

美國電力研究所(EPRI)研究認(rèn)為[3]燃?xì)廨啓C(jī)中排煙通過SCR催化劑時(shí)形成的SO3轉(zhuǎn)化率以催化劑廠家的技術(shù)協(xié)議或者現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為準(zhǔn)，如果沒有，則按0.1%～3%選取。

托普索公司相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為煙氣通過細(xì)孔SCR催化劑時(shí)形成的SO3轉(zhuǎn)化率按1%～2%選取[4]。

5 酸露點(diǎn)計(jì)算

5.1 日本電力研究所公式

日本電力研究所公式(1)所示[5]。

計(jì)算結(jié)果如表10所示。

表10 日本電力研究所公式計(jì)算的酸露點(diǎn)溫度

5.2 美國V&B方程

美國V&B方程[6]如式(2)所示。文章中認(rèn)為該公式在低溫區(qū)的誤差較大。

計(jì)算結(jié)果如表11所示。

表11 美國V&B方程計(jì)算的酸露點(diǎn)溫度

5.3 查圖法

國外《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》(1998年版)中認(rèn)為如果天然氣不含硫化物，其燃燒產(chǎn)物的酸露點(diǎn)決定于水蒸氣的分壓力，即等于飽和水露點(diǎn)溫度。

當(dāng)燃用含硫化物(硫化氫)的氣體時(shí)，酸露點(diǎn)決定于折算硫分，并且通過查圖來得到酸露點(diǎn)。折算硫分計(jì)算方法如式(3)所示：

式中：m為含硫組分的分子中硫的原子數(shù)；g為硫(含硫組分)的容積百分比，%；為氣體燃料發(fā)熱量，kJ/m3。

計(jì)算得出折算硫分為0.000 035%，查圖1得知酸露點(diǎn)約等于水露點(diǎn)43.15℃。

圖1 折算硫分與酸露點(diǎn)的關(guān)系曲線

5.4 蘇聯(lián)巴拉諾娃公式

DL/T5240—2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》中介紹的蘇聯(lián)巴拉諾娃酸露點(diǎn)計(jì)算公式如式(4)所示：

φH2O為煙氣中H2O的體積分?jǐn)?shù)，%；

計(jì)算結(jié)果如表12所示。

表12 蘇聯(lián)巴拉諾娃公式計(jì)算的酸露點(diǎn)溫度

6 催化劑導(dǎo)致酸露點(diǎn)增幅計(jì)算

按照DL/T 5240《火力發(fā)電廠燃燒計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)定》的要求，煙氣通過選擇性催化還原法（SCR）裝置時(shí)，因SCR催化作用而形成新的SO3轉(zhuǎn)化率，此時(shí)脫硝裝置出口煙氣酸露點(diǎn)溫度增幅按式(5)估算[2]：

計(jì)算結(jié)果如表13所示。KSCR,SO3指煙氣通過SCR催化劑時(shí)生成SO3的轉(zhuǎn)化率。

表13 催化劑導(dǎo)致酸露點(diǎn)增幅計(jì)算

7 酸露點(diǎn)計(jì)算結(jié)果討論

由上述計(jì)算可知，各種方法計(jì)算得到的酸露點(diǎn)結(jié)果如表14所示。

表14 各種方法酸露點(diǎn)計(jì)算結(jié)果 ℃

從表14中可以看出，巴拉諾娃公式的計(jì)算結(jié)果甚至低于水露點(diǎn)，結(jié)果不合理，不予采用。美國V&B方程比日本電力方程的計(jì)算結(jié)果高約5℃，但文獻(xiàn)中認(rèn)為該公式在低溫下誤差較大。查圖法得出的結(jié)果為水露點(diǎn)。

大型燃煤火力發(fā)電廠實(shí)施超低排放后，煙氣中SO2含量通常小于35mg/Nm3，煙氣中SO3含量通常在5～10 mg/Nm3左右，是本項(xiàng)目煙氣中SO3含量(約為0.005 ppm)的1 000～2 000倍，除氧含量以外，其它成分類似，因也可以適當(dāng)借鑒濕法脫硫后煙氣的酸露點(diǎn)相關(guān)研究成果。

根據(jù)國外燃煤鍋爐煙氣露點(diǎn)測(cè)試值統(tǒng)計(jì)資料[7]如圖2所示，當(dāng)煙氣中的SO3含量接近0時(shí)，其酸露點(diǎn)溫度范圍為50～80℃，通過公式計(jì)算結(jié)果在此范圍內(nèi)。

圖2 國外燃煤鍋爐煙氣露點(diǎn)測(cè)試值統(tǒng)計(jì)資料

綜上所述，本文認(rèn)為日本電力研究所公式較為適合計(jì)算燃?xì)忮仩t超低SO3含量的煙氣酸露點(diǎn)，考慮到SCR催化劑的影響，最終酸露點(diǎn)的計(jì)算如表15所示。

表15 最終酸露點(diǎn)計(jì)算結(jié)果 ℃

8 結(jié)論

本文通過查閱大量文獻(xiàn)，經(jīng)過認(rèn)真研究和詳細(xì)結(jié)算，獲得了以下成果。

1)天然氣在燃機(jī)中燃燒時(shí)，SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率為5%～5.5%；

2)SCR中SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率為1%～3%；

3)經(jīng)過對(duì)比分析，日本電力研究所公式較適合計(jì)算燃?xì)忮仩t超低SO3含量的煙氣酸露點(diǎn)；

4)以日本電力研究所公式為基礎(chǔ)，考慮SCR催化劑中SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率，得到該工程酸露點(diǎn)為66.03℃～69.77℃。

考慮到煙氣溫度過低，會(huì)導(dǎo)致回收單位熱量所需的設(shè)備投資會(huì)急劇增加，以日本電力研究所公式計(jì)算的結(jié)果雖然相對(duì)保守，但作為余熱鍋爐排煙的限定溫度，基本能滿足燃機(jī)余熱鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化的要求。