石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺液相系统分析与计算.pdf

热力发电?2007(12)?基金项目:?十一五!国家科技支撑计划资助项目(2006BAA01B04);新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET?06?0513)作者简介:?钟毅(1977?),男,江西新余人,浙江大学能源清洁利用国家重点实验室博士研究生,研读方向为大气污染控制技术。E?mail:?zhongyi77 石灰石 石膏湿法烟气脱硫工艺液相系统分析与计算钟?毅,高?翔,林永明,骆仲泱,岑可法浙江大学,浙江 杭州?310027 摘要?石灰石?石膏湿法烟气脱硫(WFGD)工艺是我国电站锅炉烟气脱硫的最主要技术,其液相系统的设计对于整个工艺的设计具有非常重要的意义。结合系统能量平衡与液相平衡对石灰石?石膏喷淋塔 WFGD 液相系统进行了分析,并给出了计算方法。采用该方法对 4 个实际 WFGD 项目进行了计算,计算结果与国外 WFGD 技术提供商给出的计算结果比较吻合。所提出的计算方法可以用于石灰石?石膏喷淋塔 WFGD 项目的设计与运行优化。关键词?电站锅炉;湿法烟气脱硫(WFGD);石灰石?石膏法;液相系统;喷啉塔 中图分类号?X701 文献标识码?A 文 章 编 号?10023364(2007)12001103?石灰石?石膏湿法烟气脱硫(WFGD)工艺具有脱硫率高、运行可靠、吸收剂利用率高等特点,目前已成为我国燃煤电站脱硫的主流技术。石灰石?石膏喷淋脱硫系统中液相系统的设计不仅对气相系统、固相系统的设计有影响,而且还与整个 WFGD 系统的能量平衡有很大的关系。1?液相系统分析与计算由于烟气中含有腐蚀性的酸性气体和水蒸气,因此烟气温度的高低对系统烟道的防腐有非常重大的影响。液相系统中的蒸发水是系统的主要水耗,且蒸发水又与系统的热平衡有较大关联,故计算水耗必须进行热平衡分析。脱硫塔热平衡如图 1 所示。系统中其它组分均仅有温度的变化而无相变,故只表现出显热,而蒸发水不仅发生温度变化,还会发生相变,故有潜热表现。鉴于吸收塔内水的蒸发既有温升,又有相变,为简化计算,用水的焓变来表征水蒸发图 1?WFGD脱硫塔热平衡示意消耗的能量。根据相应温度范围内不同温度的焓的实际数据分别拟合出水和水蒸气焓的计算公式如式(1)和式(2):hw=101.07+7.483 (tw-297.25)(1)式中:hw为水的焓值,kJ/kg;tw为水温,K。式(1)适用于水温在(290.15 303.15)K 范围内水的焓值计算。hs=2 583.72+6.577 (ts-318.95)(2)?基础研究?热力发电?2007(12)式中:hs为水蒸气的焓值,kJ/kg;ts为水蒸气温度,K。式(2)适用于水蒸气温度在(306.15 328.15)K 范围水蒸气焓值的计算。水由液相转化为气相时的焓变由式(3)可得:?h=hs-hw(3)式中?h 为水发生相变时焓变,kJ/kg。在 WFGD 系统中,SO2与 CaCO3在水溶液中的反应、CaSO3的氧化等化学反应均为放热反应,石膏结晶过程也会有结晶热放出。由于这些热量在能量平衡中占有一定的份额,计算中必须予以考虑。反应体系计算焓变时的基准主要有两种:一种是以反应热为基础的计算方法,一种是 以生成热为基础的计算方法 1,2。本文计算采用前者,并以非标准条件下反应热方法为基准进行计算,即先选取 25#和 1 个标准大气压作为基准状态,可查表获得该条件下反应热,然后假设一反应途径,使化学反应在所选取的基准状态下发生,最后依据盖斯定律求得反应过程各阶段的焓变之和,即实际条件下的反应热 1,3,4。石灰石?石膏烟气脱硫系统总反应如下:SO2+CaCO3+12O2+2H2O=CaSO4.2H2O+CO2查表获得基准状态下反应物到生成物的反应热 5,根据盖斯定理可计算得到反应热。烟气中各组分(如 N2、CO2、O2、H2O(g)的比定压热容由式(4)可知 5:cp=a+bT+cT2+dT3(4)式中:cp为比定压热容,J/(kg?k);T 为烟气温度,K;a、b、c、d 为不同气体的常数,可通过查表获得 5。由于在 WFGD 脱硫塔中烟气温度变化较小,计算中可用烟气中各成分比热容的平均值来近似表示烟气的比热容。考虑烟道漏风时,吸收塔进口烟气量由式(5)、式(6)计算 6:V0k=0.008 9(C+0.375S)+0.265H-0.033 3O(5)式中:V0k为锅炉理论空气量,m3/kg;C 为燃料中应用基碳,%;S 为燃料中应用基硫,%;,H 为燃料中应用基氢,%;O 为燃料中应用基氧,%。V=Vy+?L V0k Bj(6)式中:V 为考虑漏风时的进口原烟气量,m3/h;Vy为原烟气量,m3/h;?为漏风系数,L 为烟道长度,m;Bj为锅炉实际耗煤量,kg/h。系统蒸发水量可采用式(7)计算:Mzf?h=V cp 1(T1-T2)+Vyk cp2(T3-T2)(7)式中:Mzf为系统蒸发水量,kg/h;cp 1为烟气比定压热容的平均值,J/(kg?K);T1为吸收塔出口烟气温度,K;T2为吸收塔入口烟气温度,K;T3为氧化空气的温度,K;Vyk为进入吸收塔的氧化空气量,m3/h;cp 2为氧化空气平均比定压热容,J/(kg?K)。由于此时无法确定经过气气换热器(GGH)之后的吸收塔入口烟气温度和脱硫之后的脱硫塔出口烟气温度,所以仍然无法确定系统蒸发水量。但是,这两个温度参数不仅涉及关键设备如 GGH 等的选型,同时还关系到蒸发水量的大小,因此确定这两个温度的值非常重要。由于吸收塔出口烟气中水蒸气处于饱和状态,故其水蒸气分压应该等于对应烟气温度下实际的分压。饱和水蒸气的分压与温度关系采用 Magnus 公式确定 7:Inp=In6.112+17.62t/(243.12+t)(8)式中:p 为饱和水蒸气分压力,Pa;t 为相应的烟气温度,#。根据温度与饱和分压之间的关系以及能量平衡的关系,在计算中采用循环迭代的方法来确定吸收塔入口烟气温度、出口烟气温度以及蒸发水量。以脱硫塔为对象,建立脱硫塔热平衡计算模型,计算框图如图 2 所示。计算时采用以下简化假设条件:(1)脱硫塔反应系统为绝热反应系统;(2)烟气的进出口动能忽略不计;(3)反应塔传热迅速、完全;(4)原烟气中水蒸气在经过塔时不参与作用;(5)忽略磨机研磨带入的热量以及石膏浆液与废水带走的热量。WFGD 液相系统中废水量对系统的设计、材料选择、石膏品质都有很大影响,故废水量的确定非常重要。当系统中氯离子浓度过高时,可采用提高废水排放量的方式来降低氯离子的浓度,重新建立平衡。通常通过确定吸收塔浆液中氯离子的浓度来确定排放的废水量,即保证浆液中氯离子的浓度小于 20 000 mg/L 8,9。此外,石膏带走的结合水和结晶水量也是液态系统不可忽略的水耗,可根据石膏生成量计算得到。为使液相系统的水量达到平衡,对于系统排出的水需要用工艺水进行补充,工艺水量等于蒸发水、废水与石膏带走的水量之和(图 3)。基础研究热力发电?2007(12)?!?图 2?蒸发水量及吸收塔烟气进出口温度计算流程图 3?水平衡示意2?计算结果与讨论根据计算模型对 4 个发电厂实际的 WFGD 液相系统进行了计算,并将某国外技术供应商的设计值作为参考值进行了对比(表 1)。表 1 中项目 A 和 B 为300 MW 机组,项目 C 和 D 为 600 MW 机组。表 1?计算结果对比表t/h项目ABCD计算值 参考值 计算值 参考值 计算值 参考值 计算值 参考值蒸发水量 31.15 31.25 33.35 33.78 66.52 66.16 50.29 48.86废水量7.177.114.153.6929.06 28.349.199.07石膏含水量1.101.083.333.346.926.652.832.91工艺水量 39.42 39.17 40.74 40.64 102.50 101.15 62.31 60.61由表 1 可知,采用本文所建计算模型计算得到液相系统的各变量与参考值较为接近;对项目 B 废水量的计算值偏差稍大,这是由于计算过程中对氯离子确定的偏差造成的差异;而项目 D 的蒸发水量计算值与参考值偏差比其它几个项目大,主要是因迭代计算确定的吸收塔入口与出口温度与外商给出的值略有偏差所致。总之,该模型能比较准确地计算 WFGD 液相系统的各水量值,能够达到工业设计的要求。3?结?论通过对大型锅炉石灰石?石膏湿法脱硫工艺液相系统进行分析,以蒸发水量及吸收塔烟气进出口温度计算模型为核心,通过各水量的关联关系建立了各种水量计算的方法。采用该计算方法对 4个实际工程项目进行了计算,并与外商提供的实际工程项目设计值进行比较,计算结果与参考值吻合较好。该计算方法能用于电站 WFGD液相系统的设计与优化。参?考?文?献 1?李应麟,尹其光.化工过程的物料衡算和能量衡算 M.北京:高等教育出版社,1987.2?陈声宗.化工设计 M.北京:化学工业出版社,2002.3?钟穗生.化学工程计算M.北京:北京师范大学出版社,1992.4?吴志泉,涂晋林,徐汛.化学工艺计算 M.上海:华东理工大学出版社,1998.5?Richard M.Felder,Ronald W.Rousseau.Elementaryprinciples of chemical processes M.New York:JohnWiley&Sons,Inc,1978.6?范从振.锅炉原理 M.北京:水力电力出版社,1985.7?周淑贞.气象学与气候学 M.北京:高等教育出版社,1997.8?D.S.Henzel,B.A.Laseke,E.O.Smith,et al.Handbook forflue gas desulfurization scrubbing withlimestome M .New Jersy:Noyes Data Corporation,1982.9?曾庭华,杨华,马斌,等.湿法烟气脱硫系统的安全性及优化M.北京:中国电力出版社,2004.(下转第 22 页)?基础研究?热力发电?2007(12)映出炉内实时燃烧的状况,并可准确地判断炉膛灭火。火焰图像诊断方法能弥补电厂FSSS 功能上的不足,并为燃烧诊断提供更为安全、可靠、快捷的方法。参?考?文?献 1?张师帅,周怀春,等.基于火焰图像处理的炉膛辐射能信号的检测及分析 J.热能动力工程,2002,17(98):166?168.2?周怀春.炉内火焰可视化检测原理与技术 M.北京:科学出版社,2005.3?华彦平,邹煜,吕震中.现代燃煤电站锅炉火焰检测综述J.热能动力工程,2001,16(1):1?6.4?王式民,吕震中,等.图像处理技术在全炉膛火焰监测中的应用 J.动力工程,1996,16(6):68?72.5?卫成业,王飞,等.运用彩色 CCD 测量火焰温度场的校正算法 J.中国电机工程学报,2000,20(1):70?72.6?白卫东.电站锅炉煤粉火焰安全监测及燃烧诊断方法研究D.浙江大学博士论文,2004.7?Jorge S.Marques,Pedro M.Jorge.Visual inspection of athermal electric plant J.Signal processing 2000,80:1 577?1 589.8?Y.Yan,G.Lu,M.colechin.Monitoring and characteriza?tion of pulverized coal flames using digital imaging tech?niques J.Fuel,2002,81:647?656.9?娄春,周怀春,刘浩.一种煤粉炉内断面温度场在线监测系统J.电站系统工程,2004,20(2).10?王新军.火焰可视化及燃烧智能诊断研究 D.浙江大学,2002.11?卫成业,严建,商敏儿,等.基于炉内火焰图像的燃烧诊断 J.动力工程,2003,23(3).12?卫成业.燃煤锅炉火焰温度场和浓度场测量及燃烧诊断的研究D.浙江大学博士论文,2001.DIAGNOSIS OF COMBUSTION STABILITY IN FURNACEBY USING FLAME IMAGE METHODHUANG Ben?yuan,LUO Zhi?xueZHOU Huai?chunMiddle China University of Science&T echnology,Wuhan 430074,Hubei Province,PRCAbstract:Through analysis of radiant energy signal picked up from flame image in the furnace of pulverized coal boiler,the character?istic value reflecting images in the whole furnace can be comprehensively obtained from a great number of flame images.Based onthese,adjusting degree of combustion in the furnace can be accurately given out,thereby,makes the combustion to be easily super?vised and controlled.The image diagnosis method has obvious effectiveness for analysing the combustion situation in boiler,the out?fire alarm,and the furnace security supervising system.Key words:thermal power unit;combustion stability,radiant energy signal;flame image(上接第 13 页)ANALYSIS AND CALCULATION OF THE LIQUID PHASE SYSTEM INLIMESTONE/GYPSUM WET FLUE GAS DESULFURATION PROCESSZHONG Yi,GAO Xiang,LIN Yong?ming,LUO Zhong?yang,CEN Ke?faZhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,PRCAbstract:The limestone/gypsum wet flue gas desulfuration(WFGD)process is the most essential process for flue gas desulfurationof boilers in thermal power plants of our country.T he design of liquid phase system has very important sigificance to the design ofentire limestone/gypsum WFGD system.Combined energy balance with liquid phase balance in the system,the liquid phase systemin limestone/gypsum spraying tower WFGD system has been analysed,and calculation method being given.Four practical WFGDprojects have been calculated by using the said method,the calculated results being in good agreement with that provided by foreignWFGD technology suppliers.The said calculation method can be used in the design and performance optimization of the limestone/gypsum spraying tower WFGD projects.Key words:utility boiler;WFGD;limestone/gypsum method;liquid phase system;spraying tower基础研究