SCR烟气脱硝系统物料能量平衡模拟与辅助设计

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环境工程
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[ 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. A voltage source invert er using IG BTs for a 50 kHz 10 kV corona surface treater Industry applications society annual meeting. Conference Record of the 1989 IEEE, 1989: 1164 1169
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
* 科技部国家支撑计划项目( 2007BAC204B00) 。
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:
[ 13] Koudriavt sev O , Wang Shengpei, Konishi Y, et al. A novel pulse density modulated high frequency invert er for silent discharge type ozonizer. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 38( 2 ) : 369 378
烟气中 NO 质量分数; 氨的过量系数;
NO X
2 3 空气量
NOX 的去除率。
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
22 4
式中
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
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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
( M i- 1 + M i )
式中 Mi- 1 第 i - 1 个节点处物质的摩尔质量,
g mol;
Mi 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:
式中
n
TNOTEn = TNOTE1 +
TNOTEi [ 11]
i=2
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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
理可得:
C( NO) = C ( NOX )
M( NO) M( NO2)
C ( NO2) = C( NOX ) ( 1- ) 需氨量 = [ C( NO) - C( NO ) + ( C( NO2) - C( NO2 ) )
式中
8 6+ C( HCl) ] ( 1 + ) NOX C( NOX ) 烟气中氮氧化物的浓度, mg m3 ; C( NO) 、C ( NO ) 入口和 出口 NO 的质量
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浓度, mg m3 ;
C( NO2 ) 、C ( NO2 ) 入 口和出口 的 NO2 质 量浓度, mg m3 ;
C( HCl) 烟气中 HCl 的含量, mg m3; M ( NO) 、M ( NO2 ) NO 和 NO2 的 物质的摩
尔质量, g mol;
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:
i = ( M i- 1 + M i )
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
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Q2 = P1 ( Q 1 + Q ) ( 273+ T 2 ) P2 ( 273 + T 1 )
Q dry = Q 2 ( 1- ) H2 O Q m = Q1 1 440 P R ( 273+ T ) [6]
式中 Q1 , Q 2 实际烟气流量, m3 h;
Qdry
干烟气两节点的压力, Pa;
[ 14] Fujita H, Akagi H. Pulse density modulat ed power control of a 4 kW, 450 kHz voltage source inverter for induction melting applicat ions . IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, 32( 2) : 279 286
出其经验模型如下:
对于 4、5、6 节点, 其焓值= Q m T 4 186
对于 7、8 节 点, 其 焓 值 = Q m T 4 186 +
2 427 88 Q m
对于其他节点, 其经验模型为: 焓值= Qm ( 0 2537+ 1 9827) 4 186 T +
580 ( Q m- Qmdry ) 4 186
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
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、N2H4 CO 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,