CN103955751B - 一种多元非线性石灰石‑石膏湿法脱硫效率预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元非线性石灰石‑石膏湿法脱硫效率预测方法，通过石灰石‑石膏湿法脱硫系统浆液PH值、钙硫比、液气比等运行关键指标，运用多元非线性数学方法预测脱硫系统效率，对实际测量脱硫效率进行校核，以保证脱硫效率指标的准确性。

Description

一种多元非线性石灰石-石膏湿法脱硫效率预测方法

技术领域

本发明涉及一种脱硫效率预测方法，具体地说是一种多元非线性石灰石-石膏湿法脱硫效率预测方法。

背景技术

目前通常在脱硫系统进、出口新增测量装置，分析脱硫系统进、出口烟气成分，获得进、出口二氧化硫浓度，进而计算得到燃煤电厂石灰石-石膏湿法脱硫系统效率。该方法虽然简易快捷，但脱硫效率计算结果的准确性严重依赖于脱硫系统进、出口烟气成分测量装置，一方面脱硫系统进、出口烟道气流不稳定、分布不均匀，样气采集探头的安装位置是否具有代表性对测量结果的准确性影响较大；另一方面，脱硫系统进出口烟气均属于高温、高粉尘、酸性物质，测量仪表能否克服上述问题，并保证测量的准确性对脱硫效率也将产生严重影响。

发明内容

为了弥补现有技术的缺陷，本发明通过石灰石-石膏湿法脱硫系统浆液PH值、钙硫比、液气比等运行关键指标，运用多元非线性数学方法预测脱硫效率，对实际测量脱硫效率进行校核，以保证脱硫效率指标的准确性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

一种多元非线性石灰石-石膏湿法脱硫效率预测方法，括以下步骤：

1)如果发电机组有给煤量测点，则按式(1)计算发电机组入炉煤量B，

$B=\underset{i=1}{\overset{n_{gm}}{\mathrm{\Σ}}}{B}^i---\left(1\right)$

其中：Bⁱ为第i个发电机组给煤量值(t/h)，n_gm为发电机组给煤量测点个数；

按式(2)计算发电机组SCR反应器入口烟气含氧量O_2,SCR,in，

$O_{2,SCR,in}=\frac{1}{n}\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{O}_{2,SCR,in}^i---\left(2\right)$

其中：为第i个SCR反应器入口烟气含氧量(％)；n为SCR反应器个数；

根据式(3)计算SCR系统反应器入口标态干烟气量Q_gas,SCR,in,N，然后转入步骤2)，

Q_gas,SCR,in,N＝B×1000×(0.099+O_2,SCR,in/(21-O_2,SCR,in)×0.101)×C_ar (3)

其中：C_ar为入炉煤固定碳含量，为固定常数；

否则，根据式(4)计算SCR系统反应器入口标态干烟气量，然后转入步骤2)，

Q_{gas，SCR，in，N}＝coef×P_el×10^-1×10⁴＝coef×P_el×10³ (4)

其中：P_el为发电机组负荷(MW)；coef为发电机组负荷-标态干烟气量折算系数；

2)计算单个SCR反应器入口标态干烟气量和出口标态干烟气量，计算公式如下：

$Q_{gas,SCR,in,N}^i=\frac{1}{n}\×Q_{gas,SCR,in,N}---\left(5\right)$

其中：为第i个SCR反应器入口标态干烟气量(Nm³/h)；

$Q_{gas,SCR,out,N}^i=Q_{gas,SCR,in,N}^i+Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in}^i+Q_{air,SCR,in}^i---\left(6\right)$

其中：为第i个SCR反应器出口标态干烟气量(Nm³/h)，为第i个SCR反应器入口标态稀释空气量(Nm³/h)，为现场直接测量值，(Nm³/h)为单个SCR反应器入口喷氨流量，(Nm³/h)为单个SCR反应器入口稀释空气流量，

其中，如果测点测量的为质量流量，则需要根据式(6-1)将其转换为体积流量：

$Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in}^i=\frac{Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in,m}^i}{0.771}---(6-1)$

式中，为单个SCR反应器入口喷氨质量流量(kg/h)；

如果没有测点，则根据式(6-2)计算：

$Q_{air,SCR,in}^i=\frac{1}{n}\×Q_{air,XSFJ,out}=\frac{1}{n}\×\underset{i=1}{\overset{n_{XSFJ}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{air,XSFJ,out}^i---(6-2)$

式中，Q_{air，XSFJ，out}为稀释风机出口空气流量(Nm³/h)；为第i台稀释风机出口空气流量(Nm³/h)；n_XSFJ为稀释风机台数；

3)计算SCR反应器出口至FGD入口之间漏入的空气量，SCR反应器出口和FGD入口处都有烟气氧量测点，根据这两处的烟气氧量计算SCR反应器出口至FGD入口之间漏入的空气量Q_{air，SCR-FGD}，计算公式如下：

$\begin{array}{c}{Q}_{air,SCR-FGD}\\ =\frac{C_{O_2,FGD,in}\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{gas,SCR,out,N}^i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{gas,SCR,out,N}^i\×C_{O_2,SCR,out}^i)}{21-C_{O_2,FGD,in}}\end{array}---\left(7\right)$

其中，为FGD入口烟气含氧量(％)，为第i个SCR反应器出口烟气含氧量(％)；

4)根据式(8)计算FGD入口标态干烟气量Q_gas,FGD,in,N

$Q_{gas,FGD,in,N}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{gas,SCR,out,N}^i+Q_{air,SCR-FGD}---\left(8\right);$

5)如果FGD入口SO₂浓度测量为体积浓度，则需按式(9)转换成质量浓度如果测量为质量浓度，则无需计算，

$C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,in}=\frac{64}{22.4}\×C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,in,ppm}---\left(9\right)$

其中，为FGD入口SO₂的体积浓度(ppm)；

取排口烟气浓度代替FGD出口SO₂浓度，

$C_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{FGD},\mathrm{out}}=C_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{outlet}}---\left(10\right)$

其中，为排口烟气SO₂质量浓度(mg/Nm³)，如果现场测量为体积浓度，则需按式(9)将其转换成质量浓度；

6)根据式(11)计算SO₂脱除量

$m_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{reduced}}=Q_{\mathrm{gas},\mathrm{FGD},\mathrm{in},N}\×(C_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{FGD},\mathrm{in}}-C_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{FGD},\mathrm{out}})\×{10}^{-6}---\left(11\right);$

7)根据式(12)计算石灰石浆液中石灰石质量浓度C_lime

$C_{\lim e}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\lim e}({\mathrm{\ρ}}_{slurry}-{10}^3)}{{\mathrm{\ρ}}_{slurry}({\mathrm{\ρ}}_{\lim e}-{10}^3)}---\left(12\right)$

其中：ρ_lime为石灰石密度(kg/m³)，ρ_slurry为石灰石浆液密度(kg/m³)；

8)根据式(13)计算石灰石消耗量

$m_{{\mathrm{CaCO}}_3}=Q_{\mathrm{slurry}}\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{slurry}}\×C_{\mathrm{lime}}---\left(13\right)$

其中，Q_slurry为石灰石浆液量(m³/h)；

9)根据式(14)计算钙硫摩尔比Ca/S，

$Ca/S=\frac{n_{{\mathrm{CaCO}}_3}}{n_{{\mathrm{SO}}_2,reduced}}=\frac{m_{{\mathrm{CaCO}}_3}/M_{{\mathrm{CaCO}}_3}}{m_{{\mathrm{SO}}_2,reduced}/M_{{\mathrm{SO}}_2}}---\left(14\right)$

其中：为投入脱硫系统中石灰石的摩尔数，为脱除的SO₂的摩尔数，为CaCO₃摩尔质量，为SO₂摩尔质量；

10)计算石灰石浆液循环泵总流量，如果没有单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量测点，则按照式(15)计算单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量然后再计算石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle如式(16)所示；如果有单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量测点，则直接根据式(16)计算石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle，

$Q_{cycle}^i=Q_{cycle,design}^i\×H_{cycle}^i---\left(15\right)$

其中：为第i台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量的设计值(m³/h)，为该石灰石浆液循环泵的运行小时；

石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle为：

$Q_{cycle}=\underset{i=1}{\overset{n_{cycle}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{cycle}^i---\left(16\right)$

式中：n_cycle为投运的石灰石浆液循环泵台数；

11)根据式(17)计算液气比L/G，

$L/G=\frac{Q_{cycle}\×1000}{Q_{gas,FGD,in,N}}---\left(17\right);$

12)计算浆液PH值pH

如果浆液PH值有多个测点，则取平均值；

13)根据式(18)对脱硫效率进行预测，得到预测脱硫效率

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,predict}=1-\exp (-K\×{\left(pH\right)}^{{\mathrm{\α}}_1}\×{\left(Ca/S\right)}^{{\mathrm{\α}}_2}\×{\left(L/G\right)}^{{\mathrm{\α}}_3})---\left(18\right)$

其中：K为传质系数，pH为浆液PH值，α₁为浆液PH值对传质单元数NTU的影响指数，α₂为钙硫摩尔比对传质单元数NTU的影响指数，α₃为液气比对传质单元数NTU的影响指数。

通过采用上述技术手段，本发明运用多元非线性数学分析方法，建立脱硫效率与脱硫系统浆液PH值、钙硫比、液气比等关键指标的数学模型，以实现与实测脱硫效率的对比分析，保证了脱硫效率指标的准确性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

根据传质单元的概念，脱硫效率可表示为：

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{predict}}=1-\exp (-\mathrm{NTU})$

式中，NTU(Number of Transfer Units)为传质单元数，无量纲。NTU反映了湿法脱硫工艺中气相与液相反应时物质传递与分子扩散的能力，是影响脱硫效率所有运行参数的函数。传质单元数NTU与浆液pH值、钙硫比Ca/S和液气比L/G有如下的数学模型：

$NTU=K\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{x_i}^{{\mathrm{\α}}_i}$

式中，x_i是第i个运行参数的值，具体为x₁为浆液pH值，x₂为钙硫比Ca/S，x₃为液气比L/G，α_i是x_i的指数，反应了第i个运行参数对传质单元数NTU的影响程度。

合并上述两个公式，可以得出脱硫效率与浆液pH值、钙硫比Ca/S和液气比L/G的多元非线性模型，用于对脱硫效率进行预测：

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,predict}=1-\exp (-K\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{x_i}^{{\mathrm{\α}}_i})=1-\exp (-K\×{\left(pH\right)}^{{\mathrm{\α}}_1}\×{\left(Ca/S\right)}^{{\mathrm{\α}}_2}\×{\left(L/G\right)}^{{\mathrm{\α}}_3})$

式中：

为预测脱硫效率；K为传质系数；pH为浆液PH值；α₁为浆液PH值对传质单元数NTU的影响指数；Ca/S为钙硫摩尔比(mol/mol)；α₂为钙硫摩尔比对传质单元数NTU的影响指数；L/G为液气比(L/m³)；α₃为液气比对传质单元数NTU的影响指数。

其中：

pH值为现场实测参数；钙硫摩尔比、液气比均为利用其他实测参数计算得到的中间值。

钙硫摩尔比Ca/S：从烟气脱硫技术(FGD)的输入物质方面考虑，可以通过统计一段时间内石灰石的耗量和被脱除的SO₂的量来计算；

液气比L/G：在石灰石一石膏湿法脱硫工艺中，液气比L/G是指洗涤单位体积标准状态下的饱和干烟气所需要的石灰石浆液的循环浆液体积数，其大小直接反映了吸收入口烟气中SO₂的能力，它可以通过石灰石浆液循环泵流量与烟气流量计算得到。

下面对本发明中的具体实施过程介绍如下：

一种多元非线性石灰石-石膏湿法脱硫效率预测方法，包括以下步骤：

1)如果发电机组有给煤量测点，则按式(1)计算发电机组入炉煤量B(t/h)，

$B=\underset{i=1}{\overset{n_{gm}}{\mathrm{\Σ}}}{B}^i---\left(1\right)$

其中：Bⁱ为第i个发电机组给煤量值(t/h)，n_gm为发电机组给煤量测点个数。

按式(2)计算发电机组SCR(选择性催化还原法)反应器入口烟气含氧量O_2,SCR,in，

$O_{2,SCR,in}=\frac{1}{n}\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{O}_{2,SCR,in}^i---\left(2\right)$

其中：为第i个SCR反应器入口烟气含氧量(％)，为现场直接测量值；n为SCR反应器个数。

根据式(3)计算SCR系统反应器入口标态干烟气量，然后转入步骤2)，

Q_gas,SCR,in,N＝B×1000×(0.099+O_2,SCR,in/(21-O_2,SCR,in)×0.101)×C_ar (3)

其中：C_ar为入炉煤固定碳含量，为固定常数，本发明中取定值60％；

否则，根据式(4)计算SCR系统反应器入口标态干烟气量，然后转入步骤2)，

Q_gas,SCR,in,N＝coef×P_el×10^-1×10⁴＝coef×P_el×10³ (4)

其中：P_el为发电机组负荷(MW)，由所选的发电机组确定；coef为发电机组负荷-标态干烟气量折算系数，如对于P_el为330MW的发电机组coef取3.5，对于P_el为660MW的发电机组coef取3.2，对于P_el为1000MW的发电机组coef取3.0。

2)计算单个SCR反应器入口标态干烟气量和出口标态干烟气量，计算公式如下：

$Q_{gas,SCR,in,N}^i=\frac{1}{n}\×Q_{gas,SCR,in,N}---\left(5\right)$

其中：为第i个SCR反应器入口标态干烟气量(Nm³/h)；

$Q_{gas,SCR,out,N}^i=Q_{gas,SCR,in,N}^i+Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in}^i+Q_{air,SCR,in}^i---\left(6\right)$

其中：为第i个SCR反应器出口标态干烟气量(Nm³/h)，为第i个SCR反应器入口标态稀释空气量(Nm³/h)，为现场直接测量值，(Nm³/h)为单个SCR反应器入口喷氨流量，(Nm³/h)为单个SCR反应器入口稀释空气流量，

其中，如果测点测量的为质量流量，则需要根据式(6-1)将其转换为体积流量：

$Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in}^i=\frac{Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in,m}^i}{0.771}---(6-1)$

式中，为单个SCR反应器入口喷氨质量流量(kg/h)；

如果没有测点，则根据式(6-2)计算：

$Q_{air,SCR,in}^i=\frac{1}{n}\×Q_{air,XSFJ,out}=\frac{1}{n}\×\underset{i=1}{\overset{n_{XSFJ}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{air,XSFJ,out}^i---(6-2)$

式中：Q_air,XSFJ,out为稀释风机出口空气流量(Nm³/h)；为第i台稀释风机出口空气流量(Nm³/h)；n_XSFJ为稀释风机台数。

3)计算SCR反应器出口至FGD(烟气脱硫技术)入口之间漏入的空气量Q_air,SCR-FGD(m³/h)，

以物质质量平衡理论为基础，默认SCR出口烟气密度与FGD入口烟气密度相等，则SCR出口烟气流量*SCR出口烟气氧量浓度+漏入空气量*21＝FGD入口处烟气流量*FGD入口烟气氧量浓度。

SCR反应器出口和FGD入口处都有烟气氧量测点，根据这两处的烟气氧量计算SCR反应器出口至FGD入口之间漏入的空气量Q_air,SCR-FGD：

$\begin{array}{c}{C}_{O_2,FGD,in}\×(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{gas,SCR,out,N}^i+Q_{air,SCR-FGD})\\ =\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{gas,SCR,out,N}^i\×C_{O_2,SCR,out}^i)+Q_{air,SCR-FGD}\×21\end{array}$

根据上式推出SCR反应器出口至FGD入口之间漏入的空气量Q_air,SCR-FGD，计算公式为：

$\begin{array}{c}{Q}_{air,SCR-FGD}\\ =\frac{C_{O_2,FGD,in}\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{gas,SCR,out,N}^i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{gas,SCR,out,N}^i\×C_{O_2,SCR,out}^i)}{21-C_{O_2,FGD,in}}\end{array}---\left(7\right)$

其中：为FGD入口烟气含氧量(％)，为第i个SCR反应器出口烟气含氧量(％)。

4)根据式(8)计算FGD入口标态干烟气量Q_gas,FGD,in,N

$Q_{gas,FGD,in,N}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{gas,SCR,out,N}^i+Q_{air,SCR-FGD}---\left(8\right).$

5)计算FGD入口SO₂的质量浓度和FGD出口SO₂的质量浓度

如果FGD入口SO₂浓度测量为体积浓度，则需根据式(9)转换成质量浓度，如果测量为质量浓度，则无需计算，

$C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,in}=\frac{64}{22.4}\×C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,in,ppm}---\left(9\right)$

其中，为FGD入口SO₂的体积浓度(ppm)；

用排口烟气SO₂浓度代替FGD出口SO₂浓度，

$C_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{FGD},\mathrm{out}}=C_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{outlet}}---\left(10\right)$

其中，为排口烟气SO₂质量浓度(mg/Nm³)，同样，如果现场浓度测点测量为体积浓度，则需按式(9)将其转换成质量浓度(mg/Nm³)。

6)根据式(11)计算SO₂脱除量

$m_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{reduced}}=Q_{\mathrm{gas},\mathrm{FGD},\mathrm{in},N}\×(C_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{FGD},\mathrm{in}}-C_{{\mathrm{SO}}_2,\mathrm{FGD},\mathrm{out}})\×{10}^{-6}---\left(11\right).$

7)根据式(12)计算石灰石浆液中石灰石质量浓度C_lime

$C_{\lim e}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\lim e}({\mathrm{\ρ}}_{slurry}-{10}^3)}{{\mathrm{\ρ}}_{slurry}({\mathrm{\ρ}}_{\lim e}-{10}^3)}---\left(12\right)$

其中：ρ_lime为石灰石密度(kg/m³)，取2.6g/cm³＝2600kg/m³，ρ_slurry为石灰石浆液密度(kg/m³)，为直接测量值；

将ρlime值带入，则式(12)变为：

$\begin{array}{c}{C}_{\lim e}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\lim e}({\mathrm{\ρ}}_{slurry}-{10}^3)}{{\mathrm{\ρ}}_{slurry}({\mathrm{\ρ}}_{\lim e}-{10}^3)}=\frac{2600\×({\mathrm{\ρ}}_{slurry}-1000)}{{\mathrm{\ρ}}_{slurry}\×(2600-1000)}\\ =\frac{26\×({\mathrm{\ρ}}_{slurry}-1000)}{16\×{\mathrm{\ρ}}_{slurry}}\end{array}---(12-1).$

8)根据式(13)计算石灰石消耗量

$m_{{\mathrm{CaCO}}_3}=Q_{\mathrm{slurry}}\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{slurry}}\×C_{\mathrm{lime}}---\left(13\right)$

其中：Q_slurry为石灰石浆液量(m³/h)，为直接测量值，将式(12-1)带入，则，式(13)变为：

$\begin{array}{c}{m}_{{\mathrm{CaCO}}_3}=Q_{slurry}\×{\mathrm{\ρ}}_{slurry}\×C_{\lim e}=Q_{slurry}\×{\mathrm{\ρ}}_{slurry}\×\frac{26\×({\mathrm{\ρ}}_{slurry}-1000)}{16\×{\mathrm{\ρ}}_{slurry}}\\ =\frac{26}{16}\×Q_{slurry}\×({\mathrm{\ρ}}_{slurry}-1000)\end{array}---(13-1);$

式(13-1)中，如果Q_slurry没有测量点，则可根据每台石灰石浆液泵的流量计算：

$Q_{slurry}=\underset{i=1}{\overset{n_{slurry}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{slurry}^i$

式中，为第i台石灰石浆液泵的石灰石将夜流量(m³/h)；n_slurry为石灰石浆液泵台数。

9)根据式(14)计算钙硫摩尔比Ca/S

钙硫摩尔比是指投入脱硫系统中钙基吸收剂即石灰石中的Ca与脱硫系统脱除的SO₂中S的摩尔数之比，直接反映了脱硫系统在达到一定脱硫效率时所需要的脱硫吸收剂的过量程度，

$Ca/S=\frac{n_{{\mathrm{CaCO}}_3}}{n_{{\mathrm{SO}}_2,reduced}}=\frac{m_{{\mathrm{CaCO}}_3}/M_{{\mathrm{CaCO}}_3}}{m_{{\mathrm{SO}}_2,reduced}/M_{{\mathrm{SO}}_2}}---\left(14\right)$

其中：为投入脱硫系统中石灰石的摩尔数，为脱除的SO₂的摩尔数，为CaCO₃摩尔质量(100g/mol)，为SO₂摩尔质量(64g/mol)。

10)计算石灰石浆液循环泵流量Q_cycle(m³/h)

如果没有单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量测点，则按照式(15)计算单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量然后再计算石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle如式(16)所示；如果有单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量测点，则直接根据式(16)计算石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle，

$Q_{cycle}^i=Q_{cycle,design}^i\×H_{cycle}^i---\left(15\right)$

其中：为第i台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量的设计值(m³/h)，为该石灰石浆液循环泵的运行小时；

石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle为：

$Q_{cycle}=\underset{i=1}{\overset{n_{cycle}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{cycle}^i---\left(16\right)$

式中：n_cycle为投运的石灰石浆液循环泵台数。

11)根据式(17)计算液气比L/G(L/m³)，

$L/G=\frac{Q_{cycle}\×1000}{Q_{gas,FGD,in,N}}---\left(17\right);$

12)计算浆液PH值pH

如果浆液PH值有多个测点，则取平均值。

13)根据式(18)对脱硫效率进行预测，得到预测脱硫效率

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,predict}=1-\exp (-K\×{\left(pH\right)}^{{\mathrm{\α}}_1}\×{\left(Ca/S\right)}^{{\mathrm{\α}}_2}\×{\left(L/G\right)}^{{\mathrm{\α}}_3})---\left(18\right)$

其中：K为传质系数，pH为浆液PH值，α₁为浆液PH值对传质单元数NTU的影响指数，α₂为钙硫摩尔比对传质单元数NTU的影响指数，α₃为液气比对传质单元数NTU的影响指数。K、α₁、α₂、α₃通过最小二乘法拟合曲线计算得到。

为了确定基于本发明方法预测的脱硫效率的准确性，计算实际脱硫效率，进行对比

根据式(19)计算实际脱硫效率

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,actual}=(1-\frac{C_{{\mathrm{SO}}_2,6{\mathrm{\%O}}_2,FGD,out}}{C_{{\mathrm{SO}}_2,6{\mathrm{\%O}}_2,FGD,in}})\×100---\left(19\right)$

其中，分别为FGD进、出口SO2质量浓度(6％O₂折算)：

$C_{{\mathrm{SO}}_2,6{\mathrm{\%O}}_2,FGD,in}=\frac{21}{1.4\×(21-C_{O_2,FGD,in})}\×C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,in}---\left(20\right)$

$C_{{\mathrm{SO}}_2,6{\mathrm{\%O}}_2,FGD,out}=\frac{21}{1.4\×(21-C_{O_2,FGD,out})}\×C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,out}---\left(21\right).$

下面以某发电有限公司#5机组为实施案例，基于本发明方法计算预测脱硫效率，并与实际脱硫效率进行对比：该机组额定功率为330MW；脱硝系统有A、B两个反应器，2台稀释风机；脱硫系统有2台石灰石浆液泵，3台浆液循环泵(设计流量为6700m³/h)。

一、脱硫效率预测模型样本数据计算

参见表1，表2和表3，以小时数据为样本数据，样本数据中包括参数：发电机有功功率；稀释风机A/B出口空气流量；SCR反应器A/B入口标态干烟气量、喷氨流量、稀释空气流量、出口烟气含氧量；FGD入口烟气含氧量、SO₂浓度、浆液PH值A/B、2台石灰石浆液泵的石灰石浆液流量、石灰石浆液密度、3台石灰石浆液循环泵的运行小时；排口入口烟气含氧量、SO₂浓度。

表1样本数据1

表2样本数据2

表3样本数据3

实际样本数据含几百个，这里只列出小部分。

上述参数中，除稀释风机A/B出口空气流量、2台石灰石浆液泵的石灰石浆液流量、3台石灰石浆液循环泵的运行小时取自实测数据的小时积分(时间)值外，其余参数均取自实测数据的小时均值(AVG)。

利用上述数据，根据本发明预测方法，计算其余参数包括：根据式(6)计算SCR反应器A/B出口标态干烟气量，根据式(7)计算SCR反应器出口至FGD(烟气脱硫技术)入口之间漏入的空气量，根据式(8)计算FGD入口标态干烟气量，根据式(11)计算SO₂脱除量，根据式(13)计算石灰石消耗量，根据式(14)计算钙硫摩尔比，根据式(15)，式(16)计算石灰石浆液循环泵流量，根据式(17)计算液气比

利用上述数据，再根据式(19)，式(20)，式(21)，还可以计算出实际脱硫效率，计算结果如表4所示。

表4样本数据测试结果

二、脱硫效率预测模型建模

脱硫效率的多元非线性预测模型为：

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,predict}=1-\exp (-K\×{\left(pH\right)}^{{\mathrm{\α}}_1}\×{\left(Ca/S\right)}^{{\mathrm{\α}}_2}\×{\left(L/G\right)}^{{\mathrm{\α}}_3})$

对上述数学模型进行线性化处理，得到如下形式的多元线性表达式：

$ln\left(ln\right(\frac{1}{1-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,predict}}\left)\right)=\ln K+{\mathrm{\α}}_1\ln x_1+{\mathrm{\α}}_2\ln x_2+{\mathrm{\α}}_3\ln x_3$

令：

$y=ln\left(ln\right(\frac{1}{1-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,predict}}\left)\right),{\mathrm{\α}}_0=\ln K,{x_1}^{\′}=\ln x_1,{x_2}^{\′}=\ln x_2,{x_3}^{\′}=\ln x_3,$

则脱硫效率的多元非线性数学模型转换成如下多元线性模型：

y＝α₀+α₁x₁′+α₂x₂′+α₃x₃′

运用最小二乘法对上式进行拟合，从而建立脱硫效率的多元非线性数据模型，求得传质系数K和各参数对传质单元数NTU的影响指数α₁、α₂、α₃：

K＝40.2348，α₁＝-1.9288，α₂＝0.0383，α₃＝0.3059

三、脱硫效率预测模型测试

利用根据样本数据计算的参数以及建模过程求得的传质系数K和各参数对传质单元数NTU的影响指数α₁、α₂、α₃，根据式(18)计算预测脱硫效率(％)：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,predict}=(1-\exp (-K\×{\left(pH\right)}^{{\mathrm{\α}}_1}\×{\left(Ca/S\right)}^{{\mathrm{\α}}_2}\×{\left(L/G\right)}^{{\mathrm{\α}}_3}\left)\right)\×100\\ =(1-\exp (-40.2348\×{\left(pH\right)}^{-1.9288}\×{\left(Ca/S\right)}^{0.0383}\×{\left(L/G\right)}^{0.3059}\left)\right)\×100\end{array}$

计算结果参见表5。

表5预测脱硫效率

将所有样本数据的预测脱硫效率和实际脱硫效率进行对比，分到误差结果，如表6所示。

表6预测脱硫效率与实际脱硫效率误差

项目	平均值	最大值	最小值
				误差	-0.3108	0.4182	-1.3926
绝对误差	0.3758	1.3926	0.0033
				绝对误差百分比	0.3977	1.4839	0.0035

从误差结果可以看出，预测模型与实际结果接近。

Claims (1)

1.一种多元非线性石灰石-石膏湿法脱硫效率预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)如果发电机组有给煤量测点，则按式(1)计算发电机组入炉煤量B，

$B=\underset{i=1}{\overset{n_{gm}}{\Σ}}{B}^i---\left(1\right)$

其中：Bⁱ为第i个发电机组给煤量值，单位为t/h，n_gm为发电机组给煤量测点个数；

按式(2)计算发电机组SCR反应器入口烟气含氧量O_2,SCR,in，

$O_{2,SCR,in}=\frac{1}{n}\×\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{O}_{2,SCR,in}^i---\left(2\right)$

其中：为第i个SCR反应器入口烟气含氧量；n为SCR反应器个数；

根据式(3)计算SCR系统反应器入口标态干烟气量Q_gas,SCR,in,N，然后转入步骤2)；

Q_gas,SCR,in,N＝B×1000×(0.099+O_2,SCR,in/(21-O_2,SCR,in)×0.101)×C_ar (3)

其中：C_ar为入炉煤固定碳含量，为固定常数；

否则，根据式(4)计算SCR系统反应器入口标态干烟气量，然后转入步骤2)；

Q_gas,SCR,in,N＝coef×P_el×10^-1×10⁴＝coef×P_el×10³ (4)

其中：P_el为发电机组负荷，单位为MW；coef为发电机组负荷-标态干烟气量折算系数；

2)计算单个SCR反应器入口标态干烟气量和出口标态干烟气量，计算公式如下：

$Q_{gas,SCR,in,N}^i=\frac{1}{n}\×Q_{gas,SCR,in,N}---\left(5\right)$

其中：为第i个SCR反应器入口标态干烟气量，单位为Nm³/h；

$Q_{gas,SCR,out,N}^i=Q_{gas,SCR,in,N}^i+Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in}^i+Q_{air,SCR,in}^i---\left(6\right)$

其中：为第i个SCR反应器出口标态干烟气量，单位为Nm³/h，为第i个SCR反应器入口标态稀释空气量，单位为Nm³/h，为现场直接测量值，单位Nm³/h，为单个SCR反应器入口喷氨流量，单位Nm³/h，为单个SCR反应器入口稀释空气流量，

其中，如果测点测量的为质量流量，则需要根据式(6-1)将其转换为体积流量：

$Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in}^i=\frac{Q_{{\mathrm{NH}}_3,SCR,in,m}^i}{0.771}---(6-1)$

式中，为单个SCR反应器入口喷氨质量流量，单位为kg/h；

如果没有测点，则根据式(6-2)计算：

$Q_{air,SCR,in}^i=\frac{1}{n}\×Q_{air,XSFJ,out}=\frac{1}{n}\×\underset{i=1}{\overset{n_{XSFJ}}{\Σ}}{Q}_{air,XSFJ,out}^i---(6-2)$

式中，Q_air,XSFJ,out为稀释风机出口空气流量，单位为Nm³/h；为第i台稀释风机出口空气流量，单位为Nm³/h；n_XSFJ为稀释风机台数；

3)计算SCR反应器出口至FGD入口之间漏入的空气量，SCR反应器出口和FGD入口处都有烟气氧量测点，根据这两处的烟气氧量计算SCR反应器出口至FGD入口之间漏入的空气量Q_air,SCR-FGD，计算公式如下：

$\begin{array}{c}{Q}_{air,SCR-FGD}\\ =\frac{C_{O_2,FGD,in}\×\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_{gas,SCR,out,N}^i-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(Q_{gas,SCR,out,N}^i\×C_{O_2,SCR,out}^i)}{21-C_{O_2,FGD,in}}\end{array}---\left(7\right)$

其中，为FGD入口烟气含氧量，为第i个SCR反应器出口烟气含氧量；

4)根据式(8)计算FGD入口标态干烟气量Q_gas,FGD,in,N

$Q_{gas,FGD,in,N}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_{gas,SCR,out,N}^i+Q_{air,SCR-FGD}---\left(8\right);$

5)如果FGD入口SO₂浓度测量为体积浓度，则需按式(9)转换成质量浓度如果测量为质量浓度，则无需计算，

$C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,in}=\frac{64}{22.4}\×C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,in,ppm}---\left(9\right)$

其中，为FGD入口SO₂的体积浓度，单位为ppm；

取排口烟气浓度代替FGD出口SO₂浓度，

$C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,out}=C_{{\mathrm{SO}}_2,outlet}---\left(10\right)$

其中，为排口烟气SO₂质量浓度，单位为mg/Nm³，如果现场测量为体积浓度，则需按式(9)将其转换成质量浓度；

6)根据式(11)计算SO₂脱除量

$m_{{\mathrm{SO}}_2,reduced}=Q_{gas,FGD,in,N}\×(C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,in}-C_{{\mathrm{SO}}_2,FGD,out})\×{10}^{-6}---\left(11\right);$

7)根据式(12)计算石灰石浆液中石灰石质量浓度C_lime

$C_{\lim e}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\lim e}({\mathrm{\ρ}}_{slurry}-{10}^3)}{{\mathrm{\ρ}}_{slurry}({\mathrm{\ρ}}_{\lim e}-{10}^3)}---\left(12\right)$

其中：ρ_lime为石灰石密度，单位为kg/m³，ρ_slurry为石灰石浆液密度，单位为kg/m³；

8)根据式(13)计算石灰石消耗量

$m_{{\mathrm{CaCO}}_3}=Q_{slurry}\×{\mathrm{\ρ}}_{slurry}\×C_{\lim e}---\left(13\right)$

其中，Q_slurry为石灰石浆液量，单位为m³/h；

9)根据式(14)计算钙硫摩尔比Ca/S，

$Ca/S=\frac{n_{{\mathrm{CaCO}}_3}}{n_{{\mathrm{SO}}_2,reduced}}=\frac{m_{{\mathrm{CaCO}}_3}/M_{{\mathrm{CaCO}}_3}}{m_{{\mathrm{SO}}_2,reduced}/M_{{\mathrm{SO}}_2}}---\left(14\right)$

其中：为投入脱硫系统中石灰石的摩尔数，为脱除的SO₂的摩尔数，为CaCO₃摩尔质量，为SO₂摩尔质量；

10)计算石灰石浆液循环泵总流量，如果没有单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量测点，则按照式(15)计算单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量然后再计算石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle如式(16)所示；如果有单台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量测点，则直接根据式(16)计算石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle，

$Q_{cycle}^i=Q_{cycle,design}^i\×H_{cycle}^i---\left(15\right)$

其中：为第i台石灰石浆液循环泵石灰石浆液流量的设计值，单位为m³/h，为该石灰石浆液循环泵的运行小时；

石灰石浆液循环泵的总流量Q_cycle为：

$Q_{cycle}=\underset{i=1}{\overset{n_{cycle}}{\Σ}}{Q}_{cycle}^i---\left(16\right)$

式中：n_cycle为投运的石灰石浆液循环泵台数；

11)根据式(17)计算液气比L/G，

$L/G=\frac{Q_{cycle}\×1000}{Q_{gas,FGD,in,N}}---\left(17\right);$

12)计算浆液PH值pH

如果浆液PH值有多个测点，则取平均值；

13)根据式(18)对脱硫效率进行预测，得到预测脱硫效率

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,predict}=1-\exp (-K\×{\left(pH\right)}^{{\mathrm{\α}}_1}\×{\left(Ca/S\right)}^{{\mathrm{\α}}_2}\×{\left(L/G\right)}^{{\mathrm{\α}}_3})---\left(18\right)$

其中：K为传质系数，pH为浆液PH值，α₁为浆液PH值对传质单元数NTU的影响指数，α₂为钙硫摩尔比对传质单元数NTU的影响指数，α₃为液气比对传质单元数NTU的影响指数。