CN112992278B - 一种空气预热器中硫酸氢铵生成温度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃煤电厂技术领域，具体涉及一种空气预热器中硫酸氢铵生成温度的计算方法，包括以下步骤：1、检测燃煤电厂煤中收到基的含硫量，根据煤炭含硫量计算出收到基燃烧后烟气中的SO₂浓度；2、计算锅炉燃烧过程中由SO₂均相反应生成的SO₃的速率；3、计算烟气中飞灰将SO₂催化为SO₃的速率；4、计算烟气经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率；5、根据脱硝反应动力学结合SCR脱硝反应器潜能计算NH₃逃逸浓度；6、结合计算出的SO₃浓度和NH₃浓度，计算燃煤电厂空气预热器中硫酸氢铵(ABS)生成温度。该发明从电厂整个工艺过程考虑，根据煤中含S量和脱硝反应参数计算空气预热器中ABS生成温度，克服了以往研究中需要测量SO₃浓度和NH₃浓度的困难。

Description

一种空气预热器中硫酸氢铵生成温度的计算方法

技术领域

本发明涉及燃煤电厂技术领域，具体涉及一种空气预热器中硫酸氢铵生成温度的计算方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

选择性催化还原脱硝技术(SCR)由于其高效的NO_X脱除效率被广泛应用于电厂尾部烟气处理处，当NH₃注入到SCR系统后，大部分的NH₃与NO_X反应生成N₂，但由于喷氨不均匀和催化剂失活等原因，不可避免会产生一定量逃逸NH₃。煤炭在燃烧过程生成的SO₂有一部分通过均相反应转化为SO₃，烟气中SO₂在经过飞灰和SCR脱硝催化剂的过程中会通过非均相反应产生SO₃，这就造成烟气中含有一定量的SO₃，当温度较低时SO₃与水蒸气结合生成H₂SO₄。逃逸的NH₃与烟气中存在的H₂SO₄或SO₃会在空气预热器内反应生成粘性的硫酸氢铵(ABS)，引起空气预热器腐蚀、堵灰和烟阻升高等问题，严重时会影响电厂的正常运行。

要研究ABS造成的积灰腐蚀问题，首先要了解ABS的生成温度。目前，不少国内外学者对ABS的生成温度进行了理论和实验的研究，但是，以往对ABS生成温度的研究是在已知SO₃和NH₃浓度前提下进行的，而实际过程中逃逸NH₃和SO₃浓度较难测量。

发明内容

本发明提供一种空气预热器中硫酸氢铵(ABS)生成温度的计算方法，从SO₃的反应动力学和SCR脱硝反应动力学出发，提出一种可根据煤中含S量和脱硝反应参数等容易测量的参数，从整个工艺角度计算燃煤电厂空气预热器中ABS生成温度的方法。

具体地，本发明的技术方案如下所述：

1.一种空气预热器中硫酸氢铵(ABS)生成温度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：检测燃煤电厂煤中收到基的含硫量，根据煤炭含硫量计算出收到基燃烧后烟气中的SO₂浓度：先根据收到基的S含量计算1kg收到基燃烧产生的烟气中SO₂的体积；再根据烟气中SO₂的体积和实际烟气量的比值计算出收到基燃烧后烟气中SO₂浓度；

步骤2：运用SO₃的化学反应动力学，计算煤炭燃烧过程中由SO₂均相反应生成的SO₃的速率；

步骤3：运用SO₃的化学反应动力学，计算烟气中飞灰将SO₂催化为SO₃的速率；

步骤4：结合SO₂在SCR脱硝催化剂上的催化机理，计算烟气经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率；

步骤5：根据脱硝反应动力学结合SCR脱硝反应器潜能计算NH₃逃逸浓度；

步骤6：根据步骤2至步骤5，计算出空气预热器入口的SO₃浓度和NH₃逃逸浓度后，计算燃煤电厂空气预热器中硫酸氢铵(ABS)生成温度。

本发明的具体实施方式具有以下有益效果：

1、本发明实施方式中的计算方法首次从电厂中煤炭燃烧整个工艺角度考虑出发计算烟气中SO₃的浓度和SCR过程中NH₃逃逸，且均利用了化学反应动力学。

2、本发明实施方式中的计算方法可以从容易获取的煤中含S量和脱硝反应参数计算空气预热器中ABS生成温度，克服了以往需要测量SO₃和NH₃浓度的困难，烟气中SO₃浓度的测量尤为困难。

3、本发明实施方式中的计算方法可以在已知电厂DCS数据和煤质信息情况下即可计算ABS生成温度，简化了ABS生成温度的计算方法，对于指导空气预热器的吹灰，减缓ABS的沉积腐蚀具有重要意义。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的计算方法的流程框图；

图2是应用本发明得到的不同煤中含硫量与SCR出口SO₃浓度的关系图；

图3是应用本发明得到的不同煤中含S量与ABS生成温度的关系图；

图4是应用本发明得到的从锅炉出口到SCR出口SO₃浓度与实际电厂中SO₃浓度比较图；

图5是应用本发明得到NH₃逃逸量的变化趋势与实际电厂中NH₃逃逸浓度的比较图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种实施方式中，提供了一种空气预热器中硫酸氢铵(ABS)生成温度的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：检测燃煤电厂煤中收到基的含硫量，根据煤中含硫量计算出收到基燃烧后烟气中的SO₂浓度：

先根据收到基的S含量计算1kg收到基燃烧产生的烟气中SO₂的体积；再根据烟气中SO₂的体积和实际烟气量的比值计算出收到基燃烧后烟气中SO₂浓度；

步骤2：运用SO₃的化学反应动力学，计算煤炭燃烧过程中由SO₂均相反应生成的SO₃的速率；

步骤3：运用SO₃的化学反应动力学，计算烟气中飞灰将SO₂催化为SO₃的速率；

步骤4：结合SO₂在SCR脱硝催化剂上的催化机理，计算烟气经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率；

步骤5：根据脱硝反应动力学结合SCR脱硝反应器潜能计算NH₃逃逸浓度；

步骤6：根据步骤2至步骤5，计算出空气预热器入口的SO₃浓度和NH₃逃逸浓度后，计算燃煤电厂空气预热器中硫酸氢铵(ABS)生成温度。

在一种具体的实施方式中，步骤1中1kg收到基燃料燃烧产生的烟气中SO₂的体积V_SO2为1kg S完全燃烧需氧量与1kg收到基中的含S量的乘积；所述1kg S完全燃烧需氧量为0.7m³(标准状态)；

式中，S_ar为收到基S含量，％；V_SO2为烟气中SO₂的体积，m³/kg；

收到基燃烧后烟气中SO₂浓度C_SO2为：烟气中SO₂的体积V_SO2与实际烟气量V_y的比值；

式中，C_SO2表示烟气中SO₂浓度，ppm；V_y表示实际烟气量，m³/kg。

在一种具体的实施方式中，步骤2中锅炉燃烧过程中由SO₂均相反应生成的SO₃的速率R_{f_1}的计算方法为：首先使用阿伦尼乌斯公式计算反应速率常数K₁，则SO₂均相反应生成的SO₃的速率R_{f_1}反应速率为反应速率常数K₁与SO₂的浓度C_SO2以及O₂浓度C_O2的乘积，其中SO₂的反应级数为1，O₂的反应级数为0.5；

R_{f_1}＝K₁×C_SO2×C_O2 ^0.5 (3)

K₁＝A₁×exp(-E_a1/RT) (4)

式中，A₁为指前因子，(m³/mg)^0.5·s^-1；E_a1为活化能，kJ/mol；R为气体常，8.3145J/mol·K；T为绝对温度，K；C_SO2和C_O2分别为SO₂和O₂的浓度，mg/m³。

在一种具体的实施方式中，步骤3中烟气中飞灰将SO₂催化为SO₃的速率R_{f_2}计算方法为：

首先使用阿伦尼乌斯公式计算反应速率常数K₂，则飞灰催化SO₂生成的SO₃的速率R_{f_2}反应速率为反应速率常数K₂与SO₂的浓度C_SO2以及O₂浓度C_O2的乘积，其中SO₂的反应级数为1，O₂的反应级数为0.5；

R_{f_2}＝K₂×C_SO2×C_O2 ^0.5 (5)

K₂＝A₂×exp(-E_a2/RT) (6)

式中，A₂为指前因子，(m³/mg)^0.5·s^-1；E_a2为活化能，kJ/mol；R为气体常，8.3145J/mol·K；T为绝对温度，K；C_SO2和C_O2分别为SO₂和O₂的浓度，mg/m³在一种具体的实施方式中，步骤4中烟气经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率R_{f_3}计算方法为：根据烟气中SO₂、SO₃、NO、H₂O、NH₃、O₂的浓度C_SO2、C_SO3、C_NO、C_H2O、C_NH3、C_O2对SO₃氧化速率的不同影响系数k₁-k₆计算经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率R_{f_3}；

具体的计算过程为：

计算出以下各乘积的和S₁：影响系数k₂与SO₃浓度的乘积、影响系数k₃与SO₂浓度及SO₃浓度的乘积、影响系数k₄与SO₃浓度及H₂O浓度的乘积、影响系数k₅与SO₃浓度及NH₃浓度的乘积、影响系数k₆与SO₂浓度及SO₃浓度及O₂浓度的平方根的乘积；

计算出S₂：先引入经验公式(1+b·C_NO)表示NO_X对SO₂氧化过程的促进作用，然后将影响系数k₁与SO₂浓度及SO₃浓度及经验公式三项相乘得到S₂；

经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率R_{f_3}为S₂与(1+S₁)的比值。

R_{f_3}＝k₁·C_SO2·C_SO3·(1+b·C_NO)/(1+k₂·C_SO3+k₃·C_SO2·C_SO3+k₄·C_SO3·C_H2O+

式中，C_SO2、C_SO3、C_NO、C_H2O、C_NH3、C_O2分别表示烟气中SO₂、SO₃、NO、H₂O、NH₃、O₂的浓度，mg/m³，k_i(i＝1、2、3、4、5、6)表示影响系数。

在一种具体的实施方式中，步骤5中NH₃逃逸浓度计算方法为：

式中，C_NH3表示NH₃逃逸浓度，mg/m³；η表示脱硝反应效率，％；P表示反应器潜能；C_NOXin表示SCR入口NO_X浓度，mg/m³。

更具体的，步骤5中，脱硝反应效率η是根据脱硝反应动力学求取的：

脱硝反应效率η为SCR入口NO_X浓度与SCR出口NO_X浓度的差值与SCR入口NO_X浓度的比值；

式中，R_NO为NO反应速率，mol/m³·s^-1；C_NO和C_NH3为NO和NH₃的摩尔浓度，mol/m³；a为NH₃的吸附速率常数，s^-1。

在一种具体的实施方式中，步骤5中，反应器潜能随机组运行时间增加而降低，且劣化趋势减缓，对其数据进行拟合得到反应器潜能劣化函数：

从而可以得到反应器潜能P；

式中：t为累积运行时间，P₀为固定机组运行负荷率下的反应器潜能。

在一种具体的实施方式中，步骤6中燃煤电厂空气预热器中硫酸氢铵(ABS)生成温度T_IFT计算方法为：

利用NH₃逃逸浓度计算方法计算出NH₃的浓度C_NH3；

计算出均相生成SO₃的量、飞灰催化生成SO₃的量和SCR脱硝催化剂催化生成SO₃的量的总和C_SO3；

然后求得C_NH3与C_SO3乘积除以10¹²的自然对数，然后使用21.801减去该自然对数得到数值m，用22.89除以m，得到的数值n，n乘以1000然后减去273.15，即得到T_IFT；

式中，T_IFT表示ABS生成温度，℃；[NH₃]和[SO₃]分别表示NH₃和SO₃浓度，ppm；C_SO3表示SO₃浓度，mg/m³；SO_{3f_1}表示均相生成SO₃的量，mg/m³；SO_{3f_2}表示飞灰催化生成SO₃的量，mg/m³；SO_{3f_3}表示SCR脱硝催化剂催化生成SO₃的量，mg/m³。

在一种具体的实施方式中，SO₃的生成，即SO₃的均相生成，飞灰催化SO₃生成和SCR脱硝催化剂催化SO₃生成，三部分均是动力学反应生成。

实施例

一种空气预热器中硫酸氢铵(ABS)生成温度的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：根据燃煤电厂煤中收到基的含硫量计算出燃烧后烟气中SO₂浓度，根据某电厂中收到基煤中含S量为1.66％，计算出烟气中SO₂浓度为4293ppm；

步骤2：运用SO₃的化学反应动力学，根据烟气中SO₂浓度和烟气中氧含量，计算出锅炉燃烧过程中均相生成SO₃量为31.9mg/m³；

步骤3：运用SO₃的化学反应动力学，根据烟气中SO₂浓度和烟气中氧含量，计算飞灰催化生成SO₃量为6.1mg/m³；

步骤4：结合SO₂在SCR脱硝催化剂上的催化机理，根据烟气中SO₂浓度和烟气中氧含量，计算出SCR脱硝催化剂催化生成的SO₃量为56.46mg/m³；

此时计算出的空气预热器入口处SO₃浓度为94.46mg/m³，与电厂实际测量值基本吻合，如图4所示；

步骤5：根据脱硝反应器运行一年时间和脱硝效率计算出SCR脱硝后NH₃浓度为3.9mg/m³，与电厂测量值相吻合，如图5所示；

步骤6：将根据煤中含S量1.66％计算出的SO₃浓度和NH₃浓度计算出ABS生成温度为241.1℃。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种空气预热器中硫酸氢铵生成温度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：检测燃煤电厂煤中收到基的含硫量，检测燃煤电厂煤中收到基的含硫量，根据煤炭含硫量计算出收到基燃烧后烟气中的SO₂浓度：

先根据收到基的含硫量计算1kg收到基燃烧产生的烟气中SO₂的体积；再根据烟气中SO₂的体积和实际烟气量的比值计算出收到基燃烧后烟气中SO₂浓度；

步骤2：运用SO₃的化学反应动力学，计算煤炭燃烧过程中由SO₂均相反应生成的SO₃的速率；

步骤3：运用SO₃的化学反应动力学，计算烟气中飞灰将SO₂催化为SO₃的速率；

步骤4：结合SO₂在SCR脱硝催化剂上的催化机理，计算烟气经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率；

步骤5：根据脱硝反应动力学结合SCR脱硝反应器潜能计算NH₃逃逸浓度；

步骤6：根据步骤2至步骤5，计算出空气预热器入口的SO₃浓度和NH₃逃逸浓度后，计算燃煤电厂空气预热器中硫酸氢铵生成温度；

所述步骤6中燃煤电厂空气预热器中硫酸氢铵生成温度T_IFT的计算方法为：利用NH₃逃逸浓度计算方法计算出NH₃的浓度C_NH3；

计算出均相生成SO₃的量、飞灰催化生成SO₃的量和SCR脱硝催化剂催化生成SO₃的量的总和C_SO3；

然后求得C_NH3与C_SO3乘积除以10¹²的自然对数，然后使用21.801减去该自然对数得到数值m，用22.89除以m，得到的数值n，n乘以1000然后减去273.15，即得到T_IFT；

步骤1中1kg收到基燃料燃烧产生的烟气中SO₂的体积V_SO2为1kg S完全燃烧需氧量与1kg收到基中的含S量的乘积；所述1kg S完全燃烧需氧量为0.7m³；V_SO2的单位为m³/kg；

收到基燃烧后烟气中SO₂浓度C_SO2为：烟气中SO₂的体积V_SO2与实际烟气量V_y的比值，C_SO2的单位为ppm；实际烟气量V_y的单位为m³/kg；

步骤2中锅炉燃烧过程中由SO₂均相反应生成的SO₃的速率R_{f_1}的计算方法为：首先使用阿伦尼乌斯公式计算反应速率常数K₁，则SO₂均相反应生成的SO₃的速率R_{f_1}反应速率为反应速率常数K₁与SO₂的浓度C_SO2以及O₂浓度C_O2的乘积，其中SO₂的反应级数为1，O₂的反应级数为0.5；

C_SO2和C_O2的单位为mg/m³；

步骤3中烟气中飞灰将SO₂催化为SO₃的速率R_{f_2}的计算方法为：首先使用阿伦尼乌斯公式计算反应速率常数K₂，则飞灰催化SO₂生成的SO₃的速率R_{f_2}反应速率为反应速率常数K₂与SO₂的浓度C_SO2以及O₂浓度C_O2的乘积，其中SO₂的反应级数为1，O₂的反应级数为0.5；

C_SO2和C_O2的单位为mg/m³；

步骤4中烟气经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率R_{f_3}的计算方法为：

根据烟气中SO₂、SO₃、NO、H₂O、NH₃、O₂的浓度C_SO2、C_SO3、C_NO、C_H2O、C_NH3、C_O2对SO₃氧化速率的不同影响系数k₁-k₆计算经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率R_{f_3}；

R_{f_3}的计算方法为：计算出以下各乘积的和S₁：影响系数k₂与SO₃浓度的乘积、影响系数k₃与SO₂浓度及SO₃浓度的乘积、影响系数k₄与SO₃浓度及H₂O浓度的乘积、影响系数k₅与SO₃浓度及NH₃浓度的乘积、影响系数k₆与SO₂浓度及SO₃浓度及O₂浓度的平方根的乘积；

计算出S₂：先引入经验公式(1+b·C_NO)表示NO_X对SO₂氧化过程的促进作用，然后将影响系数k₁与SO₂浓度及SO₃浓度及经验公式三项相乘得到S₂；

经过SCR脱硝催化剂时由SO₂氧化为SO₃的速率R_{f_3}为S₂与(1+S₁)的比值；

C_SO2、C_SO3、C_NO、C_H2O、C_NH3、C_O2的单位为mg/m³。

2.根据权利要求1所述的空气预热器中硫酸氢铵生成温度的计算方法，其特征在于，步骤5中NH₃逃逸浓度计算方法为：

式中，C_NH3表示NH₃逃逸浓度，mg/m³；η表示脱硝反应效率，％；P表示反应器潜能；C_NOXin表示SCR入口NO_X浓度，mg/m³。

3.根据权利要求2所述的空气预热器中硫酸氢铵生成温度的计算方法，其特征在于，步骤5中，脱硝反应效率η是根据脱硝反应动力学求取的：

脱硝反应效率η为SCR入口NO_X浓度与SCR出口NO_X浓度的差值与SCR入口NO_X浓度的比值。

4.根据权利要求2所述的空气预热器中硫酸氢铵生成温度的计算方法，其特征在于，步骤5中，反应器潜能随机组运行时间增加而降低，且劣化趋势减缓，对其数据进行拟合得到反应器潜能劣化函数：

从而可以得到反应器潜能P；

式中：t为累积运行时间，P₀为固定机组运行负荷率下的反应器潜能。

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