基于CoolProp的脫硝煙氣加熱過程精確計(jì)算及應(yīng)用

楊助喜

(寶武水務(wù)科技有限公司,上海 201900)

根據(jù)2019年生態(tài)環(huán)境部等部門聯(lián)合發(fā)布的35號(hào)文要求,到2025年前鋼鐵行業(yè)需達(dá)到超低排放指標(biāo)[1],按此要求,鋼鐵企業(yè)燒結(jié)、焦?fàn)t等工序的煙氣排放中NOx濃度均應(yīng)控制在≤50 mg/m3標(biāo)準(zhǔn),脫硝效率應(yīng)達(dá)到80%以上。在此背景下,選擇性催化還原法(SCR)脫硝由于處理效率高、運(yùn)行穩(wěn)定,得到大范圍應(yīng)用[2-3]。

結(jié)合鋼鐵企業(yè)中的煙氣特點(diǎn),一般在脫硝裝置入口的煙氣溫度無法穩(wěn)定達(dá)到理想的SCR反應(yīng)溫度[4](一般要求≥180 ℃),因此需要配套煙氣加熱裝置使煙氣溫度升溫,以滿足合適的脫硝反應(yīng)溫度[5-6]。

當(dāng)前雙碳背景下,加大節(jié)能減排力度,向高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變逐步成為行業(yè)共識(shí)。針對(duì)SCR脫硝工藝建立煙氣加熱過程的精確計(jì)算模型,用來評(píng)估各種升溫要求下的燃?xì)庀牧?對(duì)于系統(tǒng)思考節(jié)能降碳,尋找最佳工況點(diǎn)是非常有益的。

1 煙氣加熱過程概述

1.1 典型的煙氣加熱流程

脫硝煙氣加熱裝置一般通過管道式熱風(fēng)爐或者直燃式爐將燃?xì)馊紵?燃燒后的高溫?zé)煔馀c被加熱煙氣混合,根據(jù)工藝需要將煙氣升溫20～30 ℃,從而達(dá)到合適的脫硝反應(yīng)溫度,其典型流程如圖1所示。

圖1 典型煙氣加熱流程

來自廠區(qū)的主燃?xì)饣螯c(diǎn)火燃?xì)庠谥伎諝獾臈l件下燃燒,釋放燃?xì)鉄崃?產(chǎn)生高溫氣體,高溫氣體與主煙氣混合,將主煙氣從溫度t1升溫至t2,同時(shí)主煙氣的焓值從H1增大至H2,另外由于燃?xì)馊紵螽a(chǎn)生的氣體摻入,使主煙氣體積從V1增大至V2。

1.2 鋼廠常用燃?xì)?/h3>

鋼鐵企業(yè)煤氣主要含有CO、CO2、H2等成分,常見的煤氣種類有高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣等[7],熱值從3 000 kJ/m3～18 000 kJ/m3不等。煤氣作為鋼鐵企業(yè)重要的二次能源,為SCR脫硝升溫過程提供了重要的熱能來源,且其消耗量已經(jīng)占到SCR脫硝運(yùn)行能耗的50%以上,因此減少煙氣脫硝過程中煤氣消耗量是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳的重要途徑[8]。

高爐煤氣是高爐煉鐵生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的可燃?xì)怏w,主要成分是一氧化碳?xì)怏w,它是一種低熱值的氣體燃?xì)?熱值一般在3 000～3 800 kJ/m3。由于高爐煤氣熱值較低,作為主熱燃?xì)鈺r(shí),一般需要采用其他高熱值燃?xì)庾鳛辄c(diǎn)火伴燒,某鋼廠高爐煤氣成分如表1所示。

表1 某鋼廠內(nèi)高爐煤氣典型成分

焦?fàn)t煤氣是煤在焦?fàn)t中經(jīng)過高溫干餾后,在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時(shí)所產(chǎn)生的一種可燃性氣體,是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。由于焦?fàn)t煤氣可燃成分多,屬于中高熱值煤氣,熱值一般在9 000～18 000 kJ/m3,某鋼廠焦?fàn)t煤氣成分如表2所示。

表2 某鋼廠內(nèi)焦?fàn)t煤氣典型成分

2 加熱過程熱力學(xué)模型

燃燒是燃?xì)庵械目扇汲煞趾蚈2在一定條件下發(fā)生的放熱反應(yīng),燃燒過程是極其復(fù)雜的,但其主要結(jié)果可采用以下化學(xué)反應(yīng)式說明[9-10]。采用高爐煤氣或焦?fàn)t煤氣作為加熱燃?xì)鈺r(shí)發(fā)生的主要反應(yīng)包括:

H2+0.5O2→H2O

CO+0.5O2→CO2

CH4+2O2→CO2+2H2O

C2H2+2.5O2→2CO2+H2O

C2H4+3O2→2CO2+2H2O

C2H6+3.5O2→2CO2+3H2O

C3H6+4.5O2→3CO2+3H2O

燃?xì)馊紵^程一般涉及的熱力學(xué)名詞有:熱值、焓值。

其中熱值指1 m3高爐煤氣或焦?fàn)t煤氣等燃?xì)馔耆紵懦龅臒崃?單位為kJ/m3,用來表征燃?xì)獾姆艧崮芰?而混合可燃?xì)怏w的熱值可由各單一可燃?xì)怏w成分的熱值根據(jù)混合原則按以下公式計(jì)算:

式中:q為混合可燃?xì)怏w的低位熱值,kJ/m3;qi為混合可燃?xì)怏w中第i種可燃成分的低位熱值,kJ/m3;ri為混合可燃?xì)怏w中第i種可燃成分的容積成分。

煙氣焓指煙氣內(nèi)能加上體積與壓力乘積之和,焓是一個(gè)熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù),隨物質(zhì)狀態(tài)變化而變化,可以用煙氣焓差計(jì)算其加熱時(shí)熱量的變化。

一般煙氣是以CO2、O2、N2為主的混合氣體,煙氣焓值可按以下公式計(jì)算:

式中:h為煙氣的比焓,kJ/kg;mi為煙氣中第i組分的摩爾分?jǐn)?shù);hi為煙氣中第i組分物質(zhì)的比焓,kJ/kg。

為了計(jì)算燃?xì)獾南牧?需建立煙氣加熱過程中的熱平衡,即

(H2y-H1y)+(H2g-H1g)=Vdqd+Vmqm

H=mh

式中:H為煙氣的焓,kJ;m為煙氣的質(zhì)量流量,kg/h;H1y、H2y為主煙氣從升溫前后的焓,分別對(duì)應(yīng)溫度t1、t2狀態(tài),kJ;H1g、H2g為燃?xì)馊紵a(chǎn)生煙氣升溫前后的焓,分別對(duì)應(yīng)常溫、t2狀態(tài),kJ;Vd為點(diǎn)火燃?xì)庥昧?m3/h;Vm為主燃?xì)庥昧?m3/h。

由于點(diǎn)火燃?xì)庖话銉H作為伴燒不直接參與調(diào)節(jié),其用量Vd可視為定值。但主燃?xì)獾挠昧縑m不僅與主煙氣升溫?zé)崃坑嘘P(guān),同時(shí)也與其自身燃燒產(chǎn)生的煙氣升溫?zé)崃坑嘘P(guān),難以直接求出數(shù)學(xué)解析解,因此本文采用基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)迭代計(jì)算方法。

3 基于CoolProp模塊的Python計(jì)算方法

3.1 基于CoolProp的物性計(jì)算

物性計(jì)算是熱力學(xué)計(jì)算過程中的基礎(chǔ)步驟,得到準(zhǔn)確可靠的物性參數(shù)是計(jì)算結(jié)果精確與否的關(guān)鍵,常用的物性獲取方法主要有三種:

(1)查詢法。即查詢相關(guān)手冊(cè)中的已有數(shù)據(jù),例如ASHRAE手冊(cè),再利用中間插值法得到任意點(diǎn)參數(shù)。

(2)擬合法。即采用經(jīng)驗(yàn)擬合公式進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,該方法獲取數(shù)據(jù)的速度快,便于在計(jì)算機(jī)計(jì)算中應(yīng)用,但是在大范圍應(yīng)用中也會(huì)存在擬合精度問題,并且使用中需要輸入大量擬合常數(shù),造成較大麻煩,容易出現(xiàn)誤差。

(3)采用物性計(jì)算模型法。即根據(jù)物性計(jì)算模型推導(dǎo)出物質(zhì)熱物理參數(shù)[11],由于計(jì)算量基于模型計(jì)算的常見軟件有REFPROP[12]、Aspen[13]等,計(jì)算精度高,但大多屬于商業(yè)軟件,不便于個(gè)人學(xué)術(shù)研究使用。

本文基于CoolProp[14-15]的計(jì)算屬于第三種物性獲取方法,CoolProp是開源物性參數(shù)計(jì)算模塊,其封裝了各種常用工質(zhì)的物性參數(shù)計(jì)算模型,主要是基于赫姆霍茲能量方程,通過計(jì)算可實(shí)時(shí)精確得到各種物質(zhì)的熱物性參數(shù),從而進(jìn)行各種熱力學(xué)計(jì)算。

CoolProp允許使用多種第三方程序語言進(jìn)行編程調(diào)用,支持的編程語言包括常見的Python、Matlab、VB.net等[16],應(yīng)用范圍非常廣泛,實(shí)現(xiàn)方法簡單。例如計(jì)算在溫度T為298 K且壓力P為 101 325 Pa 時(shí)計(jì)算氮密度的代碼為D=PropsSI(′D′,′T′,298.15,′P′,101325,′Nitrogen′)。

3.2 脫硝煙氣加熱過程計(jì)算

采用基于CoolProp的物性計(jì)算模塊和熱力學(xué)分析方法,在Python環(huán)境下,對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行軟件編程,實(shí)現(xiàn)了燃?xì)庀牧康木_計(jì)算。

軟件輸入界面有被加熱煙氣量、煙氣成分、起始溫度、目標(biāo)溫度以及燃燒的空氣過剩系數(shù)等。軟件內(nèi)預(yù)設(shè)了鋼廠常見的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣以及煙氣成分,同時(shí)也可自定義輸入。計(jì)算結(jié)果在軟件右側(cè)集中顯示,同時(shí)也可將結(jié)果導(dǎo)出計(jì)算書。軟件主界面如圖2所示。

圖2 燃燒計(jì)算界面

采用此方法實(shí)現(xiàn)煙氣加熱過程計(jì)算的主要優(yōu)勢(shì)有:

(1)基于CoolProp物性計(jì)算模塊,可精確計(jì)算各成分的焓值等參數(shù),提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì),徹底拋開查手冊(cè)的過程。

(2)以簡潔直觀的交互界面展示,將熱值計(jì)算、物性計(jì)算等分散內(nèi)容進(jìn)行整合,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的有效反饋,從而提高工作效率,降低設(shè)計(jì)人員工作強(qiáng)度。

(3)通過軟件封裝可避免計(jì)算過程的變動(dòng),能夠保證計(jì)算結(jié)果的一致性。

(4)可根據(jù)需要設(shè)置軟件使用權(quán)限,滿足不同人員的工作實(shí)際需要。

4 計(jì)算結(jié)果應(yīng)用

此處采用焦?fàn)t煤氣進(jìn)行升溫為例,通過本軟件計(jì)算結(jié)果,分別對(duì)燃?xì)庀牧颗c煙氣升溫幅度Δt、空氣過剩系數(shù)α、煙氣起始溫度t1以及煤氣種類之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如下:

(1)煙氣溫升幅度Δt。煙氣溫升幅度Δt是影響煤氣耗量的關(guān)鍵因素,從圖3可以看出,在升溫10～50 ℃的計(jì)算區(qū)間內(nèi),總體上煤氣耗量與煙氣溫升幅度Δt成正比,但實(shí)際上隨著煙氣升溫幅度增大,煤氣耗量越來越大,煙氣升溫每增加5 ℃時(shí)煤氣在成比例增加的基礎(chǔ)上另有1.6%～5.3%的增量。因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)在滿足脫硝反應(yīng)溫度的基礎(chǔ)上,盡量降低煤氣升溫幅度Δt,以達(dá)到節(jié)能降碳目的。

圖3 煤氣耗量與煙氣溫升幅度關(guān)系

(2)空氣過剩系數(shù)α?？諝膺^剩系數(shù)α為“實(shí)際空氣用量/理論空氣需要量”,表征了燃燒過程中加入的空氣量。以煙氣從170 ℃加熱至200 ℃升溫30 ℃為例,空氣過剩系數(shù)從1.0～1.4對(duì)應(yīng)的煤氣耗量如圖4所示,空氣過剩系數(shù)每降低0.05,可減少煤氣耗量約0.26%。因此在生產(chǎn)中應(yīng)提高燃燒過程的自動(dòng)化程度和操作水平,盡量控制空氣過剩系數(shù)α在1.2以內(nèi),既要保證燃?xì)獾耐耆紵?又要避免不必要的煤氣消耗。

圖4 煤氣耗量與空氣過程系數(shù)關(guān)系

(3)煤氣種類/煙氣起始溫度t1。以常用的煤氣種類為例計(jì)算,高爐煤氣熱值按照3 200 kJ/m3,焦?fàn)t煤氣熱值按照16 500 kJ/m3,煙氣升溫幅度按照30 ℃,計(jì)算的煤氣耗量如圖5所示?？梢钥闯霾捎酶郀t煤氣或焦?fàn)t煤氣均可實(shí)現(xiàn)升溫目的,但采用焦?fàn)t煤氣加熱的總熱耗量更少,加熱過程更加經(jīng)濟(jì),平均節(jié)省約5.6%,因此在條件允許的情況下應(yīng)盡可能采用熱值較高的焦?fàn)t煤氣作為加熱燃?xì)狻?/p>

圖5 煤氣耗量與煤氣種類關(guān)系

另外可以看出同樣升溫30 ℃,不管是高爐煤氣還是焦?fàn)t煤氣均隨著煙氣起始溫度t1的升高而增大。具體為煙氣起始溫度每減少10 ℃,高爐煤氣耗量減少約1.25%,焦?fàn)t煤氣耗量減少約0.88%。因此在工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量降低脫硝段煙氣溫度,同等升溫要求下,原始煙氣溫度t1越低需要消耗的煤氣量越小。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)SCR脫硝工藝中常見的煙氣加熱過程進(jìn)行熱力學(xué)分析,采用基于CoolProp的物性計(jì)算模型,并引入煤氣溫度影響因子,在Python環(huán)境下編制了加熱爐軟件,通過迭代計(jì)算得到煙氣加熱的精確結(jié)果。軟件預(yù)設(shè)了常見煙氣和煤氣成分?jǐn)?shù)據(jù),可在實(shí)際工程應(yīng)用中大大提高工作效率。

通過對(duì)某焦?fàn)t煙氣加熱過程計(jì)算結(jié)果的分析,得出煤氣耗量與幾個(gè)相關(guān)因素之間的定量關(guān)系。提出了在工藝設(shè)計(jì)或?qū)嶋H生產(chǎn)中應(yīng)盡量降低目標(biāo)煙氣的升溫幅度Δt和起始煙氣溫度t1,同時(shí)應(yīng)提高作業(yè)水平,將空氣過剩系數(shù)α控制在合理范圍內(nèi),另外在條件允許的情況下請(qǐng)盡量采用高熱值煤氣作為加熱燃?xì)?。如果綜合以上措施,可減少煤氣消耗量8%～12%,為降低運(yùn)營費(fèi)用,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳提供參考。