李 順，王春波，司 桐

(華北電力大學 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點實驗室,河北 保定 071003)

我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短時間內(nèi)難以根本改變，據(jù)統(tǒng)計，2021 年火力發(fā)電量占全國發(fā)電量的68%[1]，在能源供給中發(fā)揮“壓艙石”作用。煤炭燃燒過程中會生成NOx、SO2、PM 等污染物。國家針對污染物排放要求日漸嚴格。為此燃煤電廠采用多種途徑進行污染物的排放控制。傳統(tǒng)的煙氣處理流程是SCR、除塵器、脫硫塔、煙囪排放。然而在運行過程中發(fā)現(xiàn)，爐膛出口煙氣中攜帶的飛灰會對下游設(shè)備造成堵塞、中毒等問題。高溫過濾技術(shù)從20 世紀70 年代開始發(fā)展，在化工等領(lǐng)域逐步得到應用[2-3]。隨著材料技術(shù)的不斷升級，高溫除塵技術(shù)在電廠中的應用優(yōu)勢開始受到關(guān)注。20 世紀90 年代，美國Pall 公司開發(fā)Fe-Al 金屬間化合物并在IGCC 等發(fā)電系統(tǒng)中有一定的應用[4]。馬潔等[5]對柔性膜高溫除塵器進行模擬，優(yōu)化了相關(guān)模型結(jié)構(gòu)；王春波等[6-7]分析評估了基于高溫除塵的多污染物協(xié)同控制技術(shù)路線的可行性，并對該路線進行多屬性綜合評價。

Aspen Plus 軟件由麻省理工學院開發(fā)，已成為各國研究學者使用的標準大型流程模擬軟件。該軟件被廣泛應用于燃煤電廠工作運行的過程分析。陳珂[8]利用Aspen Plus 軟件模擬了加壓條件下對富氧燃燒煙氣同時脫硫脫硝的工藝過程；任洪運等[9]利用該軟件模擬了在不同工況下的操作參數(shù)對余熱鍋爐SCR 脫硝過程中氨逃逸和脫硝效率的影響；金豪等[10]針對燒結(jié)煙氣處理過程中的氨法脫硫過程進行了模擬研究；張文彪[11]對利用石灰石濕法脫硫的污染物控制過程進行了模擬，并優(yōu)化了過程參數(shù)。SILVANO 等[12]利用軟件中的自定義模塊及Fortran 計算完成了固廢產(chǎn)熱發(fā)電系統(tǒng)中的燃燒及煙氣凈化過程。但目前研究多集中于對燃煤煙氣處理流程中某個具體單元如脫硫塔仿真優(yōu)化，而未考慮煙氣在全流程設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)耦合，特別是對于基于高溫除塵技術(shù)的新型多煙氣污染物協(xié)同控制系統(tǒng)的模擬研究鮮見報道。

筆者以2021 年投運的國內(nèi)首套采用高溫除塵技術(shù)并聯(lián)合臭氧深度污染物協(xié)同控制的410 t/h 燃煤鍋爐為研究對象，利用Aspen Plus 模擬了煙氣從爐膛出口經(jīng)高溫除塵器、SCR、臭氧前置氧化管道、氨法脫硫吸收塔等裝置的運行狀態(tài)，通過模塊的組合搭建，研究了高溫除塵器與SCR 協(xié)同運行特性，以及除塵器前置對系統(tǒng)流程阻力的影響，并結(jié)合電廠實際運行數(shù)據(jù)進行對比驗證。最后，通過靈敏度分析研究了運行參數(shù)對污染物排放特性的影響，以期為高溫除塵技術(shù)的多污染物協(xié)同控制優(yōu)化和能效評價提供理論支持和運行指導。

1 實 驗

1.1 模擬對象

該機組高溫除塵器濾芯采用YT 金屬間化合材料[13]，SCR 脫硝系統(tǒng)采用微孔催化劑1+1 單層布置，由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧進行NO 的深度氧化，脫硫塔采用氨法單塔吸收方式。煙氣處理流程如圖1 所示，燃煤煙氣從爐膛出口經(jīng)高溫除塵器后進入SCR 反應器中進行脫硝反應后，與臭氧發(fā)生裝置產(chǎn)生的臭氧混合在脫硫塔內(nèi)實現(xiàn)NOx的深度脫除。

1.2 模擬工況

環(huán)境參數(shù)：大氣壓力為101 kPa，溫度25 ℃。結(jié)合實際運行工況，機組在約70%負荷下入口煙氣參數(shù)見表1。

表1 煙氣參數(shù)Table 1 Flue gas parameters

1.3 模型假設(shè)

為便于計算，進行如下假設(shè)：

(1)整個系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定[14]，整個過程為絕熱狀態(tài)，不考慮與外界換熱。

(2)煙氣為均勻混合的氣固混合流[15]，其中氣體成分為N2、H2O、O2、SO2、NO 和CO2。各階段所通入的氨氣或臭氧與煙氣均勻混合后進入反應器發(fā)生反應。

(3)脫硫階段不考慮吸收塔內(nèi)的壓力損失[16]，不考慮反應產(chǎn)物在吸收液中的鹽析現(xiàn)象，吸收過程僅考慮氣體的吸收，氧化階段僅考慮氧化作用。

根據(jù)煙氣處理流程中各裝置的功能作用，結(jié)合Aspen Plus 中相關(guān)模塊對全流程進行劃分，共分為高溫除塵模型、SCR 脫硝模型、臭氧前置氧化模型和脫硫模型4 部分。結(jié)合操作條件及物性方法選擇準則確定高溫除塵模型、SCR 脫硝模型及臭氧前置氧化模型使用IDEAL 物性方法，脫硫模型使用ELECNRTL物性方法[17]。

通過模塊的組合搭建完成全系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模擬流程Fig.2 System simulation flowchart

1.3.1高溫除塵器模型

高溫除塵器模型用組裝過濾器模塊(FabFl)進行模擬，煙氣流經(jīng)過濾器進行氣固兩相分離，過濾后的煙氣經(jīng)換熱器降溫后進入下一流程模型；FabFl 模塊選用固體分離器模型。結(jié)合工程實際情況，該過濾器模塊所模擬的高溫除塵器總過濾面積為12 540 m2，過濾風速為0.81 m/min。

1.3.2SCR 脫硝模型

SCR 模型包括混合器模塊(Mixer)、平推流反應器模塊(Rplug)。脫硝反應所需氨氣經(jīng)Mixer 模塊與煙氣混合后流入Rplug 模塊進行脫硝反應。由于煙氣在SCR 反應器中隨孔道流動，所以選用能夠模擬單相或多相反應體系的Rplug 模塊進行模擬。Rplug 模塊參數(shù)參照實際SCR 反應器尺寸：長5.15 m，直徑3.97 m。

在SCR 反應器中，當NH3/NO 摩爾比接近1.0 且SCR 進口含氧量為3%，在低于400 ℃的反應溫度下僅考慮發(fā)生標準SCR 反應[18]，該反應是關(guān)于NH3的零級反應、NO 的一級反應、O2的零級反應，故反應動力學可視為

1.3.3臭氧氧化模型

臭氧前置氧化模型包含換熱器模塊(Heater)、混合器模塊(Mixer)和平推流反應器模塊(Rplug)。經(jīng)Heater 模塊降溫后的煙氣與通入的臭氧被Mixer 模塊混合均勻流入Rplug 模塊。研究對象電廠臭氧前置氧化裝置設(shè)置在脫硫塔入口前側(cè)，煙氣流經(jīng)該階段時溫度降至130 ℃以下。NO 與臭氧的比例不同時會產(chǎn)生不同的氧化產(chǎn)物，因此在此階段考慮發(fā)生式(2)、(3)反應[20]，反應動力學采用冪律型。

1.3.4脫硫模型

脫硫模型包含嚴格分離塔模塊(RadFrac)、分離器模塊(FSplit)、化學計量反應器模塊(Rstoic)和組分分離模塊(Sep)。現(xiàn)場為氨法脫硫，采用煙氣與臭氧反應后通入Radfrac 模塊，氨水從塔頂進入與煙氣充分混合，煙氣中的SO2等氣體在吸收區(qū)被堿性溶液吸收形成含有離子的混合溶液，塔底流出物經(jīng)FSplit 模塊分為2 個流股，一部分返回吸收塔實現(xiàn)漿液循環(huán)，一部分流入Rstoic 反應模塊與通入的氧氣發(fā)生反應實現(xiàn)對亞硫酸根的氧化，生成的硫酸銨經(jīng)Sep 模塊分離，煙氣中未被吸收的氣體從塔頂氣相側(cè)流出。在脫硫過程中考慮發(fā)生以下化學反應[21]：

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗證

流程搭建完成并調(diào)試運行，部分關(guān)鍵節(jié)點處的模擬結(jié)果見表2。

表2 模擬結(jié)果Table 2 Simulation results

從表2 計算可知，所構(gòu)建模型的除塵效率在99.967%，SCR 出口NOx質(zhì)量濃度為48.2 mg/Nm3，脫硝效率為93.1%，氨逃逸3.24×10-6，脫硫塔脫硫效率為97.3%，最終脫硫塔出口煙氣中含塵量為5.35 mg/Nm3，NOx排放質(zhì)量濃度26.1 mg/Nm3，SO2排放質(zhì)量濃度15.9 mg/Nm3。此外，在本文模擬中，脫硫塔對于煙氣中的飛灰具有協(xié)同脫除效果，其對進入脫硫塔的飛灰脫除率為22.7%。

實際工程運行中，進行不同負荷下的測試[22]。在70%負荷，對應煙氣量為290 000 Nm3/h，穩(wěn)定運行120 h，在脫硫塔出口處測得各污染物排放質(zhì)量濃度如圖3 所示。由圖3 可知，該電廠運行狀態(tài)較為穩(wěn)定，各污染物排放質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)較大波動。出口煙氣含塵量在4～7 mg/Nm3，NOx排放質(zhì)量濃度在24～30 mg/Nm3，SO2排放質(zhì)量濃度在14～20 mg/Nm3，均符合國家針對燃煤電廠大氣污染物超低排放要求[23]。

將模型運行結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表3。

表3 模擬結(jié)果與實際工況對比Table 3 Comparison of simulation results with actual operating conditions

由表3 可知，本文所構(gòu)建的模型運行結(jié)果與實際工況值誤差較小。限于工程實際難以進行過多的變參數(shù)試驗，但此類數(shù)據(jù)對系統(tǒng)優(yōu)化運行又是必要的需求，基于本文所建立的模型準確度較高，可利用該模型探究各設(shè)備不同操做參數(shù)條件下的運行狀態(tài)。當燃煤鍋爐負荷發(fā)生變化時，可通過改變進口煙氣參數(shù)、調(diào)整模塊變量輸入值對變負荷后的設(shè)備運行狀態(tài)進行模擬，以對后續(xù)優(yōu)化運行提供指導。

2.2 高溫除塵對系統(tǒng)壓降的影響

系統(tǒng)工況穩(wěn)定運行在70%負荷下時，煙氣處理流程中各設(shè)備壓降如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)中各設(shè)備壓降Fig.4 Equipment pressure drops

由圖4 可以看出，煙氣流經(jīng)高溫除塵器和SCR 時的壓降分別為250 Pa 和500 Pa。改造前，在相同工況下煙氣依次流經(jīng)SCR、布袋除塵器時的壓降在800 Pa和1 000 Pa 左右，且空氣預熱器的壓降變化尤為明顯，從1 300 Pa 降到800 Pa 左右[22]，這是因為采用高溫除塵器、SCR 脫硝的布置方式，可將煙氣中的灰塵在進入SCR 裝置前脫除，降低了對下游設(shè)備如SCR、空氣預熱器的堵塞，進而減少對催化劑的損害[24]，在一定程度上減輕了引風機的功耗。

2.3 靈敏度分析

運行過程中各設(shè)備的操作參數(shù)變化會對其工作狀態(tài)產(chǎn)生一定影響，通過變化各單元操作參數(shù)，觀察其對出口物質(zhì)流的影響，可為系統(tǒng)優(yōu)化運行提供理論依據(jù)。為此，采用Aspen Plus 中靈敏度分析功能對各設(shè)備運行參數(shù)影響進行探究。

2.3.1溫度對SCR 的影響

由于研究對象電廠采用高溫除塵器除塵方式，將脫硝反應器布置在高溫除塵器與省煤器之間，煙氣在流經(jīng)SCR 脫硝裝置時溫度會降至330 ℃左右，符合目前商業(yè)上普遍使用催化劑的活性溫度窗口300～420 ℃[25]，為此利用該脫硝模型模擬探究在氨氮摩爾比為1.0 時反應溫度對脫硝反應及氨逃逸的影響，如圖5 所示。隨著反應溫度的升高，脫硝效率不斷升高，氨逃逸不斷降低，即溫度升高促進反應的進行。在300～350 ℃，溫度升高對脫硝效率提高的促進作用較為顯著；溫度超過350 ℃后，脫硝效率的增加逐漸放緩。當反應溫度低于300 ℃時，氨逃逸將超過8×10-6，在實際運行中，較高的氨逃逸會與煙氣中SO3生成硫酸銨和硫酸氫銨[26]，造成催化劑或空預器的堵塞，因此反應溫度應控制在320～350 ℃，既能達到較高的脫硝效率，又能保證氨逃逸不會過高。

圖5 反應溫度對脫硝效率和氨逃逸的影響Fig.5 Effects of reaction temperature on denitrification rate and ammonia escape

2.3.2氨/氮摩爾比的影響

現(xiàn)場運行中，合理控制SCR 的噴氨量需要重點關(guān)注，根據(jù)工程實際工況，研究330 ℃下氨/氮摩爾比對脫硝效率及氨逃逸的影響，如圖6 所示。

圖6 氨氮摩爾比對脫硝效率及氨逃逸的影響Fig.6 Effects of ammonia-nitrogen molar ratio on denitrification rate and ammonia escape

由圖6 可知，當氨氮摩爾比小于1.0 時，脫硝效率隨著NH3量的增加而提高；當NH3/NO 摩爾比為1.0 時，脫硝效率在93.1%附近，與實際運行工況下的接近。目前投運火電機組的SCR 脫硝效率通常在80%以上，且隨著運行時間的延長，催化劑磨損堵塞等問題加劇，脫硝效率不斷下降，需要定期更換催化劑。本文研究對象電廠由于SCR 采用高溫低塵布置，飛灰對SCR 催化劑的損害程度減輕，因此能夠維持較高的脫硝效率。當氨氮摩爾比大于1.2 時，NH3量的增加對脫硝效率的提高不明顯，反而會造成氨逃逸的顯著提高，因此，最佳氨氮摩爾比在1.0～1.1。

2.3.3脫硫塔進口煙溫對臭氧氧化的影響

為達超低排放要求深度脫除NO，研究對象電廠在脫硫塔入口前側(cè)布置臭氧發(fā)生裝置。O3通入煙道中的溫度決定了脫除效果。利用臭氧氧化模型模擬探究O3/NO 摩爾比為1.0 時，溫度對O3氧化NO 的影響，模擬結(jié)果如圖7 所示。在60～140 ℃，溫度的變化對NO 的轉(zhuǎn)化率影響不明顯；當溫度超過140 ℃，隨溫度升高，NO 的轉(zhuǎn)化率開始降低，且下降速率不斷加大。這是由于O3具有極強的氧化性，進入煙道后在短時間內(nèi)能將NO 氧化，但O3受溫度影響較大，在常溫下可自行熱分解為氧氣，高溫會促進其自身的分解速率，因此溫度超過140 ℃后，溫度升高加劇O3向O2轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為NO 轉(zhuǎn)化率降低[20]。

圖7 脫硫塔進口溫度對O3 氧化NO 的影響Fig.7 Effect of temperature at the inlet of the desulfurization tower on O3 oxidation of NO

2.3.4臭氧量對NO 氧化的影響

合理控制O3的通入量，在深度脫除NO 的同時達到節(jié)約成本的效果。臭氧量對NO 氧化的影響模擬結(jié)果如圖8 所示。

圖8 O3/NO 摩爾比對NO 氧化產(chǎn)物的影響Fig.8 Effect of O3/NO molar ratio on NO oxidation products

當O3量較少時，NO 被氧化成NO2；當O3/NO 摩爾比達1.0 時，理論上NO 會完全氧化成NO2，但由于O3自身的分解消耗損失了部分O3，所以O(shè)3/NO 摩爾比在1.1 左右時，NO 才被完全氧化。當O3量繼續(xù)增加時，多余的O3會繼續(xù)氧化NO2生成N2O5。因此，在電廠實際運行過程中，為達到深度脫硝和節(jié)省成本的目的，應將O3/NO 摩爾比控制在1.0～1.1。

2.3.5脫硫塔進口煙溫對脫硫效率的影響

脫硫塔進口煙溫對脫硫效率的影響如圖9 所示。

圖9 溫度對脫硫效率的影響Fig.9 Effect of temperature on desulfurization efficiency

由圖9 可知，當進口煙溫在110 ℃時，脫硫效率為97.3%，隨著溫度升高，脫硫效率逐漸下降，可能是由于混合煙氣和吸收液接觸時，與溶液達到氣-液平衡狀態(tài)，根據(jù)亨利定律，溫度越高，氣體溶解度越低，煙氣在吸收塔內(nèi)逆流與吸收液接觸溶解并發(fā)生反應的概率降低，最終導致脫硫效率下降。然而，溫度過低時，煙氣溫度低于酸性氣體酸露點，易對煙氣管道產(chǎn)生腐蝕作用[27]，因此在確保溫度高于酸露點的前提下，盡可能降低進口煙溫，有助于提高脫硫效率。

3 熱經(jīng)濟性分析

?分析是基于熱力學第一、第二定律分析系統(tǒng)能耗的有效途徑，采用該方法對高溫除塵技術(shù)的多污染物協(xié)同控制技術(shù)路線進行熱經(jīng)濟分析。通過分析系統(tǒng)流程，尋找能效損失原因并改進，以提升系統(tǒng)能量利用率。?是指當物質(zhì)流、熱流或功與參考環(huán)境達到相對平衡時的最大做功量，而在實踐中，流入某系統(tǒng)的?總是大于輸出的?，其差值是由于不可逆損失造成的，稱為?損。由于煙氣從爐膛出口流出時處于高溫狀態(tài)，具有較大的做功潛能。因此可利用?效率η對煙氣處理單元設(shè)備能量利用效率進行評價。

式中，Ein、Eout分別為輸入?和輸出?。

在該系統(tǒng)中，煙氣、空氣等理想氣體混合物的物理?和化學?可根據(jù)式(12)、(13)[28]計算，參考環(huán)境溫度T0和壓力P0分別為25 ℃、101 kPa。

式中，Ephy、Eche分別為物理?和化學?，kJ；n為摩爾流量，kmol/h；xi為組分i的摩爾分率；ci為組分i定壓摩爾比熱容；T為當前溫度，K；P為當前壓力，kPa；k為絕熱指數(shù)；eche,i為組分i的化學比?，kJ/kmol。

煙氣處理流程中各單元?效率的計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 煙氣處理單元?效率Fig.10 Exergy efficiency of flue gas treatment unit

由圖10 可知，SCR、臭氧氧化室的?效率相對較高，分別為95.98%和97.20%，脫硫塔?效率為87.95%，其?損失的原因在于脫硫塔循環(huán)水泵電耗及脫硫塔氣側(cè)排煙溫度熱量散失導致，而高溫除塵器?損最大，?效率僅為76.26%，這是由于高溫除塵器將高溫煙氣中攜帶的高溫灰在高溫狀態(tài)下進行分離，而過濾出的高溫灰的熱量如未能進行有效的利用，熱量損失將成為主要因素。因此，可通過對高溫灰的高效利用以降低系統(tǒng)能耗損失，如采用干式冷渣機或干熄焦裝置對高溫灰熱量進行回收再利用。

4 結(jié)論

(1)采用高溫除塵器在前、SCR 脫硝在后布置方式，能有效降低煙氣中的飛灰含量，緩解SCR 堵塞問題，降低煙氣處理環(huán)節(jié)中的壓降，降低引風機的功耗。

(2)結(jié)合模擬考慮經(jīng)濟性、環(huán)保等因素，在實際脫硝過程中溫度在330 ℃、氨氮摩爾比在1.0～1.1 時為較佳工作工況；采用臭氧進行深度脫除NOx時，O3/NO摩爾比在1.05 左右、溫度確保在酸露點之上盡可能的降低，脫硫效果更佳。

(3)高溫除塵技術(shù)路線中高溫除塵器?損高于其他設(shè)備，主要是由于高溫灰的熱量散失導致，因此高溫灰的高效利用將有效提高能源利用效率，降低系統(tǒng)損耗。