基于CoolProp的脫硝煙氣加熱過程精確計算及應用

楊助喜

(寶武水務科技有限公司,上海 201900)

根據2019年生態環境部等部門聯合發布的35號文要求,到2025年前鋼鐵行業需達到超低排放指標[1],按此要求,鋼鐵企業燒結、焦爐等工序的煙氣排放中NOx濃度均應控制在≤50 mg/m3標準,脫硝效率應達到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、運行穩定,得到大范圍應用[2-3]。

結合鋼鐵企業中的煙氣特點,一般在脫硝裝置入口的煙氣溫度無法穩定達到理想的SCR反應溫度[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溫度[5-6]。

當前雙碳背景下,加大節能減排力度,向高質量可持續發展模式轉變逐步成為行業共識。針對SCR脫硝工藝建立煙氣加熱過程的精確計算模型,用來評估各種升溫要求下的燃氣消耗量,對于系統思考節能降碳,尋找最佳工況點是非常有益的。

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爐或者直燃式爐將燃氣燃燒,燃燒后的高溫煙氣與被加熱煙氣混合,根據工藝需要將煙氣升溫20～30 ℃,從而達到合適的脫硝反應溫度,其典型流程如圖1所示。

圖1 典型煙氣加熱流程

來自廠區的主燃氣或點火燃氣在助燃空氣的條件下燃燒,釋放燃氣熱量,產生高溫氣體,高溫氣體與主煙氣混合,將主煙氣從溫度t1升溫至t2,同時主煙氣的焓值從H1增大至H2,另外由于燃氣燃燒后產生的氣體摻入,使主煙氣體積從V1增大至V2。

1.2 鋼廠常用燃氣

鋼鐵企業煤氣主要含有CO、CO2、H2等成分,常見的煤氣種類有高爐煤氣、焦爐煤氣等[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,且其消耗量已經占到SCR脫硝運行能耗的50%以上,因此減少煙氣脫硝過程中煤氣消耗量是實現節能降碳的重要途徑[8]。

高爐煤氣是高爐煉鐵生產過程中副產的可燃氣體,主要成分是一氧化碳氣體,它是一種低熱值的氣體燃氣,熱值一般在3 000～3 800 kJ/m3。由于高爐煤氣熱值較低,作為主熱燃氣時,一般需要采用其他高熱值燃氣作為點火伴燒,某鋼廠高爐煤氣成分如表1所示。

表1 某鋼廠內高爐煤氣典型成分

焦爐煤氣是煤在焦爐中經過高溫干餾后,在產出焦炭和焦油產品的同時所產生的一種可燃性氣體,是煉焦工業的副產品。由于焦爐煤氣可燃成分多,屬于中高熱值煤氣,熱值一般在9 000～18 000 kJ/m3,某鋼廠焦爐煤氣成分如表2所示。

表2 某鋼廠內焦爐煤氣典型成分

2 加熱過程熱力學模型

燃燒是燃氣中的可燃成分和O2在一定條件下發生的放熱反應,燃燒過程是極其復雜的,但其主要結果可采用以下化學反應式說明[9-10]。采用高爐煤氣或焦爐煤氣作為加熱燃氣時發生的主要反應包括:

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

燃氣燃燒過程一般涉及的熱力學名詞有:熱值、焓值。

其中熱值指1 m3高爐煤氣或焦爐煤氣等燃氣完全燃燒所放出的熱量,單位為kJ/m3,用來表征燃氣的放熱能力,而混合可燃氣體的熱值可由各單一可燃氣體成分的熱值根據混合原則按以下公式計算:

式中:q為混合可燃氣體的低位熱值,kJ/m3;qi為混合可燃氣體中第i種可燃成分的低位熱值,kJ/m3;ri為混合可燃氣體中第i種可燃成分的容積成分。

煙氣焓指煙氣內能加上體積與壓力乘積之和,焓是一個熱力學狀態參數,隨物質狀態變化而變化,可以用煙氣焓差計算其加熱時熱量的變化。

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組分的摩爾分數;hi為煙氣中第i組分物質的比焓,kJ/kg。

為了計算燃氣的消耗量,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為煙氣的質量流量,kg/h;H1y、H2y為主煙氣從升溫前后的焓,分別對應溫度t1、t2狀態,kJ;H1g、H2g為燃氣燃燒產生煙氣升溫前后的焓,分別對應常溫、t2狀態,kJ;Vd為點火燃氣用量,m3/h;Vm為主燃氣用量,m3/h。

由于點火燃氣一般僅作為伴燒不直接參與調節,其用量Vd可視為定值。但主燃氣的用量Vm不僅與主煙氣升溫熱量有關,同時也與其自身燃燒產生的煙氣升溫熱量有關,難以直接求出數學解析解,因此本文采用基于計算機的自動迭代計算方法。

3 基于CoolProp模塊的Python計算方法

3.1 基于CoolProp的物性計算

物性計算是熱力學計算過程中的基礎步驟,得到準確可靠的物性參數是計算結果精確與否的關鍵,常用的物性獲取方法主要有三種:

(1)查詢法。即查詢相關手冊中的已有數據,例如ASHRAE手冊,再利用中間插值法得到任意點參數。

(2)擬合法。即采用經驗擬合公式進行參數計算,該方法獲取數據的速度快,便于在計算機計算中應用,但是在大范圍應用中也會存在擬合精度問題,并且使用中需要輸入大量擬合常數,造成較大麻煩,容易出現誤差。

(3)采用物性計算模型法。即根據物性計算模型推導出物質熱物理參數[11],由于計算量基于模型計算的常見軟件有REFPROP[12]、Aspen[13]等,計算精度高,但大多屬于商業軟件,不便于個人學術研究使用。

本文基于CoolProp[14-15]的計算屬于第三種物性獲取方法,CoolProp是開源物性參數計算模塊,其封裝了各種常用工質的物性參數計算模型,主要是基于赫姆霍茲能量方程,通過計算可實時精確得到各種物質的熱物性參數,從而進行各種熱力學計算。

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

3.2 脫硝煙氣加熱過程計算

采用基于CoolProp的物性計算模塊和熱力學分析方法,在Python環境下,對計算過程進行軟件編程,實現了燃氣消耗量的精確計算。

軟件輸入界面有被加熱煙氣量、煙氣成分、起始溫度、目標溫度以及燃燒的空氣過剩系數等。軟件內預設了鋼廠常見的高爐煤氣、焦爐煤氣以及煙氣成分,同時也可自定義輸入。計算結果在軟件右側集中顯示,同時也可將結果導出計算書。軟件主界面如圖2所示。

圖2 燃燒計算界面

采用此方法實現煙氣加熱過程計算的主要優勢有:

(1)基于CoolProp物性計算模塊,可精確計算各成分的焓值等參數,提高計算結果的準確性,充分發揮計算機優勢,徹底拋開查手冊的過程。

(2)以簡潔直觀的交互界面展示,將熱值計算、物性計算等分散內容進行整合,實現計算結果的有效反饋,從而提高工作效率,降低設計人員工作強度。

(3)通過軟件封裝可避免計算過程的變動,能夠保證計算結果的一致性。

(4)可根據需要設置軟件使用權限,滿足不同人員的工作實際需要。

4 計算結果應用

此處采用焦爐煤氣進行升溫為例,通過本軟件計算結果,分別對燃氣消耗量與煙氣升溫幅度Δt、空氣過剩系數α、煙氣起始溫度t1以及煤氣種類之間的關系進行統計分析,結果如下:

(1)煙氣溫升幅度Δt。煙氣溫升幅度Δt是影響煤氣耗量的關鍵因素,從圖3可以看出,在升溫10～50 ℃的計算區間內,總體上煤氣耗量與煙氣溫升幅度Δt成正比,但實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 ℃時煤氣在成比例增加的基礎上另有1.6%～5.3%的增量。因此在實際生產中應在滿足脫硝反應溫度的基礎上,盡量降低煤氣升溫幅度Δt,以達到節能降碳目的。

圖3 煤氣耗量與煙氣溫升幅度關系

(2)空氣過剩系數α?？諝膺^剩系數α為“實際空氣用量/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,空氣過剩系數從1.0～1.4對應的煤氣耗量如圖4所示,空氣過剩系數每降低0.05,可減少煤氣耗量約0.26%。因此在生產中應提高燃燒過程的自動化程度和操作水平,盡量控制空氣過剩系數α在1.2以內,既要保證燃氣的完全燃燒,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關系

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

圖5 煤氣耗量與煤氣種類關系

另外可以看出同樣升溫30 ℃,不管是高爐煤氣還是焦爐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%,焦爐煤氣耗量減少約0.88%。因此在工藝系統設計時,應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 論

本文針對SCR脫硝工藝中常見的煙氣加熱過程進行熱力學分析,采用基于CoolProp的物性計算模型,并引入煤氣溫度影響因子,在Python環境下編制了加熱爐軟件,通過迭代計算得到煙氣加熱的精確結果。軟件預設了常見煙氣和煤氣成分數據,可在實際工程應用中大大提高工作效率。

通過對某焦爐煙氣加熱過程計算結果的分析,得出煤氣耗量與幾個相關因素之間的定量關系。提出了在工藝設計或實際生產中應盡量降低目標煙氣的升溫幅度Δt和起始煙氣溫度t1,同時應提高作業水平,將空氣過剩系數α控制在合理范圍內,另外在條件允許的情況下請盡量采用高熱值煤氣作為加熱燃氣。如果綜合以上措施,可減少煤氣消耗量8%～12%,為降低運營費用,實現節能降碳提供參考。