基于蒸汽壓縮機的燃煤機組煙氣余熱與水回收量計算

胡赟星

上海東潤換熱設備股份有限公司，上海，201518

0 引言

燃煤機組發電時會排放大量的廢熱，會消耗大量的余熱資源以及水資源，因此對燃煤機組進行節能減排意義重大。通過MVR技術構建的煙氣余熱和水回收系統相對于傳統的低溫省煤器，可以將煙氣溫度降低到露點溫度以下，降低機組的熱損失，因此為探究MVR煙氣余熱和水回收系統的性能，提高其應用程度，本文對基于蒸汽壓縮機的燃煤機組煙氣余熱與水回收量進行計算。

1 煙氣余熱和水回收系統原理

MVR系統可通過真空閃蒸裝置、蒸汽壓縮機以及冷凝器可將脫硫塔使脫硫漿液發生閃蒸作用降低其溫度，降溫后的漿液重新噴入脫硫塔后可吸收煙氣余熱，進行循環使用。并通過蒸汽壓縮機將蒸汽提質，通過冷凝器換熱回用于機組中，蒸汽經冷凝形成冷凝水，可回用于脫硫補水，將燃煤機組的煙氣余熱和水回收使用[1]。其系統構成如圖1所示。

圖1 煙氣余熱和水回收系統構成圖

2 煙氣余熱及水回收量計算

2.1 煙氣余熱及水回收量原理

如圖2所示，在傳統的燃煤機組中，經低溫省煤器處理后的煙氣狀態如點1，煙氣進入脫硫塔發生絕熱降溫增濕過程后煙氣狀態如點3后經排氣筒排放。在增加MVR技術后，煙氣會從點2的狀態繼續降溫，當達到煙汽水蒸氣露點溫度時，達到點3最終狀態，此過程水蒸氣由氣轉液，產生凝結水、減少了脫硫水，即水回收量為凝結水與脫硫水的和。過程中溫度和濕度降低，回收的余熱即煙氣顯熱和汽化潛熱[2]。

圖2 煙氣溫濕圖

2.2 煙氣余熱及水回收量計算

選取某發電廠300MW亞臨界燃煤凝汽式機組為例，計算煙氣余熱回收量和水回收質量流量，該燃煤機組利用MVR技術進行煙氣余熱和水回收。設定計算時工況為額定工況，燃煤各組分數據如下表1所示，濕式脫硫塔入口的煙氣溫度為100℃，出口的煙氣溫度為50℃。空氣預熱器出口的過量空氣系數為1.3，燃煤量為250t/h。

表1 機組煤質參數表

2.2.1 煙氣量及煙氣物性參數計算

理論空氣量可按照煤元素分析或者發熱量進行計算，基于煤元素分析的理論空氣量計算如下。以標況下1kg煤燃燒為基準，燃燒所需理論空氣量為：

式中：Va0為燃燒所需理論空氣量單位Nm3/kg。

基于煤低位發熱量計算的燃燒所需理論空氣量為：

式中：Qnet.ar為煤的收到基低位發熱量，單位kJ/kg；a、b、c為經驗系數，根據煤種的不同確定取值。

為保證燃料的充分燃燒，鍋爐實際運行過程中通入空氣量要大于理論空氣量，則實際空氣量計算公式如下：

式中：α為過量空氣系數，根據資料可知，本項目過量空氣系數取1.3。

煤燃燒時會生成CO2、SO2、H2O、N2，則煙氣量計算時需要計算各組分的生成量，則理論煙氣量計算公式如下：

式中：Vb0為生成的理論煙氣量，單位Nm3/kg；V0i為各組分理論煙氣量，單位Nm3/kg。

而各組分的生成量計算公式如下：

實際煙氣量計算為濕煙氣量計算，需要考慮實際水蒸氣容積、過量氧氣體積，實際煙氣量計算公式如下：

煙氣的摩爾質量計算公式如下：

式中：Mi為各組分摩爾質量，φi為各組分體積分數。

又因其煙氣的物質的量常數不可知，則計算煙氣的質量需要計算各組分質量，煙氣中各組分的質量計算公式如下：

式中：mi為和組分質量，i為各組分，即CO2、SO2、N2；

則煙氣質量的計算公式如下：

煙氣質量流量的計算公式如下：

式中：qm為煙氣質量流量，t為工作時間。

煙氣密度的計算公式如下：

煙氣比熱容的計算公式如下[3]：

式中Ci為各組分的比熱容，單位kJ/kg·℃；ωi為各組分的質量分數。c為煙氣比熱容，單位kJ/（kg·K）；

各組分與溫度的關系如下：

干煙氣的煙氣量計算公式如下：

式中：Vc為干煙氣的煙氣量。

各組分的體積分數計算如下：

式中：φi為各組分體積分數，i為各組分，即CO2、SO2、N2、O2；

干煙氣的摩爾質量計算如下：

則煙氣中水與干煙氣摩爾質量比的計算如下：

根據工程熱力學計算公式，濕煙氣的煙氣濕度計算公式如下：

式中：RH為煙氣濕度，單位kg/kg；x為水與干煙氣摩爾質量比；φ為相對濕度，取值參考；ps為水蒸氣飽和壓力，p為標準標準大氣壓。

利用安托尼方程[4]計算水蒸氣飽和壓力與溫度的關系，當10℃≤T≤168℃，計算公式如下：

則煙氣濕度與煙氣溫度的關系計算公式如下：

式中：T為煙氣溫度，單位℃。

根據煙氣濕度，可按照下式計算煙氣中水蒸氣露點溫度：

式中：tDP為水蒸氣露點溫度；dg為含濕量即RH，RH單位為kg/kg，dg單位為g/kg，A、B、C為常數，根據dg的取值范圍決定。

2.2.2 水回收質量流量計算、余熱回收量計算

在使用MVR技術進行水回收時，其回收水為增濕時吸收的脫硫處理水和煙氣凝結水，則水回收質量流量計算公式如下[5]：

式中：H2、H3分別為點2、點3的煙氣濕度，即MVR技術系統煙氣入口、出口的煙氣濕度。

余熱回收量的計算公式如下：

式中：Q回為余熱回收量、Q顯為煙氣顯熱、Q潛為汽化潛熱。

煙氣顯熱的計算公式如下：

式中：γ為常數，即水的汽化潛熱1718kJ/kg。

汽化潛熱的計算公式如下：

式中：T2、T3為點2、點3的煙氣溫度，單位為℃。

根據上述計算公式計算，求得煙氣露點溫度tDP為47.8℃、水與干煙氣摩爾質量比x為0.59，將數據帶入，計算水回收質量流量、余熱回收量與煙氣溫度的關系如圖3所示。

圖3 水回收質量流量、余熱回收量與煙氣溫度的關系圖

3 結語

本文通過計算煙氣量以及煙氣的物性參數，并結合某電廠300MW亞臨界燃煤凝汽式機組相關運行參數，對MVR系統的余熱回收量及水回收量進行計算，探究其與溫度之間的關系。經計算發現該系統每小時可回收82t水、66MW熱量。