SCR脱硝系统液氨气化器和混合器设计与测试

摘 要

摘要：论述了液氨气化器和文丘里混合器在选择性催化还原(SCR)脱硝工艺系统中的应用，液氨气化器换热面积的设计计算及验证测试方法，文丘里混合器的结构设计计算和验证测试方法。
摘要：论述了液氨气化器和文丘里混合器在选择性催化还原(SCR)脱硝工艺系统中的应用，液氨气化器换热面积的设计计算及验证测试方法，文丘里混合器的结构设计计算和验证测试方法。
关键词：选择性催化还原；液氨气化器；文丘里混合器；烟气脱硝
Design and Testing of Liquid Ammonia Vaporizer and Mixer in SCR Denitrification System
XU Jun-xi，LIU Xin-zhe，LI Feng，YUAN Yuan，ZHANG Li-zhong
Abstract：The application of liquid ammonia vaporizer and Venturi mixer to selective catalytic reduction(SCR)denitrification system，the design and calculation of heat transfer area of liquid ammonia vaporizer and its verification testing method and the structural design and calculation of Venturi mixer and its verification testing method are elaborated.
Key words：selective catalytic reduction(SCR)；liquid ammonia vaporizer；Venturi mixer；flue gas denitrification
1 概述
   我国主要电力来源于燃煤火力发电，在煤炭燃烧过程中，产生了大量的氮氧化物(NOx)。NOx是造成光雾和酸雨的主要污染物，NOx排放量逐年增长，已严重污染环境，制约经济建设的发展。燃煤烟气脱硝就是脱除烟气中的NOx，是控制NOx排放的主要手段，也符合我国环保政策的减排要求，符合可持续发展战略的要求。
   在脱硝工艺中，选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)工艺效率最高，也是最成熟的一种工艺技术，已经在发达国家有成功使用的业绩。SCR技术是在催化剂的作用下，利用还原剂把烟气中的NOx还原成N2和H2O。因此，对于SCR系统，还原剂的选择是很关键的技术要点，在众多还原剂中最常用的还原剂是氨气。
    作为还原剂的氨气是SCR脱硝系统的重要原料。液氨气化器装置和混合器是SCR脱硝系统的关键设备，其性能、成本及产业化规模都直接制约着燃煤烟气脱硝系统的稳定性和高效性。
2 SCR脱硝系统简介
SCR脱硝系统由液氨储罐、液氨泵、液氨气化器、调压器、氨气缓冲罐、氨气-空气混合器、流量计、喷氨格栅、SCR反应器等设备及相关控制系统组成。SCR脱硝系统见图1。
 
    液氨储罐内的液氨通过出料管由液氨泵送入液氨气化器，液氨在气化器内吸收热介质热量后气化成氨气并过热，氨气经调压器、缓冲罐后与自风机来的空气在氨气-空气混合器内充分混合，混合气经调压、计量后进入喷氨格栅，与锅炉来的含NOx烟气充分混合，然后进入SCR反应器。氨与NOx在SCR反应器内，在催化剂作用下反应生成N2和H2O。经过SCR反应器除去NOx的烟气进入下道工艺设备。
3 液氨气化器的传热计算及试验
    在SCR系统中，液氨气化器通常采用蒸汽水浴式气化器，液氨介质通过不锈钢盘管，盘管浸泡在水中，水的热量来自蒸汽。盘管内的液态氨与水换热气化过热，通过气液分离器分离掉雾膜夹带的液体后输出气态氨气。下面介绍气化器设计时的传热计算[1]。
    换热器的传热计算包括两类：一类是设计型计算，即根据工艺条件，确定换热面积；另一类是校核型计算，即对已知换热面积的换热器，核算其传热量、流体的流量、温度。这两种计算均以热量衡算和总传热速率方程为基础。
3.1 传热计算主要公式
3.1.1传热速率方程
    流体的传热速率方程见式(1)，冷热流体均按式(1)计算：
    Ф=KA△tm    (1)
式中Ф——传热速率(热负荷)，W
    K——总传热系数，W/(m2·K)
    A——传热面积，m2
    △tm——冷热流体对数平均温度差，℃
3.1.2不同状态下的传热速率(热负荷)
    换热器热负荷Ф一般由工艺包提供，也可以由所需工艺要求求得。
    ① 传热的冷热流体均没有相变化，且忽略热损失，则：
    Фh=Фc               (2)
    Фh=qm,hcp,h(t1,h-t2,h)    (3)
    Фc=qm,ccp,c(t2,c-t1,c)    (4)
式中Фh——热流体传热速率(热负荷)，W
    Фc——冷流体传热速率(热负荷)，W
qm,h——热流体质量流量，kg/s
    cp,h——热流体平均比定压热容，J/(kg·K)
    t1,h——热流体进口温度，℃
    t2,h——热流体出口温度，℃
    qm,c——冷流体质量流量，kg/s
    cp,c——冷流体平均比定压热容，J/(kg·K)
    t2,c——冷流体出口温度，℃
    t1,c——冷流体进口温度，℃
    ② 传热的冷热流体有相变化，如饱和液体气化，则计算公式为：
    Фr=qm,cr    (5)
式中Фr——液体相变时的传热速率(热负荷)，W
    r——饱和液体的气化潜热，J/kg
热负荷确定后，可由总传热速率方程(1)求得换热面积。其中总传热系数为：
 
式中do——传热管外径，m
    di——传热管内径，m
    hi——管壁内侧流体表面传热系数，W/(m2·K)
    Ri——管壁内侧表面污垢热阻，m2·K/W
    δ——传热管壁厚，m
    dm——传热管平均直径，m
    λ——传热管管壁热导率，W/(m·K)
    Ro——管壁外侧表面污垢热阻，m2·K/W
    ho——管壁外侧流体表面传热系数，W/(m2·K)
    在实际计算中，总传热系数通常采用推荐值，这些推荐值是从实践中积累或通过实验测定获得的，可以从有关手册中查得。
虽然这些推荐值给设计带来了很大便利，但是在某些情况下，所选K值与实际值出入很大，为避免盲目烦琐的试差计算，可根据式(6)对K值进行估算。
式(6)可分为3部分，对流传热热阻、污垢热阻、管壁导热热阻，其中污垢热阻和管壁导热热阻可查相关手册求得。因此，K值估算最关键的部分就是流体表面传热系数的估算。
 对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此，任何影响流体流动的因素(引起流动的原因、流动状态、有无相变化等)都必然影响表面传热系数。以下分流体无相变和有相变两种情况来讨论表面传热系数，其中包括强制对流和自然对流。
3.1.3流体无相变时在弯管内强制对流传热
流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使其表面传热系数比直管的表面传热系数大，此时可用式(7)计算表面传热系数：
 
式中hb,i——弯管管壁内侧的表面传热系数，W/(m2·K)
    hv,i——直管管壁内侧的表面传热系数，W/(m2·K)
    rp——管子的弯曲半径，m
3.1.4流体气化时在弯管内强制对流传热
气化时两相流对流传热按下式计算：
 
式中hg——管内两相流表面传热系数，W/(m2·K)
    hl——管内液相表面传热系数，W/(m2·K)
    f——两相流系数
λl——液体的热导率，W/(m2·K)
qm,0——单位时间内流过管道单位流通截面积的液体质量，kg/(s·m2)
    φ——气态体积分数，一般取0.3
    μ1——管内液体动力粘度，Pa·s
    cp,l——管内液体的平均比定压热容，J/(kg·K)
3.2 温水侧自然对流的表面传热系数
水被冷却时的表面传热系数为：
 
式中hc——筒体内侧水表面传热系数，W/(m·K)
    tc——筒体内侧水温度，℃
    △t——水温与管子壁温的平均温度差，℃
    该气化器采用管式蒸发器，工作压力较高、渗透性较高、有毒有害、易燃易爆的物料宜走管程，既可以提高设备的安全性，又能节省材料。管外为中间热介质，通常为温水。温水的热能可由电加热器或蒸汽加热器提供。换热过程温和，廉价易得，检修方便，对环境安全无污染。
3.3 试验方法
    依据以上理论，计算出一定温度、压力下的液氨所需的换热面积和所需的热量，设计出液氨气化器。气化器前装配调节阀，气化器后装配流量计，通过调节阀的调整将气化器的液氨参数控制在设计范围内，通过测量对应的出气温度和气化后气体的流量，制作流量曲线图表，确定设备的气化量是否达到设计要求。
4 混合器设计计算及试验[2～5]
    在SCR系统中，气化后的氨气需要和空气进行混合，氨气在混合气中的体积分数为4%～6%，空气的压力为4～10kPa。氨气-空气混合器利用文丘里原理，将气化器气化后的带压氨气，通过文丘里喷嘴，以高速喷入文丘里管，在局部形成负压，吸入一定比例的空气，并在文丘里管中混合，以一定压力输出。整个设计计算过程如下。
4.1 确定设计基础条件
    根据组分查物性数据，确定各介质的物性参数，如气体等熵指数、密度等。
4.2 确定引射器的最佳结构比
    最佳结构比按下式计算：
    
式中γ——最佳结构比
    F——气体射流膨胀系数
    ξ1——喉管与扩散管的阻力系数，可取1.5
    C——质量引射系数
    Fq——体积引射系数
    ξ2——被引射气体进入收缩管阻力系数，可取0.8
    dr——引射气体的相对密度
    qm,2——被引射气体质量流量，kg/s
    qm,1——引射气体质量流量，kg/s
    qV,2——被引射气体的体积流量，m3/s
    qV,1——引射气体的体积流量，m3/s
4.3 确定喷嘴前压力
喷嘴前压力按下式计算：
 
式中p1——喷嘴前介质绝对压力，MPa
    p2——混合气出口绝对压力，MPa
    p3——大气绝对压力，MPa
    D——压力修正系数
    η——喷嘴效率
4.4 喷嘴直径的计算
喷嘴直径按下式计算：
 
式中d1——喷嘴直径，mm
    A0——喷嘴流通截面积，mm2
    κ——气体等熵指数
    u——喷嘴气体流速，m/s
当p1等于或大于临界压力时：
 
式中g——重力加速度，m/s2
    R——摩尔气体常数，J/(kmol·K)
    T——气体热力学温度，K
当p1小于临界压力时：
 
    根据喷嘴直径和最佳结构比，计算出混合器的其他结构尺寸。
4.5 试验方法
    在文丘里管的前端安装流量计、压力计，在混合器出口安装压力计、氧气含量分析仪。试验时，将一定压力、一定流量的氨气通过拉法尔喷嘴以接近声速的流速喷入文丘里管，利用文丘里管形成的负压，将风机提供的空气吸入，与氨气进行混合。通过测量混合气的压力和氧含量，验证设备是否达到了混合比例和设定的压力降范围，从而评估其是否达到了设计能力和目标性能参数。
5 结语
    脱硝在我国近年来才得到重视，是环保工作中很重要的一个环节。液氨气化器和混合器是SCR脱硝系统中的关键设备之一，对于脱硝系统长时间稳定运行和成本的影响比较大。我们已经成功开发和制造了该产品，液氨气化器单台气化能力为100～8000m3/h，混合器单台能力为2000～10000m3/h。该产品在多家电厂的SCR系统投入使用，性能和技术参数完全达到系统要求，用户反映良好。
参考文献：
[1] 林宗虎，王树众，王栋.气液两相流和沸腾传热[M].西安：西安交通大学出版社，2003.
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[5] 宓亢琪.高压引射式燃烧器的计算与工况分析[J].煤气与热力，1995，15(2)：32-37.
 
(本文作者：徐俊西1 刘新哲1 李凤1 袁媛1 张立中2 1.天津市奥利达设备工程技术有限公司 天津 300384；2.中国石油集团工程技术研究院 天津 300451)