基于蒸汽压缩机的燃煤机组烟气余热与水回收量计算

胡赟星

上海东润换热设备股份有限公司，上海，201518

0 引言

燃煤机组发电时会排放大量的废热，会消耗大量的余热资源以及水资源，因此对燃煤机组进行节能减排意义重大。通过MVR技术构建的烟气余热和水回收系统相对于传统的低温省煤器，可以将烟气温度降低到露点温度以下，降低机组的热损失，因此为探究MVR烟气余热和水回收系统的性能，提高其应用程度，本文对基于蒸汽压缩机的燃煤机组烟气余热与水回收量进行计算。

1 烟气余热和水回收系统原理

MVR系统可通过真空闪蒸装置、蒸汽压缩机以及冷凝器可将脱硫塔使脱硫浆液发生闪蒸作用降低其温度，降温后的浆液重新喷入脱硫塔后可吸收烟气余热，进行循环使用。并通过蒸汽压缩机将蒸汽提质，通过冷凝器换热回用于机组中，蒸汽经冷凝形成冷凝水，可回用于脱硫补水，将燃煤机组的烟气余热和水回收使用[1]。其系统构成如图1所示。

图1 烟气余热和水回收系统构成图

2 烟气余热及水回收量计算

2.1 烟气余热及水回收量原理

如图2所示，在传统的燃煤机组中，经低温省煤器处理后的烟气状态如点1，烟气进入脱硫塔发生绝热降温增湿过程后烟气状态如点3后经排气筒排放。在增加MVR技术后，烟气会从点2的状态继续降温，当达到烟汽水蒸气露点温度时，达到点3最终状态，此过程水蒸气由气转液，产生凝结水、减少了脱硫水，即水回收量为凝结水与脱硫水的和。过程中温度和湿度降低，回收的余热即烟气显热和汽化潜热[2]。

图2 烟气温湿图

2.2 烟气余热及水回收量计算

选取某发电厂300MW亚临界燃煤凝汽式机组为例，计算烟气余热回收量和水回收质量流量，该燃煤机组利用MVR技术进行烟气余热和水回收。设定计算时工况为额定工况，燃煤各组分数据如下表1所示，湿式脱硫塔入口的烟气温度为100℃，出口的烟气温度为50℃。空气预热器出口的过量空气系数为1.3，燃煤量为250t/h。

表1 机组煤质参数表

2.2.1 烟气量及烟气物性参数计算

理论空气量可按照煤元素分析或者发热量进行计算，基于煤元素分析的理论空气量计算如下。以标况下1kg煤燃烧为基准，燃烧所需理论空气量为：

式中：Va0为燃烧所需理论空气量单位Nm3/kg。

基于煤低位发热量计算的燃烧所需理论空气量为：

式中：Qnet.ar为煤的收到基低位发热量，单位kJ/kg；a、b、c为经验系数，根据煤种的不同确定取值。

为保证燃料的充分燃烧，锅炉实际运行过程中通入空气量要大于理论空气量，则实际空气量计算公式如下：

式中：α为过量空气系数，根据资料可知，本项目过量空气系数取1.3。

煤燃烧时会生成CO2、SO2、H2O、N2，则烟气量计算时需要计算各组分的生成量，则理论烟气量计算公式如下：

式中：Vb0为生成的理论烟气量，单位Nm3/kg；V0i为各组分理论烟气量，单位Nm3/kg。

而各组分的生成量计算公式如下：

实际烟气量计算为湿烟气量计算，需要考虑实际水蒸气容积、过量氧气体积，实际烟气量计算公式如下：

烟气的摩尔质量计算公式如下：

式中：Mi为各组分摩尔质量，φi为各组分体积分数。

又因其烟气的物质的量常数不可知，则计算烟气的质量需要计算各组分质量，烟气中各组分的质量计算公式如下：

式中：mi为和组分质量，i为各组分，即CO2、SO2、N2；

则烟气质量的计算公式如下：

烟气质量流量的计算公式如下：

式中：qm为烟气质量流量，t为工作时间。

烟气密度的计算公式如下：

烟气比热容的计算公式如下[3]：

式中Ci为各组分的比热容，单位kJ/kg·℃；ωi为各组分的质量分数。c为烟气比热容，单位kJ/（kg·K）；

各组分与温度的关系如下：

干烟气的烟气量计算公式如下：

式中：Vc为干烟气的烟气量。

各组分的体积分数计算如下：

式中：φi为各组分体积分数，i为各组分，即CO2、SO2、N2、O2；

干烟气的摩尔质量计算如下：

则烟气中水与干烟气摩尔质量比的计算如下：

根据工程热力学计算公式，湿烟气的烟气湿度计算公式如下：

式中：RH为烟气湿度，单位kg/kg；x为水与干烟气摩尔质量比；φ为相对湿度，取值参考；ps为水蒸气饱和压力，p为标准标准大气压。

利用安托尼方程[4]计算水蒸气饱和压力与温度的关系，当10℃≤T≤168℃，计算公式如下：

则烟气湿度与烟气温度的关系计算公式如下：

式中：T为烟气温度，单位℃。

根据烟气湿度，可按照下式计算烟气中水蒸气露点温度：

式中：tDP为水蒸气露点温度；dg为含湿量即RH，RH单位为kg/kg，dg单位为g/kg，A、B、C为常数，根据dg的取值范围决定。

2.2.2 水回收质量流量计算、余热回收量计算

在使用MVR技术进行水回收时，其回收水为增湿时吸收的脱硫处理水和烟气凝结水，则水回收质量流量计算公式如下[5]：

式中：H2、H3分别为点2、点3的烟气湿度，即MVR技术系统烟气入口、出口的烟气湿度。

余热回收量的计算公式如下：

式中：Q回为余热回收量、Q显为烟气显热、Q潜为汽化潜热。

烟气显热的计算公式如下：

式中：γ为常数，即水的汽化潜热1718kJ/kg。

汽化潜热的计算公式如下：

式中：T2、T3为点2、点3的烟气温度，单位为℃。

根据上述计算公式计算，求得烟气露点温度tDP为47.8℃、水与干烟气摩尔质量比x为0.59，将数据带入，计算水回收质量流量、余热回收量与烟气温度的关系如图3所示。

图3 水回收质量流量、余热回收量与烟气温度的关系图

3 结语

本文通过计算烟气量以及烟气的物性参数，并结合某电厂300MW亚临界燃煤凝汽式机组相关运行参数，对MVR系统的余热回收量及水回收量进行计算，探究其与温度之间的关系。经计算发现该系统每小时可回收82t水、66MW热量。