摘要:确定烟气露点温度,已成为避免低温受热面造成腐蚀、增加锅炉运行**性和提高锅炉效率的关键所在。文章对影响烟气酸露点的主要因素进行了分析,对几种烟气酸露点温度的计算方法进行了对比和评价,并依据酸露点的图表数据,拟合出烟气露点计算方程。

1、引言

锅炉使用的煤、重油及天然气等燃料中都含有一定量的硫,在燃烧过程中S与O2生成SO2,并有少量的SO2在Fe2O3、V2O5等催化剂作用下转化成SO3。通常情况下,锅炉烟气中SO3体积含量为1×10^-6～50×10^-6,水蒸气约为10%,在烟气温度200℃以下时,SO3与水蒸气完全结合成H2SO4蒸气,微量的H2SO4蒸气使烟气的露点温度显著提高。当锅炉尾部换热设备的壁面温度低于烟气露点温度时,H2SO4蒸气就会凝结在壁面上,形成浓度约为80%的硫酸溶液,粘附在换热器壁面上,产生酸腐蚀。像热水锅炉、锅炉的省煤器及空气预热器等低温受热面易受到酸侵蚀。

在锅炉的设计和运行中,排烟温度是影响锅炉效率和**运行的重要因素之一。排烟温度过高,排烟损失越大,文献[2]指出,排烟温度每升高15～20℃,锅炉热效率大约降低1%;排烟温度过低,会使低温受热面的壁温低于酸露点,引起受热面金属的严重腐蚀,危及锅炉运行**。因此,锅炉的经济排烟温度应当控制在稍高于烟气露点的某个范围内。确定烟气露点温度,已成为避免低温腐蚀、增加锅炉运行**性的关键所在。

2、影响烟气露点温度的主要因素

2.1燃料种类

燃油锅炉的燃料中所含硫分燃烧后将主要形成SO2和少量SO3,但是在燃煤时的情况则不相同,其中有些硫分将形成FeS或其他形式存在于灰分中。在相同含硫量情况下,燃油烟气的酸露点往往高于燃煤烟气酸露点。图1示出美国典型燃油机组和燃煤机组的露点温度和腐蚀率的关系,由图1可知,燃煤机组腐蚀程度小于燃油机组。

2.2燃料硫含量和燃烧方式

烟气中硫酸蒸气是由燃料中硫分氧化而来的,燃料含硫量越高,其露点温度越高。烟气中SO2对露点的影响很小,在相当大的浓度范围内,酸露点的波动不超过1℃。SO3对露点的影响很大,而SO3的形成是与燃烧设备和燃烧条件紧密相关的。图2为西安热工所在一些电站锅炉上测得的结果,也能说明这点。

2.3过量空气系数

图3示出了过量空气系数高低对两种形式氧化硫之间平衡状态的影响。烟气的温度越低或O2含量越高,由SO2转化为SO3比例会越大。因此,在保证充分燃烧的前提下,应尽量采用低过量空气系数,减少SO3生成量,降低烟气露点。

2.4烟气中水蒸气

烟气中水蒸气的浓度愈大,水蒸气的分压力也愈大。只考虑水蒸气的影响,水蒸气对烟气露点的影响如图4所示。

2.5飞灰或受热面结构及积灰影响

低温烟气中的SO2继续氧化成SO3需要有催化剂的促进作用,而锅炉管子表面和烟道表面的铁锈Fe2O3及烟气中的V2O5等都是非常良好的催化剂,但未燃碳粒及钙镁等氧化物以及Fe3O4等则能吸收或中和烟气中的SO2。燃油飞灰少,吸收作用较弱,因此对含有硫和钒的燃油经燃烧后的烟气中将具有相对较高的SO3含量,烟气露点高。

2.6其它影响因素

除上述影响因素外,酸露点还与烟气的压力、烟气在炉膛内停留时间、炉膛内温度场分布不均以及空气预热器漏风处造成局部温度偏低等情况有关。

3、烟气露点温度的计算

由前所述,影响烟气露点温度的因素很多,所以很难从理论上直接精确地推导出烟气露点温度的计算式,一般皆由试验取得,或通过实验加上理论推导等方法确定。下面列举一些主要酸露点确定方法和计算公式。

3.1烟气中SO3气体浓度已知

在烟气酸露点的间接测量中,都是先测出烟气中的SO3或H2SO4的体积含量,然后由Müller曲线查出酸露点,如图5所示。该曲线是Müller在1959年使用热力学关系式计算了含有很低浓度H2SO4蒸气的烟气的酸露点而得到的,并为许多研究者的实验所证实。Müller曲线是现在评价各种酸露点测量方法的基础。

手工查图确定酸露点温度引起误差较大,且不便于利用计算机优化设计和计算。现将图5扫描**计算机中,并放大,采用Adobe photoshop 5.0CS软件读取曲线上一些点的数据,列于表1。

采用Origin6.0软件拟合表1中数据,回归出方程(1)。

式中:

VSO3——烟气中SO3体积百万分率(下同);

tsld——烟气的酸露点温度(下同),℃。

与表1中烟气露点温度相比,方程(1)计算的烟气露点温度平均相对误差为0.17%,**大相对误差0.42%。

3.2　烟气中H2SO4蒸气浓度已知

Halstead在总结前人大量实验数据的基础上,以常用燃料燃烧形式的水蒸气体积含量以11%为基准,得出表2中数据。如水蒸气体积含量低于9%,则表中露点温度应再减去3℃;如水蒸气体积含量高于13%,则表中露点温度应再加上3℃。由表2可以粗略地估算出烟气露点温度。

同样采用Origin6.0软件拟合表2中数据,回归出方程(2)。

式中:

VH2SO4——烟气中硫酸蒸气体积百万分率;

与表2中烟气露点温度相比,方程(2)计算的烟气露点温度平均相对误差为0.29%,**大相对误差0.59%。

3.3烟气中SO3和水蒸气浓度已知

3.3.1 A.G.Okkes方程

荷兰学者A.G.Okkes根据Müller实验数据,提出如下方程(3),方程中原文分压单位均为标准大气压。有文献比较了方程(3)计算结果与该文中由燃料中碳、硫含量及过量空气系数绘制的算图确定酸露点结果,两者相差不到1.5℃,方程(3)计算精度比较高,适用范围广。

式中:

PH2O——烟气中水蒸气分压(下同),Pa;

PSO3——烟气中SO3气体分压(下同),Pa。

3.3.2Verhof f& Banchero方程

Verhoff & Banchero提出下列方程(4),方程(4)中气体分压原文单位为mmHg,现已换算为SI制Pa。在烟气露点温度为120～140℃高温区时,方程(4)有4℃偏差,但在低温区时有较大误差。

3.3.3查图确定方法

美国“CE空调预热器公司”绘制了烟气压力101kPa下的酸露点计算图,图6是基于燃料中硫分燃烧后都生成SO2及烟气中SO2的2%体积含量转变成SO3条件下绘制的。

计算步骤如下:

(1)根据给定的燃料组成成分和过量空气系数,计算出烟气组成;

(2)按SO22%转化率计算出SO3含量;

(3)按计算求得的烟气中的SO3和水蒸气体积百分含量,查图6中的曲线可得酸露点温度及硫酸质量百分含量。

采用3.1中所述方法,读取图6曲线所对应的部分酸露点数据,见表3。

按文献《溴化锂水溶液的几个主要物性参数计算方程》采用的多项式非线性回归及利用正交多项式回归方法,对表3中酸露点数据进行拟合,回归的系数在表4中列出,得到酸露点与烟气中SO3及水蒸气的体积含量关系为:

式中:

VH2O——烟气中水蒸气体积百分率,%。

与表3中酸露点数据相比,方程(5)计算的酸露点温度平均相对误差为0.093%,**大相对误差0.41%。

3.3.4日本电力研究所估算公式

日本通常采用日本电力工业中心研究所发表的实验公式:

式中:

a——与烟气中水分有关的常数,当水分体积含量为5%,a=184;10%,a=194;15%,a=201。

3.4经验估算公式

前苏联《锅炉机组热力计算标准方法》(1973年版)给出如下烟气露点温度计算式,该公式是20世纪50年代全苏热工研究所(BTN)在试验数据基础上整理而成,主要适用于固体和液体燃料。对气体燃料的tsld测量仅作了焦炉煤气的一种数据,且测出的tsld偏高,因此该公式不宜用于气体燃料的计算。我国广泛采用此经验计算式,现国内出版的许多锅炉原理教科书及一些参考文献在引用此公式时均出现了书写失误,本文予以说明。

式中:

tld——烟气中水蒸气露点,℃;

Sп——燃料的折算硫分,%;

Aп——燃料的折算灰分,%;

Sar、Aar——燃料的收到基含硫量、灰分,%;

Qar,net——燃料的收到基低位发热量,kJ/kg;

afh——飞灰占总灰的份额,%。

式中125是一个与炉膛出口过量空气系数αT有关的系数,原规定如下:

当αT=1.4～1.5时,此值为129;

当αT=1.2时,此值为121。

文献《一种简便实用的湿空气性质计算方程》拟合出0～80℃温度内饱和蒸汽压力方程,在此温度范围内,平均相对误差0.23%,**大相对误差0.67%。该方程经单位换算及变换得出如下水蒸气露点计算方程。

4、计算实例

某燃油锅炉,锅炉燃烧送风系数为1.05,锅炉漏风系数为10%,无压运行,大气压力为101kPa,燃料成分如表5所示。

计算时,空气中水分含量按0.014kg/kg干空气计算,燃料中可燃质成分完全燃烧,经计算得出烟气成分如表6所示。

在进行酸露点计算时,假设烟气中SO2转化为SO3的转化率β分别取2%及4%,燃油飞灰占总灰份额取0.9,方程(2)计算结果考虑烟气中水含量不同造成的影响,方程(6)中系数a采用线性插值确定,各方程计算出的露点温度列于表7。

从表5中的计算结果表明,不同计算方法其结果差异较大,尤其是方程(6)和方程(7)结果与前面方程(1)**方程(5)结果相差大,而且当SO2转化为SO3的转化率由2%增大到4%时,对方程(7)计算结果无影响,其它方程计算结果增大约5～6℃,说明转化率β对酸露点温度的影响不是特别显著。方程(7)计算的酸露点偏低,燃油时,采用方程(7)计算的酸露点只能作为估算使用。

在类似上述燃油及燃烧条件下,实测尾部受热面烟气露点在109～120℃的范围。转化率β通常约为2%,因此方程(1)**方程(5)计算的结果还比较接近实测值,可作为设计的参考依据。

烟气露点虽是预测低温腐蚀的主要指标,但不能正确地反应金属腐蚀的严重程度,在试验中既要测定烟气酸露点,又要测定受热面腐蚀速度。