燃煤锅炉排烟的酸—灰耦合作用与露点的动态变化机制研究

发布时间：2019-03-25 16:02

【摘要】：目前我国燃煤锅炉机组面临着严峻的节能减排任务,降低燃煤锅炉机组排烟温度可以有效提高煤炭利用效率,为此烟气深度降温余热利用系统将得到广泛应用,但此系统效能发挥受到低温腐蚀,也就是烟气酸露点的制约,按照传统设计原则排烟温度需要高于烟气露点温度,但目前一些机组排烟温度可降低到80～90℃,使得计算得到的烟气酸露点比实际排烟温度高出值可达40～50℃,由此可以看出目前的烟气露点计算公式与实际情况有较大的偏差,已对锅炉设计、运行及余热利用失去指导意义,因此重新确定烟气露点温度是个亟待解决的问题。燃煤锅炉受热面低温腐蚀影响因素众多,烟气深度降温达到酸露点时H_2SO_4蒸汽凝结,同时烟气中含有大量飞灰,酸液与积灰的耦合作用较为复杂,对低温腐蚀有较大影响,因此低温腐蚀机理研究涉及含大量不凝气体的可凝气体凝结、传热传质、材料科学、流体力学、物理化学等多种学科,目前还没有令人满意的解释,这极大制约了低温余热回收系统的利用效率。本文针对低温腐蚀现象及机理从化工热力学、传热传质学角度进行理论分析,对理论结果再耦合积灰作用进行分析,得到燃煤锅炉烟气低温腐蚀产生的机理及影响因素,分析烟气酸露点及工程酸露点的动态特性、提出腐蚀安全设计理念及设计原则、腐蚀过余温度等新概念；在理论分析结论的基础上,以分析得到的影响因素作为实验条件进行实验研究,完成了电厂实际烟气氛围低温腐蚀实验、深度降温实验对低温腐蚀进行研究,并借助SEM、XRF、XRD、粒度分析仪等方法对工程酸露点、腐蚀安全区的形成机理、影响因素进行分析；完成了模拟烟气氛围的实验进行低温腐蚀和飞灰特性研究,并对实验数据进行正交化分析,得到低温腐蚀及飞灰属性的显著性影响因素,据此提出控制或调整酸露点的干预手段,综合理论分析、实验结果获得了一些具有理论意义和工程价值的结论。完成的主要研究内容如下：(1)完成了低温腐蚀机理的热力学分析,采用吉布斯相率、相平衡法对H_2SO_4蒸汽凝结进行分析。由热力学相平衡理论导出了热力学酸露点计算式,得到热力学酸露点与烟气体积Vy,SO2体积Vso2, SO2向SO3的转化率α,选择性催化还原烟气脱硝过程等因素有关,在锅炉运行过程中热力学酸露点是一个动态量；并得到H_2SO_4蒸汽中肯半径随温度、硫酸溶液浓度降低先增加再减小的变化规律,当烟气过冷度较小时形成H_2SO_4液滴直径小于中肯半径,凝结过程难以持续进行；进一步分析得到燃煤锅炉烟气H2S04蒸汽凝结所必须的两个条件,首先蒸汽具有一定过冷度,其次烟气中具有凝结核心,这两个条件在燃煤电站锅炉烟气余热深度利用系统中同时具备,H_2SO_4蒸汽的凝结不可避免。(2)提出了燃煤锅炉深度降温余热利用受热面的腐蚀安全设计理念及设计原则,提出腐蚀安全区、腐蚀过余温度等概念。分析了烟气露点的动态特性,烟气热力学酸露点、工程酸露点都与煤中硫分、水分、灰分、锅炉负荷等有关是动态量；在烟气热力学酸露点Td和工程酸露点Tgl两者的温度区间为腐蚀安全区,保证低温受热面安全经济性的腐蚀安全设计原则需满足烟气过冷度小于腐蚀过余温度△Tgl△Tf。(3)完成了H_2SO_4蒸汽凝结过程的传热传质分析,采用Collburn-Hougen模型得到积灰与H_2SO_4凝结酸液耦合作用的传热机理及复合换热系数h计算式,积灰使冷凝液膜温度升高、复合换热系数h降低、传质过程进行缓慢,通过对h的分析阐明管壁积灰是腐蚀安全区存在的先决条件；通过冷凝液膜H_2SO_4蒸汽压pm变化分析积灰与酸液耦合作用的内在机理及宏观表现,腐蚀安全区即对应着积灰与冷凝耦合作用未饱和之前,这个过程开始于烟气热力学酸露点Td,结束于工程酸露点Tgl；当耦合作用达到饱和时,酸液透过积灰层腐蚀金属管壁,造成严重低温腐蚀,并使传热性能恶化Nu数急剧下降；当腐蚀产物阻止酸液继续腐蚀金属管壁时,积灰外层液膜上H_2SO_4蒸汽分压力p。又增大,复合换热系数h减小,直至进入又一个新的动态平衡阶段,Nu数保持不变。(4)设计并完成了电厂实际烟气氛围的低温腐蚀与积灰实验,理论分析结论显示飞灰特性对低温腐蚀、硫酸凝结影响较大,通过该实验对理论结果进行验证。对实验管外壁灰样进行的电镜扫描(SEM)、能谱分析和XRD实验,分析积灰聚集状态、积灰成分对灰和酸液耦合作用的影响,SEM电镜扫描结果显示随壁温降低,管壁上积灰颗粒直径变大,形状变得不规则,其中部分小粒径颗粒聚合在一起形成团聚大颗粒；当壁温降低到80℃以下时外壁形成积灰层,酸灰出现耦合作用；继而当酸灰耦合作用达到饱和时,出现低温腐蚀现象,是电化学和化学腐蚀联合作用过程,当管壁温度降低到47～41℃时,形成氧化还原的氧腐蚀、电化学腐蚀和化学腐蚀联合腐蚀,腐蚀加剧。(5)完成了电厂锅炉深度降温时低温腐蚀和飞灰特性的实验研究,改变低压省煤器负荷调整排烟温度从127℃降低到90℃,通过烟道飞灰灰样和静电除尘器灰泵灰样的聚集状态、含湿量、粒度分布规律、组成成分、粘性力等实验结果得到深度降温对积灰和酸液耦合过程及静电除尘器集尘效率的作用。烟道灰样和灰泵灰样的SEM扫描图均显示,随烟温降低灰样中大颗粒飞灰数量增加,是由许多微米、亚微米颗粒团聚而成,表明适当低温利于静电除尘器集尘；各电场的灰样含湿量和H_2SO_4凝结量随烟温降低都呈增加趋势,粒径越小的灰粒含湿量和H_2SO_4凝结量越小,1#电场灰泵95℃时收集10μm以下颗粒的数量比117℃时增加9.45倍,4#电场95℃时收集1μm以下颗粒的数量比117℃时提高44.36%,其他灰泵也呈现相同规律,表明静电除尘器对于微米级以及亚微米级粒子收集率明显提高,尤其是对于1μm以下亚微米级飞灰收集效率的提高对于超低排放工程有着重要的实用意义；灰样的XRF和XRD分析显示随烟温降低灰样的硫碱比增加、酸碱比减小,粘性力随烟温降低而减小,有利于静电除尘器集尘效率提高；灰泵灰样的粘附性实验表明,1#灰泵灰样粘性力从117℃的34.74 mg/cm增加到95℃时的56.43 mg/cm2,烟温越低灰样的粘性越大,这与硫酸在灰粒表面形成液膜的粘度大于烟气粘度有关,与小颗粒的团聚现象有关；在相同烟温下随烟气流程自前而后灰样粘性力总体呈现减小趋势,这表明粒径越小的颗粒表面粘性力越小,越难以收集。(6)设计完成了模拟烟气氛围深度降温的低温腐蚀机理和飞灰特性实验,并对实验数据进行正交化处理,得到实验结果的可信性并揭示低温腐蚀的控制方法。极差分析结果显示对于飞灰含湿量来说烟气中水分含量是主要因素,硫酸蒸汽含量和烟气温度次之,飞灰浓度的影响最小,对飞灰粘性力来说烟气中水分含量是主要因素,烟气温度和硫酸含量次之,而飞灰浓度的影响最小；方差分析结果表烟气中水蒸汽含量对含湿量的影响特别显著,显著水平为0.01,烟气温度对含湿量有显著影响,显著水平为0.05,硫酸含量对含湿量也有较为显著影响,显著水平为0.1,而飞灰浓度对含湿量无显著影响；烟气中水蒸汽含量对粘性力的影响特别显著,显著水平为0.05,烟气温度对粘性力的影响也较为显著,显著水平为0.1,而硫酸含量和飞灰浓度对粘性力无显著影响；实验数据的正交分析显示无论是含湿量还是粘性力实验,由于各影响因素各水平变化引起的偏差SC明显大于误差所引起的偏差Se,因此本实验的随机误差较小,由测量不准确所引起的误差不会影响实验结果的准确性,实验所得结论可信度高；所得结论显示烟气中水分含量、硫酸含量对含湿量、粘性力影响显著,间接说明这两个因素对低温腐蚀和静电除尘器集尘影响显著,这为控制与调整烟气酸露点、改变飞灰属性提供实验基础。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK229.6
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本文编号：2447118