煙氣酸露點計算公式中過量空氣系數(shù)的修正方法

， ，建中

(1.上海成信建業(yè)節(jié)能科技有限公司,上海 201103;2.成信綠集成股份有限公司,福建 廈門 361009;3.中國電力建設(shè)工程咨詢公司，上海 200137)

煙氣酸露點計算公式中過量空氣系數(shù)的修正方法

王金旺1，張燕2，張建中3

(1.上海成信建業(yè)節(jié)能科技有限公司,上海 201103;2.成信綠集成股份有限公司,福建 廈門 361009;3.中國電力建設(shè)工程咨詢公司，上海 200137)

煙氣酸露點是鍋爐運行及節(jié)能改造工程的重要參數(shù)之一，現(xiàn)有文獻(xiàn)中計算酸露點的方法很多，但不同方法的計算結(jié)果差異較大。對文獻(xiàn)中酸露點的計算方法進(jìn)行了比較，在不同過量空氣系數(shù)條件下，將現(xiàn)行公式計算煙氣酸露點變化規(guī)律與實際相反原因進(jìn)行了分析。對煙氣酸露點計算公式中的過量空氣系數(shù)進(jìn)行修正，并給出了過量空氣系數(shù)的修正公式。這一方法具有一定的應(yīng)用價值。

酸露點計算；過量空氣系數(shù)；SO3含量；低溫腐蝕；煙氣成份；煤質(zhì)分析

0 引言

煙氣溫度達(dá)到酸露點以下時，具有較強(qiáng)的腐蝕性，致使受熱面發(fā)生低溫腐蝕，因此酸露點的準(zhǔn)確計算與測量至關(guān)重要[1]。目前，直接測試煙氣酸露點存在一定的難度，而煙氣酸露點溫度的計算方法多來自國外，而不同計算方法之間存在較大差異[2-5]。

燃燒過程中過量空氣系數(shù)對煙氣酸露點的影響，從定性角度來說已被明確，即當(dāng)過量空氣系數(shù)增大時，由于火焰中氧原子濃度增大，所形成的SO3量也相應(yīng)增大；另一方面，當(dāng)過量空氣系數(shù)減小時，可引起煙氣中CO濃度升高，而CO可抑制SO3的生成。圖1、圖2[6]及表1[7]分別為對天然氣、燃油及燃煤鍋爐的實測數(shù)據(jù)，圖1、圖2及表1可驗證過量空氣系數(shù)對煙氣中SO3濃度及煙氣酸露點影響的定性分析。但從定量角度上看，現(xiàn)行文獻(xiàn)中的一些酸露點計算公式很少能反映上述定性規(guī)律。某些文獻(xiàn)按現(xiàn)行方法計算顯示，煙氣酸露點隨過量空氣系數(shù)的增大反而降低，計算與實際之間的反差，表明現(xiàn)行計算方法在對過量空氣系數(shù)的考慮上存在著不足或缺陷，需要進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 過量空氣與煙氣中SO3含量的關(guān)系(天然氣)

圖2 煙氣酸露點和含氧量的關(guān)系(燃油)

1 過量空氣系數(shù)與酸露點關(guān)系的幾種計算模式

1.1 以煤質(zhì)分析為基礎(chǔ)的含過量空氣系數(shù)的計算模式

以煤質(zhì)分析為基礎(chǔ)的含過量空氣系數(shù)的計算模式的主要代表是前蘇聯(lián)1973年或俄羅斯1998年鍋爐熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法[8-9]

(1)

表1 在不同過量空氣系數(shù)條件下，LAND及SFJ型露點儀實測的煙氣酸露點數(shù)據(jù)[7]

n=αfly·ASP;

SSP——燃料折算硫分；

ASP——燃料折算灰分；

n——指數(shù)，表示飛灰含量對酸露點影響的程度；

αfly——飛灰份額，對煤粉爐αfly=0.8～0.9；

β——與爐膛出口過量空氣系數(shù)αF有關(guān)的參數(shù)：αF=1.2時，β=121，αF=1.4～1.5時，β=129，一般工程計算中可取β=125。

過量空氣系數(shù)影響酸露點計算公式(1)中第2項的修正系數(shù)值β，隨過量空氣系數(shù)αF的增大而增大，這與實踐經(jīng)驗是一致的；但按文獻(xiàn)[10]的計算結(jié)果，酸露點計算值隨過量空氣系數(shù)的增大而逐漸減小，如表2所示。

表2 過量空氣系數(shù)對煙氣酸露點的影響[10]

表2中煙氣酸露點隨過量空氣系數(shù)αF的增大而減小，出現(xiàn)上述情況的原因為：

(1)在前蘇聯(lián)1973年標(biāo)準(zhǔn)中公式來源于Р.А.Лероеян(簡稱Ле氏公式)，Ле氏公式對過量空氣系數(shù)αF修正的表達(dá)過于簡單，僅列出αF=1.2及αF=1.4～1.5兩種工況下的修正系數(shù)，而對αF=1.2～1.4之間的修正系數(shù)取值方法未作交待；且在工程計算中推薦取用β=125；當(dāng)αF=1.257～1.4時，均取β=125。

圖3 ΔtDP與煤含硫量、燃燒過量氧的關(guān)系

1.2 以燃料含硫量及過量空氣系數(shù)為基礎(chǔ)的計算模式

以燃料含硫量及過量空氣系數(shù)為基礎(chǔ)的計算模式的主要代表是前蘇聯(lián)文獻(xiàn)中對燃燒重油所提出的酸露點計算公式[11]

(2)

式中 SSP,KJ——折算硫分;

按公式(2)計算，過量空氣系數(shù)αF對酸露點的影響甚大，見表3所示。表3的計算結(jié)果與圖3所顯示的ADT=f(αF)規(guī)律甚為接近。但公式(2)僅適用于燃油鍋爐。

表3 按公式(2)的酸露點計算數(shù)據(jù)℃，SSP,KJ=0.025)

1.3 以煙氣成份為基礎(chǔ)的計算模式

以煙氣成份為基礎(chǔ)的計算模式可分為2種類型：

(1)公式包含過量空氣系數(shù)，以SO2及H2O為變量，在現(xiàn)行文獻(xiàn)中以下式為代表

(3)

式中 PH2O——煙氣中H2O的分壓力/Pa；

PO2——煙氣中O2的分壓力/Pa；

PSO2——煙氣中SO2的分壓力/Pa；

tφ——爐內(nèi)火焰平均溫度/℃。

公式(2)不包含過量空氣系數(shù)，以SO3及H2O為變量。國際上石化、冶金及環(huán)保行業(yè)中常用此模式，參見以下代表性示例：

A.G.Okkes公式

(4)

式中 PH2O——煙氣中蒸汽分壓/Pa;

PSO3——煙氣中SO3分壓/Pa。

Verhoff &Branchero方程

-0.1029lgPSO3+0.0329lgPH2OlgPSO3

(5)

式中 PH2O——煙氣中水蒸氣分壓/Pa;

PSO3——煙氣中SO3分壓，Pa。

日本電力工業(yè)中心研究所(簡稱“日本電研所)計算公式

tDP=a+20 lgSO3

(6)

式中a——水蒸氣常數(shù)，當(dāng)水蒸氣含量為5%、10%、15%時相應(yīng)的a為：184、194及201;

SO3——煙氣中的SO3含量/[%]。

И.А.Баранова計算公式

tsld=186+20lgφH2O+26lgφSO3

(7)

式中φH2O——煙氣中水蒸氣體積含量/[%]；

φSO3——煙氣中SO3體積含量/[%]。

Haasse &Borgmann計算公式

tsld=255+27.6lgPH2O+18.7lgPH2SO4

(8)

式中PH2O——煙氣中水蒸氣分壓/Pa；

PH2SO4——煙氣中H2SO4分壓/Pa。

按燃燒系統(tǒng)計算結(jié)果，過量空氣系數(shù)增大時，煙氣成份中的H2O及SO3或SO2分壓力均下降，這使得公式(4)～(8)中的煙氣酸露點溫度變低；而由于O2分壓力的影響，隨過量空氣系數(shù)的增大，式(3)計算的酸露點變化不明顯。出現(xiàn)這些與實際不相符的結(jié)果，主要原因是公式(4)～(8)這類模式中SO3濃度為給定值，而實際SO3濃度隨過量空氣系數(shù)變化而變化，即問題在于此類公式的使用；為正確使用這些公式，必須先確定SO3=f(αF)的關(guān)系式。若不論過量空氣系數(shù)高低，均取SO3或SO2為定值，必將出現(xiàn)酸露點計算溫度隨過量空氣增大而降低的不合理現(xiàn)象。

2 過量空氣系數(shù)與酸露點關(guān)系式的探討

2.1 酸露點溫度tDP與SO3之間的關(guān)系式

如1.3所述，以煙氣成份為基準(zhǔn)的酸露點溫度計算公式中通用的經(jīng)驗公式結(jié)構(gòu)為

(9)

式中a、b、c——經(jīng)驗公式中的常系數(shù)。

當(dāng)過量空氣系數(shù)變化時，煙氣成份中的SO3及H2O都將發(fā)生變化，但主要的變化在SO3轉(zhuǎn)化率方面，H2O的變化相對較小，為了簡化分析條件，忽略H2O的變化，則因SO3變化所引起的tDP增量為

(10)

2.2 過量空氣系數(shù)αF與SO3或kSO3之間的關(guān)系式

現(xiàn)行文獻(xiàn)中，過量空氣系數(shù)αF與SO3之間關(guān)系的實驗資料報導(dǎo)大多見諸于天然氣及燃油鍋爐，其中同時討論燃煤鍋爐及燃油鍋爐的以文獻(xiàn)[12]中的論述具有較好的代表性。按該論文作者的經(jīng)驗，對燃煤燃油鍋爐的實驗資料整理如圖4所示。

為便于進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，對圖4曲線擬合成如下經(jīng)驗式:

圖4 過量空氣系數(shù)與SO3轉(zhuǎn)化率之間關(guān)系經(jīng)驗曲線[12]

(1)與圖4近似度較好的擬合方程

Δα20%時，

(11-a)

Δα>20%時，

kSO3=1.5%

(11-b)

(2)較簡便且具有更好實用性的近似擬合方程為

kSO3=m·Δαn

(12-a)

Δα<25%時，

kSO3=0.145Δα0.86

(12-b)

Δα40%時，

kSO3=0.29Δα0.6

(12-c)

燃煤鍋爐不同擬合方程計算結(jié)果與圖4的比較見表4所示。

表4 不同擬合方程kSO3=f(Δα)計算結(jié)果的比較

2.3 酸露點與過量空氣系數(shù)的關(guān)系式

2.3.1 模式1，以煙氣成份為基礎(chǔ)的關(guān)系式

將式(12-a)代入式(10)得

(13)

式中的系數(shù)可取為b=27.6，n=0.86～0.6。

2.3.2 模式2，以煤質(zhì)資料為基礎(chǔ)的關(guān)系式

對式(1)變換如下

(14)

在煤質(zhì)條件一定條件下對上式求導(dǎo)，得

(15)

令

β=β0+?β

(16)

將式(13)代入式(15)、(16)得

(17)

β——在Δα″時，過量空氣對酸露點溫度的修正系數(shù)。

以前蘇聯(lián)1973年標(biāo)準(zhǔn)計算公式作為參考模式時，不同定值方法所確定的修正系數(shù)β值見圖5所示。根據(jù)對現(xiàn)有文獻(xiàn)的分析比較及部分實驗數(shù)據(jù)的驗證結(jié)果，推薦按本文式(17)來確定式(1)中的β值。

圖5 前蘇聯(lián)鍋爐熱力計算標(biāo)準(zhǔn)公式中過量空氣影響修正系數(shù)β定值的比較

3 過量空氣系數(shù)表達(dá)方式的修正

根據(jù)上文分析，對現(xiàn)行酸露點計算方法中過量空氣系數(shù)的引入表達(dá)式建議修正如下：

3.1 以煤質(zhì)分析資料為基礎(chǔ)的計算模式

對前蘇聯(lián)1973年標(biāo)準(zhǔn)計算公式(1)中的過量空氣修正系數(shù)β改按以下方程計算確定

當(dāng)α″≥1.2時，

(18-a)

(18-b)

3.2 以煙氣成份為基礎(chǔ)的計算模式

在以煙氣成份為基準(zhǔn)的酸露點溫度計算公式中，對SO3成份的確定按以下方程進(jìn)行計算

SO3=SO2×kSO3×kU×kG

(19)

式中 kSO3——SO3轉(zhuǎn)化率；

kU——飛灰成份堿度修正系數(shù)；

kG——SO3成份中的氣態(tài)比例。

4 結(jié)論

(1)過量空氣系數(shù)對SO3轉(zhuǎn)化率及煙氣酸露點的高低都有重要的影響，但現(xiàn)行計算方法在這方面存在明顯的不足，甚至產(chǎn)生誤導(dǎo)作用，對此應(yīng)進(jìn)行修正。

(2)查明了現(xiàn)行文獻(xiàn)中的煙氣酸露點計算方法不能確切反映過量空氣影響的一些原因，這里包括(a)計算公式結(jié)構(gòu)存在缺陷；(b)計算運作簡單化。

(3)通過理論分析推導(dǎo)得到了過量空氣系數(shù)與酸露點溫度之間較確切的數(shù)學(xué)解析方法和可用于工程實用的計算公式。新的計算方法更好地顯示了過量空氣系數(shù)對酸露點的影響，也反映了低氧燃燒在降低酸露點方面的效益。

[1]劉艷雙.煙氣露點溫度的測量和低溫腐蝕的防止[J].節(jié)能技術(shù),1998(6):9-10,13.

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[12]Robert Bennett,Barry Handelsmen.Solving Cold End Boiler Problems Through lnnovative ChemicalTechnology[J].Combustion,1977,No.1.

CorrectionMethodofExcessAirCoefficientinCalculationFormulaofFlueGasAcidDew-point

WANG Jin-wang1,ZHANG Yan2,ZHANG Jian-zhong3

(1.Shanghai Chengxin Construction Energy Conservation Technology Co., Ltd,Shanghai 201103,China;2.Chengxin Green Integration Co., Ltd,Xiamen 361009,China;3.China Power Construction Engineering Consulting Corporation,Shanghai 200137,China)

Acid dew-point of flue gas is one of the important parameters in boiler operation and energy-saving reform.There are lots of calculation methods of acid dew-point of flue gas, and the results of different methods are quite different.The calculation method of acid dew-point in the literature are compared.Under the condition of different excess air coefficient,the causes that through the current formula calculation of flue gas acid dew-point changes contrary to the actual are analyzed.Flue gas acid dew-point calculation of excess air coefficient in the formula is amended,which supplies the excess air coefficient correction formula. It has a value for application.

acid dew-point calculation;excess air coefficient;SO3content;the low temperature corrosion;the flue gas composition;coal analysis

2013-09-02修訂稿日期2013-12-04

王金旺(1974～)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事鍋爐環(huán)保節(jié)能工程。

TK224.9+3

A

1002-6339 (2014) 04-0346-05