含硫煙氣酸露點(diǎn)實(shí)驗(yàn)及預(yù)測(cè)模型研究

吳雪峰 李安英 高繼峰 麻宏強(qiáng),

1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院 2.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司

在燃煤電廠中，由于硫元素的存在，鍋爐燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生SO2和SO3等酸性氣體[1]；當(dāng)煙氣溫度低于200 ℃時(shí)，煙氣中的酸性氣體和水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸氣[2]；當(dāng)煙氣溫度繼續(xù)降低并低于其酸露點(diǎn)時(shí)，煙氣中硫酸蒸氣會(huì)發(fā)生結(jié)露[3]，并附著在換熱設(shè)備上，這會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備腐蝕和灰堵，使傳熱惡化，影響鍋爐設(shè)備的安全運(yùn)行[4]。降低燃煤電廠鍋爐含硫煙氣溫度是有效提高鍋爐熱效率、提高電除塵器效率以及降低脫硫塔耗水量最重要的措施之一[5-6]。在避免設(shè)備腐蝕的同時(shí)還需要提升鍋爐效率，因此,必須精確預(yù)測(cè)含硫煙氣酸露點(diǎn)。

目前，煙氣酸露點(diǎn)預(yù)測(cè)模型較多，但這些大都是依據(jù)半經(jīng)驗(yàn)或者理論推導(dǎo)得來(lái)的[7-8]，其計(jì)算的酸露點(diǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際值[9]；當(dāng)這些公式應(yīng)用于預(yù)測(cè)煙氣余熱回收系統(tǒng)的酸露點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致余熱回收不充分，對(duì)于工程適用性較低，因此,有必要對(duì)煙氣酸露點(diǎn)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行改進(jìn)[10]。

本研究基于硫酸蒸氣冷卻結(jié)露導(dǎo)電原理，搭建了含硫煙氣酸露點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)；通過(guò)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試SO3蒸氣和H2O蒸氣對(duì)煙氣酸露點(diǎn)的影響，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有酸露點(diǎn)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)選最佳預(yù)測(cè)模型，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

含硫煙氣酸露點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由鍋爐、煙道、自來(lái)水箱、煙氣換熱器、換熱器變徑、定壓泵、保溫水箱、電加熱器、增壓泵、洗煙塔、板式換熱器、水管、酸露點(diǎn)儀及溫度傳感器等相關(guān)設(shè)備組成，如圖1所示。

首先，自來(lái)水箱中的水通過(guò)定壓泵輸送到保溫水箱及換熱器管中，通過(guò)電加熱器加熱保溫水箱中的水至100 ℃以上，防止煙氣溫度降低到酸露點(diǎn)以下；定壓泵設(shè)置一定的壓力防止熱水汽化，熱水循環(huán)泵將保溫水箱中的水與換熱器中的水進(jìn)行循環(huán)。然后，鍋爐中的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)煙道進(jìn)入換熱器中與熱水換熱，煙氣溫度降低，熱水溫度升高；熱水再進(jìn)入板式換熱器與自來(lái)水箱的冷水進(jìn)行換熱，溫度降低的熱水再進(jìn)入保溫水箱中進(jìn)行加熱，通過(guò)熱水循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)。最后，板式換熱器中的冷水與熱水換熱后經(jīng)過(guò)增壓泵進(jìn)入洗煙塔清洗煙氣，防止污染大氣。

煙氣酸露點(diǎn)主要受煙氣中的SO3蒸氣和H2O蒸氣含量的影響，所以本研究采用含硫量較少的優(yōu)質(zhì)煤進(jìn)行燃燒，忽略煤質(zhì)中硫的影響，通過(guò)蠕動(dòng)泵噴稀硫酸和水的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因?yàn)橄×蛩崛芤涸诟邷?40 ℃以上會(huì)分解成SO3蒸氣和H2O蒸氣；在低溫下SO3蒸氣和H2O蒸氣又會(huì)結(jié)合生成硫酸蒸氣，當(dāng)煙氣溫度繼續(xù)降低達(dá)到其酸露點(diǎn)以下時(shí)，硫酸蒸氣會(huì)形成稀硫酸霧；在該實(shí)驗(yàn)中通過(guò)噴入不同比例的水和稀硫酸，改變煙氣中SO3蒸氣和H2O蒸氣的含量，從而實(shí)現(xiàn)改變煙氣中SO3蒸氣和H2O蒸氣的分壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同SO3蒸氣和H2O蒸氣含量條件下煙氣酸露點(diǎn)的模擬測(cè)試。

整個(gè)系統(tǒng)正常循環(huán)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)計(jì)算向高溫鍋爐中通入不同比例的稀硫酸溶液和水溶液，在煙氣換熱器后方變徑中放入酸露點(diǎn)儀測(cè)試設(shè)備，測(cè)試煙氣酸露點(diǎn)。

1.2 酸露點(diǎn)儀測(cè)試方法

酸露點(diǎn)儀自制設(shè)備原理如圖2所示，主要包含了電木管、銅棒、萬(wàn)能表、導(dǎo)線、熱電偶及數(shù)據(jù)采集儀，其中電木管為絕緣體，銅棒為導(dǎo)電體，熱電偶及數(shù)據(jù)采集儀采集煙氣酸露點(diǎn)。在絕緣電木管上布置兩個(gè)銅片，間距約為0.4 mm，通過(guò)導(dǎo)線、電源、萬(wàn)能表形成環(huán)路，并在銅棒邊緣粘貼3個(gè)熱電偶；當(dāng)煙氣中硫酸蒸氣未在銅棒之間結(jié)露時(shí)，該酸露點(diǎn)儀處于斷路狀態(tài)，電流表無(wú)示數(shù)；當(dāng)硫酸蒸氣在銅棒之間結(jié)露時(shí)，電路閉合，通過(guò)觀察電流表的變化，并記錄溫度數(shù)據(jù)采集儀讀數(shù)，從而確定煙氣酸露點(diǎn)，如圖3所示。該自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)過(guò)了校核。基于硫酸蒸氣結(jié)露導(dǎo)電原理，自制酸露點(diǎn)儀，并通過(guò)該設(shè)備進(jìn)行酸露點(diǎn)的測(cè)試，如圖4所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況

本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)改變煙氣中SO3和H2O的分壓以得到不同組分煙氣的酸露點(diǎn)。對(duì)于SO3分壓的調(diào)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)主要采用向鍋爐爐膛定量添加稀硫酸溶液來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于H2O蒸氣分壓的調(diào)節(jié)，主要通過(guò)向鍋爐中定量添加水來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于含硫煙氣中主要成分為CO2、NO2、O2、H2O及硫酸蒸氣，本研究將通過(guò)對(duì)燃燒的成分進(jìn)行計(jì)算分析來(lái)設(shè)置SO3及H2O的分壓。

通過(guò)將硫酸噴入鍋爐中，高溫燃燒獲得硫酸蒸氣，因?yàn)榱蛩嵴魵馑嫉姆謮簶O小，所以硫酸蒸氣的分壓不計(jì)入煙氣壓中；該實(shí)驗(yàn)中SO3蒸氣分壓分別為2.5×10-6atm、5.0×10-6atm、7.5×10-6atm、10.0×10-6atm(本研究中壓力以atm計(jì)，1 atm=101 325 Pa)，對(duì)應(yīng)的SO3蒸氣體積分?jǐn)?shù)分別為2.5×10-6、5×10-6、7.5×10-6、10.0×10-6，則對(duì)應(yīng)的硫酸蒸氣體積分?jǐn)?shù)為5×10-6，10×10-6，15×10-6，20×10-6。在此條件下設(shè)置應(yīng)往鍋爐中噴入的硫酸溶液的量，實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同SO3蒸氣分壓工況下含硫煙氣酸露點(diǎn)。

該實(shí)驗(yàn)設(shè)定H2O蒸氣的分壓為0.05 atm、0.07 atm、0.10 atm、0.13 atm、0.15 atm，則對(duì)應(yīng)的煙氣中的H2O蒸氣分壓所占總壓的比例分別為5%、7%、10%、13%、15%。在此條件下設(shè)置應(yīng)往鍋爐中噴入水的量，實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同H2O蒸氣分壓工況下含硫煙氣酸露點(diǎn)?；谏鲜龇椒?，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了25個(gè)工況。

SO3蒸氣分壓分別為2.5×10-6atm和5.0×10-6atm時(shí)，煙氣酸露點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所列。

表1 不同工況下的煙氣酸露點(diǎn)SO3蒸氣分壓H2O蒸氣分壓PaatmPaatm煙氣酸露點(diǎn)溫度/℃0.252.5×10-65 0660.0584.360.252.5×10-67 0930.0587.090.252.5×10-610 1320.1089.990.252.5×10-613 1720.1392.120.252.5×10-615 1990.1593.280.505.0×10-65 0660.0592.670.505.0×10-67 0930.0595.400.505.0×10-610 1320.1098.290.505.0×10-613 1720.13100.430.505.0×10-615 1990.15101.59

2 結(jié)果討論與分析

2.1 酸露點(diǎn)變化規(guī)律分析

圖5為不同H2O蒸氣分壓下，煙氣酸露點(diǎn)隨SO3蒸氣分壓變化測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)SO3蒸氣分壓小于2.5×10-6atm時(shí)，煙氣酸露點(diǎn)增大速度較快；當(dāng)SO3蒸氣分壓大于2.5×10-6atm時(shí)，煙氣酸露點(diǎn)增加斜率變小，這表明煙氣中SO3蒸氣分壓越高，其酸露點(diǎn)增加得就越緩慢。總的來(lái)說(shuō)，煙氣酸露點(diǎn)隨SO3蒸氣分壓增大呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，煙氣酸露點(diǎn)越高，在防止壁面設(shè)備腐蝕的條件下，煙氣余熱回收效率越低。

圖6為不同SO3蒸氣分壓下，煙氣酸露點(diǎn)隨H2O蒸氣分壓變化測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，煙氣酸露點(diǎn)隨H2O蒸氣分壓增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，這種增長(zhǎng)斜率較小，表明酸露點(diǎn)增長(zhǎng)得較為緩慢。結(jié)合圖5可知，煙氣酸露點(diǎn)主要受SO3蒸氣分壓的影響較大，受H2O蒸氣分壓影響較小。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有公式對(duì)比分析

圖7和圖8分別是H2O蒸氣分壓分別為0.10 atm和0.15 atm時(shí)，不同公式計(jì)算出的煙氣酸露點(diǎn)溫度隨SO3變化曲線的對(duì)比結(jié)果。從圖7和圖8可以看出，這些酸露點(diǎn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算出的酸露點(diǎn)值隨SO3蒸氣分壓增大而增大。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明，Haase公式計(jì)算出的酸露點(diǎn)明顯接近于實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值，而其余公式計(jì)算出的酸露點(diǎn)均遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)值。

圖9和圖10分別是SO3蒸氣分壓為5×10-6atm和10×10-6atm時(shí)，不同公式計(jì)算出的煙氣酸露點(diǎn)隨H2O蒸氣分壓變化曲線的對(duì)比結(jié)果。從圖9和圖10可以看出，除了Mǜller公式和Halsted公式中未考慮H2O蒸氣對(duì)酸露點(diǎn)的影響，所以趨勢(shì)不變化，其余酸露點(diǎn)估算公式得出的酸露點(diǎn)值隨H2O蒸氣含量增大而增大。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明，Haase公式計(jì)算出的結(jié)果雖然接近于實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值，但在SO3蒸氣分壓較大時(shí)，Haase公式計(jì)算的結(jié)果低于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。煙氣酸露點(diǎn)的預(yù)測(cè)模型見(jiàn)表2。

表2 煙氣酸露點(diǎn)的預(yù)測(cè)模型名稱公式單位Mǜllertadp=116.551 5+16.063 29 lgVSO3+1.053 77(lgVSO3)210-6Halsteadtadp=113.021 9+15.077 7 lgVH2SO4+2.097 5(lgVH2SO4)210-6Haasetadp=255.0+18.7 lgpH2O+27.6 lgpSO3atmA.G.Okkes-Atadp=10.880 9+27.6 lgpH2O+10.83 lgpSO3+1.06(lgpSO3+2.994 3)2.19PaA.G.Okkes-Btadp=203.25+27.6 lgpH2O+10.83 lgpSO3+1.06(lgpSO3+8)2.19atmVerhoff-B1 000tadp+273.15=2.988 2-0.137 6 lgpH2O-0.267 4 lgpSO3+0.032 87 lgpH2O lgpSO3atmH.A.Bapahobatadp=186+20 lgφH2O26 lgφSO3%日本電力研究所(JIEPI)tadp=20 lgVSO3+a-8010-6

2.3 酸露點(diǎn)預(yù)測(cè)模型分析

由上述測(cè)試結(jié)果可知，Haase公式是最接近實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的；但在SO3蒸氣分壓較大的工況下，該公式計(jì)算出的酸露點(diǎn)低于實(shí)驗(yàn)值；如果對(duì)該公式不加以修正，直接運(yùn)用到實(shí)際工程中，會(huì)造成設(shè)備的腐蝕。因此，本節(jié)基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)該公式進(jìn)行改進(jìn)。Haase公式如式(1)所示，并且已知是SO3蒸氣分壓這部分的原因?qū)е掠?jì)算結(jié)果低于實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值，本節(jié)主要對(duì)該部分進(jìn)行修正，采用標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)面體爬山法+通用全局優(yōu)化法來(lái)重新預(yù)測(cè)此關(guān)系式，改進(jìn)后的模型如式(2)所示。

tadp=255.0+18.7 lgpH2O+27.6 lgpSO3

(1)

式中：pH2O為煙氣中H2O蒸氣分壓，atm；pSO3為煙氣中SO3蒸氣分壓，atm；壓力單位之間換算關(guān)系：1 atm=101 325 Pa。

tadp=3.562 7+14.039 6(lg101 325pH2O′)+
10.157 2(lg101 325pSO3′)+
1.348(lg101 325pSO3′+3.482 2)2.754 5

(2)

式中：pSO3′為煙氣中SO3蒸氣的分壓，atm；pH2O′為煙氣中H2O蒸氣的分壓，atm。

該預(yù)測(cè)煙氣酸露點(diǎn)模型適用范圍：2.5×10-6atm≤pSO3′≤10×10-6atm，0.05 atm≤pH2O′≤0.15 atm。為了保證改進(jìn)后酸露點(diǎn)預(yù)測(cè)模型的可靠性，本節(jié)將改進(jìn)后的模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行了對(duì)比，采用了不同工況下的29組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明，改進(jìn)后酸露點(diǎn)預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差總體在±5%以內(nèi)，滿足實(shí)際工程要求。

3 結(jié)論

本研究探究了含硫煙氣酸露點(diǎn)測(cè)試原理，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建，測(cè)試了不同工況下的煙氣酸露點(diǎn)，并重新進(jìn)行了模型預(yù)測(cè)，得出如下結(jié)論：

(1) 基于H2SO4蒸氣冷卻結(jié)露導(dǎo)電原理，搭建了含硫煙氣酸露點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)自制酸露點(diǎn)儀測(cè)試了SO3蒸氣和H2O蒸氣對(duì)煙氣酸露點(diǎn)的影響。

(2) 煙氣酸露點(diǎn)隨SO3蒸氣分壓的增加而增高，并呈對(duì)數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)；煙氣酸露點(diǎn)隨H2O蒸氣分壓的增加而增高，但呈較緩慢的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；煙氣酸露點(diǎn)主要受SO3蒸氣分壓的影響。

(3) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)有酸露點(diǎn)公式對(duì)比分析可得，Haase公式較為接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，所得的預(yù)測(cè)模型誤差在±5%以內(nèi)，滿足實(shí)際工程的要求。