烟气酸露点的可视性研究(2010年12月9日)

烟气酸露点的可视性试验研究作者：王键张锡国罗犹义摘要：对锅炉排烟酸蒸汽冷凝过程进行了可视性试验，由此确定排烟的酸露点；并对锅炉排烟的酸露点常用的计算公式进行了比较，可视性测试和运行实践均显示，大多数酸露点计算式与实际情况有较大偏差，《余热锅炉设计与运行》介绍的查图法和日本电力工业中心研究所发表的实验公式较为与实际情况相符。

另外，可视性试验和运行实践均表明，如果壁温低于酸露点及其以下约30℃的范围内但烟气温度高于酸露点，壁面不会形成明显冷凝液，换热面的腐蚀是微弱的。

关键词：酸露点，烟气，酸蒸汽冷凝中图分类号：TK124 文献标识码：AThe visibility experimental research of the acid dew-point of the boiler flue gas Abstract:The visibility experiment was proceed for the acid vapor condensation. The acid dew-point was determined through the experiment. And commonly used formulas of the acid dew-point of flue gas were compared. As shown by the visibility experiment and actual operation of a power plant, the most of the formulas had larger deviation. The chart of "waste heat boiler design and operation" and the formula of Japan Electric Power Research Institute were more consistent with the actual situation. In addition, if the metal wall temperature is not lower than the acid dew-point about 30℃and the flue gas temperature is higher than the acid dew-point, the corrosion of metal wall is very weak.Key word: the acid dew-point, the flue gas, the condensation of the acid vapor露点按热力学的定义为，混合气体中某种组成成分凝结的温度，称为该组成成分的露点温度，其值等于该成分在其分压力下对应的饱和温度的值【1】。

因此，对酸露点而言，其定义为将烟气中硫酸蒸汽凝结的温度，其值等于烟气中硫酸蒸汽在其分压力下对应的饱和温度的值【2】。

所以当锅炉低温受热面的壁温低于烟气酸露点,会使硫酸蒸汽从烟气中冷凝成液体析出，从而引起受热面金属的腐蚀,危及锅炉运行安全。

为了避免硫酸蒸汽冷凝，提高排烟温度是常用的有效措施，然而却降低锅炉的热效率，试验表明，排烟温度每升高15～20 ℃,锅炉热效率大约降低1%[3]。

因此避免低温腐蚀的同时应兼顾电厂的经济性，锅炉的经济排烟温度的确定是相当的重要，而此温度与烟气的酸露点有关，因此，烟气的酸露点的确定具有重要的意义。

然而，烟气酸露点与燃料的种类、燃料的含硫量、烟气中水蒸气浓度、燃烧状态、过剩空气系数和飞灰等因数有关，至今酸露点计算式或查图法与实际运行中的酸露点有较大的出入，通常采用取较高的酸露点，然而不可避免地降低了锅炉的热效率。

为此，本文通过重庆九龙发电分公司（以下简称九龙电厂）200MW发电机组的排烟作为研究对象，对烟气中硫酸蒸汽冷凝过程进行可视化观察，从而确定烟气酸露点和壁温对硫酸蒸汽冷凝过程的影响；比较了常用的锅炉排烟酸露点计算公式的可靠性；并且与九龙电厂发电机组脱硫用管箱式GGH 的运行情况进行了比较和分析；为锅炉的经济排烟温度确定以及尾部设备防腐提供一定的参考依据。

1 烟气酸露点可视性实验研究烟气硫酸蒸汽冷凝过程的可视性试验到目前为止尚未见相关报道，因此对其研究有其实用价值和学术意义。

1.1 实验装置可视性实验装置示意图如图1所示，可视段为一套管式换热器，其中内管为一不锈钢管，有效管长 m ，环形侧通道为烟气通道，烟气与水以逆流方式换热。

通过换热器的水来自一可调节水温的恒温水浴，而离开换热器的水被冷却后又回到恒温水浴，从而构成一循环回路，通过改变恒温水浴的水温来达到调节换热器管壁温度；电厂锅炉排烟道开一小口，通过管道与实验装置的烟气进口相连，烟气通过换热器后经烟气出口排向大气环境。

水进口和出口以及烟气进出口均装有精密温度计测试其温度，烟气通过换热段的压差由微差压计测试，水流量由循环水泵额定流量近似确定。

图1 烟气可视性实验装置示意图1.2壁温计算原理及误差分析由于壁温较难测准，故本文采用间接的方法计算其壁温，其计算原理如下：由微差压计测得两端差压△P y ，由下式计算得到烟气平均流速v y 。

221y y y v P ρξ⋅=∆式中，ξ为局部阻力系数。

然后通过Dittus-Boelter 公式计算得到烟气侧对流换热系数。

ey y y D h λ⋅=8.0Re 023.0 oi o i e d D d D U F D +-==224 式中，De —环形通道当量直径，m 。

D i —套管式换热器环形侧内径，m 。

d o —套管式换热器内管外径，m 。

管内水侧对流换热系数也由Dittus-Boelter 公式计算得到。

ii i i d h λ⋅=8.0Re 023.0由于管壁热阻很小，因此不考虑管壁热阻，最后通过下式计算得到壁温。

⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⋅⋅=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⋅⋅=222121i i w i i w y y o y t t t l d h t t t l d h Q ππ 12121122-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⋅⋅+=⇒o i y i y y o i y i i i w d d h h t t d d h h t t t 式中，l —套管式换热器有效长度，m 。

t y1—套管式换热器进口烟气温度，℃。

t y2—套管式换热器出口烟气温度，℃。

t i1—套管式换热器进口水温度，℃。

t i2—套管式换热器出口水温度，℃。

以上所有物性均由每侧平均介质温度确定。

由于管内对流换热系数h i 比烟气侧对流换热系数h y 高得多（经计算h i /h y 大于30），因此上式简化为：222121y y i o i y i i w t t d d h h t t t +⋅⋅++=由上式可知由于h i 比h y 高得多，虽然水流量由循环水泵额定流量近似确定，只要水温测试精度较高，其计算得到的壁温仍有较高精度。

1.3测试结果及分析测试时，恒温水浴的水温从高往低进行调节，约5分钟调节一次并进行测试记录。

进出口烟温和水温变化均较小，管外平均壁温按上述计算式得到，其值与平均水温相差很小，平均相差不到1℃，这是由于水侧对流换热系数远高于烟气侧对流换热系数所致。

由于换热管较短，烟温和壁温沿管长近似按线性规律变化，管中心温度近似等于平均温度，由于可视窗位于中部，因此，观测点的烟温和壁温就近似等于平均烟温和计算的平均壁温，图2是平均烟温和计算得到的管外平均壁温随时间的变化。

通过可视段观察，当进水温度为86.2℃时，此时壁温86.9℃，可视段管外壁面有明显的黑色斑点出现，但无冷凝液出现，继续降低温度，黑色斑点增多，直到壁温为53.6℃，平均烟温90.7℃仍无冷凝液出现；进一步降低水温至49.8℃时，此时计算壁温51.5℃，平均烟温84℃，可看到大量雾状液体，管外表面才出现明显的冷凝液。

图2 平均烟温和平均壁温随时间的变化通过分析认为当进水温度为86.2℃时，壁温86.9℃时，可视段管外表面有明显的黑色斑点出现时应为酸蒸汽冷凝对壁面腐蚀形成的，但酸蒸汽冷凝液量极小，以致于看不到有明显的冷凝液出现，此时的管外表面温度可近似为烟气酸露点温度（86.9℃）。

而进水温度降低到49.8℃时，此时计算壁温51.5℃，平均烟温84℃，管外壁面出现明显的冷凝液，此冷凝液应为酸蒸汽冷凝液，因为，经测试原烟气中水蒸气体积含量为6.3%，由此可计算得到水蒸露点温度为37℃，这一温度比壁温51.5℃低得多；以及根据另一可视结果，壁温为53.6℃，平均烟温90.7℃仍无冷凝液出现，由此可见，当管外壁面温度低于酸露点一定范围内而烟气温度高于酸露点是不会有大量酸蒸汽凝结到管表面，而当烟气温度低于酸露点会有大量酸蒸汽凝结到管表面。

而从传热和热力学的观点来看，壁温虽然低于酸露点，但由于烟气温度高于酸露点，因此只有靠近壁面附近的烟气才有可能降温低于酸露点而析出硫酸液体，而远离壁面的烟气因温度仍高于酸露点而无冷凝液析出，其绝对数量极其有限，以致看不到冷凝液；当烟温降低到露点温度以下，烟气本身具备酸蒸汽凝结条件，每处的烟气中的酸蒸汽都会凝结析出，形成酸雾，积聚到壁面上就会看到大量的冷凝液。

2 锅炉排烟酸露点常用计算公式与测试值的比较2.1 锅炉排烟酸露点常用计算公式由前所述,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。

1）烟气中SO3气体浓度已知在烟气酸露点的间接测试中，都是先测试出烟气中的SO3或H2SO4的体积含量，然后由Miller曲线查出酸露点【4】，文献【5】根据该曲线回归得到酸露点的计算式（1）, 与Miller曲线比较最大相对误差0.42%。

()233lg05377.1lg06329.165515.116SOSOsldVVt++=（1）式中：3SOV--烟气中SO3体积百万分率t sld---烟气的酸露点温度，℃2）烟气中H2SO4蒸汽浓度已知Halstead在总结前人大量实验基础上，以常用燃料燃烧形式的水蒸气体积含量以11%为基准，得出数据表，文献【5】根据该表回归得到酸露点的计算式（2），与数据表比较最大相对误差0.59%。

2)(lg0975.2lg0777.150219.1134242SOHSOHsldVVt++=（2）式中：42SOHV--烟气中硫酸蒸汽体积百万分率。

3）烟气中SO3 和水蒸气浓度已知（1）A.G.Okkes方程荷兰学者A. G. Okkes 根据Müller 实验数据【6】,提出如下方程(3) ,方程中原文分压单位均为标准大气压。