一種燃煤煙氣深度冷卻時鹼硫吸收低溫腐蝕防控方法與流程
2023-11-30 23:33:56 1
本發明屬於含塵煙氣深度冷卻器中氣液固鹼硫吸收的技術領域，具體涉及一種燃煤煙氣深度冷卻時鹼硫吸收低溫腐蝕防控方法。
背景技術：
燃煤電廠每年消耗我國煤炭總量的50％，是我國節能減排的主力。《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》指出，到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現超低排放(即在基準氧含量6％條件下，煙塵、SO2、氮氧化物排放濃度分別不高於10、35、50毫克/立方米)，全國有條件的新建燃煤發電機組達到超低排放水平。煙氣深度冷卻技術是實現燃煤電廠節能減排和超低排放的關鍵技術，其核心是將進入靜電除塵器的煙氣溫度降低至硫酸露點溫度，深度回收煙氣餘熱，同時促進灰顆粒和SO3或H2SO4發生氣液固鹼硫吸收，從而實現煙氣深度冷卻器低溫腐蝕可控。
當煙氣深度冷卻到硫酸露點及以下時，若煙氣中的灰顆粒和SO3或H2SO4能夠實現高效的氣液固鹼硫吸收，即可實現低溫腐蝕可控。一般認為SO3與水蒸氣結合的過程在較高溫度下就已經開始進行，煙氣經過空氣預熱器後溫度驟降，幾乎全部SO3冷卻轉化成氣態的H2SO4。煙氣經過深度冷卻繼續下降至煙氣酸露點附近時，氣態的H2SO4開始冷凝形成液態硫酸。SO3或H2SO4與灰顆粒的結合過程一般認為有兩種方式，一種是物理性的吸附，一種是灰顆粒中鹼性成分的中和。物理性的吸附作用受灰顆粒表面積、孔結構、孔隙大小等多方面因素的影響，對SO3/H2SO4(g)/H2SO4(l)的吸收起決定作用的為灰顆粒中的鹼性成分，主要為鹼金屬氧化物(如Na2O、K2O等)和鹼土金屬氧化物(如CaO、MgO等)，這些鹼性成分在較高的溫度下開始對SO3/H2SO4(g)/H2SO4(l)具有吸收作用，在煙氣溫度降低至酸露點附近及以下時，與H2SO4發生酸鹼中和反應。灰顆粒吸收SO3或H2SO4之後，比電阻降低，表面粘性增加，小顆粒聚集凝並成大顆粒，隨後的靜電除塵器中實現脫除。
於是，日本相關公司提出通過控制灰硫比抑制低溫腐蝕風險的單參數判別指標，灰硫比即煙塵質量濃度(mg/m3)與SO3質量濃度(mg/m3)之比。然而對煙氣深度冷卻過程中灰顆粒和SO3或H2SO4氣液固鹼硫吸收機理研究發現，灰顆粒中對SO3/H2SO4(g)/H2SO4(l)的吸收起主要作用的是鹼性成分，其主要由鹼金屬氧化物(如Na2O、K2O等)和鹼土金屬氧化物(如CaO、MgO等)組成，並隨著煙氣溫度降低至酸露點附近及以下時與H2SO4發生酸鹼中和反應。灰硫比只是一種宏觀的評價指標，僅僅考慮了煙氣中灰顆粒濃度，而忽略了灰顆粒中對SO3或H2SO4的吸收起實際作用的鹼性成分，並不能確保低溫腐蝕處於可控狀態。在煙氣深度冷卻器設計和運行的工程實踐中也發現，我國的煤質狀況和日本大不相同，灰分含量較高，硫含量較低，灰硫比經常高達1000以上，大部分都在500以上。甚至一些典型電廠的煙氣深度冷卻器運行時，即使計算的灰硫比小於5，也並未發生低溫腐蝕，可以說，日本相關公司提出的「灰硫比大於100」的說法嚴重偏離工程實際應用。因此，灰硫比不能準確可靠地反映煙氣深度冷卻過程中鹼硫吸收率，簡單地把它作為低溫腐蝕可控的指標也是不合理的。
在對實際運行的煙氣深度冷卻器系統SO3或H2SO4濃度測試後發現，現有的煙氣深度冷卻技術並不能實現灰顆粒和SO3或H2SO4的高效鹼硫吸收。一方面，由於煙氣深度冷卻器系統往往存在煙氣轉彎、突擴、漸縮、立體彎頭等異形通流及管束結構，這些異形通流及管束結構的存在引起煙氣溫度場、速度場和灰顆粒濃度場不均勻分布，減弱了鹼硫吸收的有效性；另一方面，由於煙道截流面內灰顆粒的不同粒徑分布，影響煙氣中灰顆粒高效吸收SO3或H2SO4。流場均勻化程度對灰顆粒和SO3或H2SO4的高效鹼硫吸收起著不可忽視的作用，然而目前仍沒有一個系統全面的指標來評價流場不均勻性對煙氣深度冷卻過程中氣液固鹼硫吸收率的影響，從而實現煙氣深度冷卻器腐蝕防控。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種燃煤煙氣深度冷卻時鹼硫吸收低溫腐蝕防控方法，其通過控制鹼硫比和流場不均勻累積係數實現高效的氣液固鹼硫吸收，並有效防控煙氣深度冷卻器的低溫腐蝕。
為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種燃煤煙氣深度冷卻時鹼硫吸收低溫腐蝕防控方法，該方法包括以下步驟：
步驟1、按照國標GB/T1574‐2007《煤灰成分分析方法》進行灰中鹼金屬氧化物Fe2O3、CaO、MgO、Na2O和K2O質量含量測試；
步驟2、進行灰中折算鹼金屬氧化物的質量百分數之和WtA的計算：
式中：——灰中Fe2O3質量含量，％；
WtCaO——灰中CaO質量含量，％；
WtMgO——灰中MgO質量含量，％；
——灰中Na2O質量含量，％；
——灰中K2O質量含量，％；
步驟3、進行灰中折算鹼金屬氧化物含量CA的計算：
CA＝CD×WtA
式中：CD——煙氣冷卻器入口煙塵濃度，mg/m3；
WtA——灰中折算鹼金屬氧化物的質量百分數之和，％；
步驟4、進行煙氣冷卻器入口SO3濃度的計算：
式中：η1——燃煤中收到基硫轉化為SO2的轉化率；
η2——SO2向SO3的轉化率；
M——鍋爐燃煤量，t/h；
Sar——燃煤中收到基硫含量，％；
q4——鍋爐的固體不完全燃燒熱損失，％；
Q——煙氣流量，m3/h；
步驟5、進行鹼硫比CA/S的計算：
式中：——煙氣冷卻器入口SO3濃度，mg/m3；
CA——灰中折算鹼金屬氧化物含量，mg/m3；
步驟6、進行燃煤電廠空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束的局部係數m的計算：
式中：k——氣固影響因子，無量綱；
α——煙氣經過不同異形結構時所轉過的平均角度，°；
S1——煙氣經過不同異形結構前的通流面積，m2；
S2——煙氣經過不同異形結構後的通流面積，m2；
步驟7、進行流場不均勻累積係數M的計算：
式中：mi——煙氣經過不同異形結構時的局部係數；
所述流場不均勻累積係數M為一種評價流場不均勻性的判據，以此來評價煙氣在經過異形通流及管束結構時，流場不均勻性的累積過程；
步驟8、鹼硫吸收低溫腐蝕防控方法：
控制鹼硫比CA/S只是實現煙氣中灰高效吸收SO3或H2SO4的必要條件，鹼硫比越大，鹼硫吸收率越高；而控制流場不均勻累積係數M是決定灰高效吸收SO3或H2SO4的充分條件，在規定範圍內，流場不均勻累積係數越小，鹼硫吸收率越高；
只要在煙氣深度冷卻器設計和運行時控制鹼硫比CA/S大於臨界值0.5，並使不均勻累積係數M控制在15～30範圍內時，即可實現煙氣中灰高效吸收SO3或H2SO4，顯著降低煙氣深度冷卻器的低溫腐蝕速率，一方面，實現煙氣深度冷卻器的安全高效運行，另一方面，灰吸收SO3或H2SO4後，將在後續靜電除塵器中實現協同脫除灰和SO3或H2SO4的目的；
當所述鹼硫比CA/S沒有大於臨界值時，對鹼金屬氧化物含量不同的煤種進行混配，或直接向煙氣中均勻噴灑鹼金屬氧化物粉末，提高燃煤電廠燃用煤種的鹼金屬氧化物含量，從而提高燃用煤種的鹼硫比，實現高效鹼硫吸收，並有效防控煙氣深度冷卻器的低溫腐蝕；
當從燃煤電廠的空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束的流場不均勻累積係數M大於控制範圍時，對煙道和換熱器流場進行數值模擬和流場均勻化設計，減小煙氣經過不同異形結構時所轉過的平均角度，並使煙氣溫度場、速度場和灰顆粒濃度場能夠具有協同改善鹼硫吸收率的作用。
優選的，對於煤粉爐而言，所述燃煤中收到基硫轉化為SO2的轉化率η1取90％；所述SO2向SO3的轉化率η2取1.8％‐2.2％。
優選的，所述直接向煙氣中均勻噴灑的鹼金屬氧化物粉末為CaO或MgO粉末。
優選的，當所述鹼硫比CA/S沒有大於臨界值0.5時，對鹼金屬氧化物含量不同的煤種進行混配，是指將鹼金屬含量高的煤和鹼金屬含量低的煤進行比例配煤，以將燃用煤種的鹼硫比提高到0.5以上。
優選的，當從燃煤電廠的空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束的流場不均勻累積係數M大於控制範圍時，對煙道和換熱器流場進行數值模擬和流場均勻化設計，是指改變煙道的截面尺寸、形狀、轉彎角度，增加導流板，以使流場均勻化。
優選的，當從燃煤電廠的空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束的流場不均勻累積係數M大於控制範圍時，對煙道和換熱器流場進行數值模擬和流場均勻化設計，是指改變換熱器的結構、形狀和截面尺寸，重新設計強化傳熱元件，或改變強化傳熱元件的結構，以使流場均勻化。
和現有技術相比較，本發明的有益效果是：
(1)本發明方法鹼硫比為灰顆粒中實際與SO3或H2SO4發生吸附凝並作用的折算鹼性氧化物含量與煙氣冷卻器入口SO3濃度之比，通過控制鹼硫比實現高效率的氣液固鹼硫吸收。與灰硫比相比，鹼硫比對灰顆粒中吸收SO3或H2SO4的成分進行了更為細緻的劃分，該指數可直觀反映灰顆粒與SO3/H2SO4(g)/H2SO4(l)的鹼硫吸收率。
(2)本發明方法採用鹼硫比表徵灰顆粒與SO3/H2SO4(g)/H2SO4(l)的氣液固鹼硫吸收率，從質的概念上，揭示了鹼硫吸收的機理，為煙氣深度冷卻過程中氣液固鹼硫吸收提供了一個更為準確和可靠的評價方法及指標。
(3)本發明方法流場不均勻累積係數反映了煙氣在經過異形通流及管束結構時流場不均勻性的累積過程，通過控制流場不均勻累積係數實現高效率的氣液固鹼硫吸收。異形通流及管束結構的存在使得煙氣溫度場、速度場及煙塵濃度場分布不均勻，因此，煙氣溫度場、速度場以及顆粒濃度場的不均勻性是實際影響煙氣深度冷卻時液固鹼硫吸收過程的關鍵，流場不均勻累計係數的控制為氣液固鹼硫吸收提供了另一重要的評價方法及指標。
(4)本發明方法突破了國外提出的灰硫比單一判別指標，首次提出了通過控制鹼硫比和流場不均勻累積係數實現低溫腐蝕可控的雙判據評價方法及指標。只要在煙氣深度冷卻器設計和運行時控制鹼硫比大於臨界值，並使不均勻累積係數控制在一定範圍內，即可實現煙氣中灰高效吸收SO3或H2SO4，顯著降低煙氣深度冷卻器的低溫腐蝕速率，實現煙氣深度冷卻器腐蝕防控。
具體實施方式
下面對本發明進行詳細說明。
一種燃煤煙氣深度冷卻時鹼硫吸收低溫腐蝕防控方法，該方法包括以下步驟：
步驟1、按照國標GB/T1574‐2007《煤灰成分分析方法》進行灰中鹼金屬氧化物Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O質量含量測試；
步驟2、進行灰中折算鹼金屬氧化物的質量百分數之和WtA的計算：
式中：——灰中Fe2O3質量含量，％；
WtCaO——灰中CaO質量含量，％；
WtMgO——灰中MgO質量含量，％；
——灰中Na2O質量含量，％；
——灰中K2O質量含量，％；
步驟3、進行灰中折算鹼金屬氧化物含量CA的計算：
CA＝CD×WtA
式中：CD——煙氣冷卻器入口煙塵濃度，mg/m3；
WtA——灰中折算鹼金屬氧化物的質量百分數之和，％；
步驟4、進行煙氣冷卻器入口SO3濃度的計算：
式中：η1——燃煤中收到基硫轉化為SO2的轉化率；
η2——SO2向SO3的轉化率；
M——鍋爐燃煤量，t/h；
Sar——燃煤中收到基硫含量，％；
q4——鍋爐的固體不完全燃燒熱損失，％；
Q——煙氣流量，m3/h；
步驟5、進行鹼硫比CA/S的計算：
式中：——煙氣冷卻器入口SO3濃度，mg/m3；
CA——灰中折算鹼金屬氧化物含量，mg/m3；
步驟6、進行燃煤電廠空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束的局部係數m的計算：
式中：k——氣固影響因子，無量綱；
α——煙氣經過不同異形結構時所轉過的平均角度，°；
S1——煙氣經過不同異形結構前的通流面積，m2；
S2——煙氣經過不同異形結構後的通流面積，m2；
步驟7、進行流場不均勻累積係數M的計算：
式中：mi——煙氣經過不同異形結構時的局部係數；
所述流場不均勻累積係數M為一種評價流場不均勻性的判據，以此來評價煙氣在經過異形通流及管束結構時，流場不均勻性的累積過程。
步驟8、鹼硫吸收低溫腐蝕防控方法：
控制鹼硫比CA/S只是實現煙氣中灰高效吸收SO3或H2SO4的必要條件，鹼硫比越大，鹼硫吸收率越高；而控制流場不均勻累積係數M是決定灰高效吸收SO3或H2SO4的充分條件，在規定範圍內，流場不均勻累積係數越小，鹼硫吸收率越高；
只要在煙氣深度冷卻器設計和運行時控制鹼硫比CA/S大於臨界值0.5，並使不均勻累積係數M控制在15～30範圍內時，即可實現煙氣中灰高效吸收SO3或H2SO4，顯著降低煙氣深度冷卻器的低溫腐蝕速率，一方面，實現煙氣深度冷卻器的安全高效運行，另一方面，灰吸收SO3或H2SO4後，將在後續靜電除塵器中實現協同脫除灰和SO3或H2SO4的目的；
當所述鹼硫比CA/S沒有大於臨界值0.5時，對鹼金屬氧化物含量不同的煤種進行混配，或直接向煙氣中均勻噴灑鹼金屬氧化物粉末，提高燃煤電廠燃用煤種的鹼金屬氧化物含量，從而提高燃用煤種的鹼硫比，實現高效鹼硫吸收，並有效防控煙氣深度冷卻器的低溫腐蝕；
當從燃煤電廠的空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束的流場不均勻累積係數M大於控制範圍時，對煙道和換熱器流場進行數值模擬和流場均勻化設計，減小煙氣經過不同異形結構時所轉過的平均角度，並使煙氣溫度場、速度場和灰顆粒濃度場能夠具有協同改善鹼硫吸收率的作用。
對於煤粉爐而言，所述燃煤中收到基硫轉化為SO2的轉化率η1取90％；所述SO2向SO3的轉化率η2取1.8％‐2.2％。
所述直接向煙氣中均勻噴灑的鹼金屬氧化物粉末為CaO或MgO粉末。
當所述鹼硫比CA/S沒有大於臨界值0.5時，對鹼金屬氧化物含量不同的煤種進行混配，是指將鹼金屬含量高的煤和鹼金屬含量低的煤進行比例配煤，以將燃用煤種的鹼硫比提高到0.5以上。
當從燃煤電廠的空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束的流場不均勻累積係數M大於控制範圍時，對煙道和換熱器流場進行數值模擬和流場均勻化設計，是指改變煙道的截面尺寸、形狀、轉彎角度，增加導流板，以使流場均勻化。
當從燃煤電廠的空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束的流場不均勻累積係數M大於控制範圍時，對煙道和換熱器流場進行數值模擬和流場均勻化設計，是指改變換熱器的結構、形狀和截面尺寸，重新設計強化傳熱元件，或改變強化傳熱元件的結構，以使流場均勻化。
本發明的參數定義理論依據如下：
當煙氣深度冷卻到硫酸露點及以下時，煙氣中的灰顆粒和SO3或H2SO4發生氣液固鹼硫吸收，灰顆粒粒徑增大且比電阻降低，隨後在靜電除塵器中被脫除，從而實現SO3或H2SO4的有效脫除。實現低溫腐蝕可控的關鍵在於煙氣中SO3或H2SO4的有效脫除。當煙氣中的灰顆粒和SO3或H2SO4實現高效的鹼硫吸收時，即可實現煙氣深度冷卻器低溫腐蝕可控。由鹼硫吸收機理可知，灰顆粒對SO3或H2SO4的吸收作用主要為灰中鹼性成分的吸收作用，包括物理吸附與化學反應，且以化學反應為主，這些鹼性成分主要為鹼金屬氧化物(如Na2O、K2O等)和鹼土金屬氧化物(如CaO、MgO等)。鹼硫比越大，鹼硫吸收率越高。鹼硫比從質的概念上，揭示了鹼硫吸收的機理，為氣液固鹼硫吸收提供了一個更為準確和可靠的評價方法及指標。
然而在煙氣深度冷卻器的實際運行過程中發現，控制鹼硫比只是實現煙氣中灰高效吸收SO3或H2SO4的必要條件，單純控制鹼硫比並不能實現SO3或H2SO4的完全鹼硫吸收。一方面，由於空氣預熱器出口到煙氣深度冷卻器出口的煙道和換熱管束存在異形結構，使得煙氣溫度場、速度場及煙塵濃度場分布不均勻，減弱了鹼硫吸收的有效性；另一方面，由於煙道截流面內灰顆粒的不同粒徑分布，影響煙氣中灰顆粒高效吸收SO3或H2SO4。流場不均勻累積係數為一種評價流場不均勻性的判據，以此來評價煙氣在經過異形通流及管束結構時，流場不均勻性的累積過程，流場不均勻累積係數越小，鹼硫吸收率越高。因此，控制流場不均勻累積係數是決定灰高效吸收SO3或H2SO4的充分條件。
只要在煙氣深度冷卻器設計和運行時控制鹼硫比大於臨界值，並使不均勻累積係數控制在一定範圍內，即可實現煙氣中灰顆粒高效吸收SO3或H2SO4，顯著降低煙氣深度冷卻器的低溫腐蝕速率，實現煙氣深度冷卻器腐蝕防控。