烟气酸露点计算中过量空气系数修正方法的探讨

张建中;王金旺

【摘 要】燃烧过程中的过量空气系数αf对烟气酸露点温度tDP有非常大的的影响，然而在现行烟气酸露点温度计算方法中，无论是以煤质分析资料为基础的计算模式还是以烟气成分为基础的计算模式，都未能正确反映这种影响。本文分析了出现这一问题的原因，并通过对酸露点温度tDP与SO3之间的关系及过量空气系数αf与SO3或KSO3之间的关系式的分析，推导得到酸露点温度与过量空气系数之间的关系式及实用数据，较好的解决了这一问题。%Coefficient of excess air in the combustion process has a very big impact on the acid dew point temperature of flue gas, however, current calculation method of the acid dew point temperature, whether the calculation model based on the coal quality analysis data or theflue gas composition, don’t to correctly reflect the effect of it. Analyzes the reasons of this problem, through the analysis of the correlation between SO3 and acid dew point temperature, and between excess air coefficient and SO3 or SO3 conversion ratio, and deduce the relationship between the acid dew point temperature and the excess air coefficient, and get the practical data and a better solution to this problem.

【期刊名称】《全面腐蚀控制》

【年(卷),期】2015(000)001

【总页数】6页(P70-75)

【关键词】烟气酸露点温度;过量空气系数SO3;浓度SO3转化率

【作 者】张建中;王金旺

【作者单位】中国电力建设工程咨询公司，上海 200137;成信绿集成股份有限公司，福建厦门 361009

【正文语种】中 文

【中图分类】TK224.9+3

关于燃烧过程中过量空气系数对烟气酸露点温度的影响，从定性角度来说在现行文献中是早已明确了的问题，那就是当燃烧过量空气量增大时，由于火焰中氧原子浓度增大，所形成的SO3量也相应增大；另一方面，当过量空气系数变低时，烟气中的CO浓度升高，而CO能抑制SO3的生成。图1、图2[1]及表1[2]分别为对天然气、燃油及燃煤锅炉的实测数据，可以清楚看到过量空气系数对烟气SO3浓度及烟气露点的影响。

但从定量关系角度上来看，现行文献中的一些酸露点计算公式中却很少见到能反映上述定性规律的。有的文献作者按现行方法计算的结果是，烟气酸露点温度随过量空气系数的增大反而降低，计算结果与实际情况两者之间的反差，表明现行计算方法在关于过量空气系数的考虑或在计算方法的操作上存在着不足或缺陷，需要进行澄清和改进。

其主要代表是前苏联1973年/俄罗斯1998年锅炉热力计算标准方法[3,4]，该方法在我国电力行业中被广为使用。

式中：

—烟气中纯水露点温度，℃；

SSP—燃料折算硫分；

ASP—燃料折算灰分；

n—指数，表示飞灰含量对酸露点影响的程度；

—飞灰份额，对煤粉炉；

β—与炉膛出口过量空气系数有关的参数：时，β=121，=1.4～1.5时，β=129，一般工程计算中可取β=125。

在式(1)中过量空气系数对露点温度计算的第2项产生影响，而且随过量空气系数的增大，修正系数β也随之增大，这与实践经验是一致的；但按文献[5]作者的计算结果是，酸露点计算值随过量空气系数的增大反而是逐渐减小，见表2所示。

分析出现上述情况的原因在于：

(1)在前苏联1973年标准公式结构中虽有过量空气影响系数β这一项，但在正式出版的计算标准方法[3,4]中推荐取用β=125；经核算结果表明，当=1.257～1.4范围内取用β=125=const时，按式(1)计算的结果是纯因水露点计算值的下降而使酸露点发生下降，这也就是文献[5]作者的计算结果。

( 2 )前苏联1 9 7 3年标准公式来源于Р.А.Лероеян(简称Ле氏公式)，经探源得知，Ле氏公式本身对过量空气系数修正的表达就过于简单，仅列出=1.2及=1.4～1.5两档工况过量空气系数的修正系数，分别为β=121及β=129。而对于=1.2～1.4之间的修正系数是采用β=121还是按内插法取值未作交待。

(3)按燃烧系统计算，当增大时，烟气中的水蒸汽分压力变低，这导致水露点温度趋于下降；

(4)公式结构中，修正系数β随的变化幅度偏小。经核算，该例中对=14这档工况的修正系数即使采用β=129，最终的酸露点计算值为98.8℃，与工况5相比的增大幅度也不过+3℃，与实际经验相差很远，而且与Ле氏公式所依据的试验图表(见图3)也不相符——经核算，与图3中=1.2及=1.4～1.5两条曲线相应的β值应为而不是121:129。分析其原因很可能是在图3中的△tDP实际上系tDP之误，由此导致折算β值的偏小。

其主要代表是前苏联文献中对燃烧重油所提出的酸露点计算公式[6]：

式中：——折算硫分，

按公式(2)，过量空气系数对酸露点温度的影响甚大，见表3所示。

表3的计算结果与图2所显示的ADT=f()规律甚为接近。但公式(2)仅适用于燃油锅炉。

(1)这一模式以烟气中SO3及H2O成分为变量，并可分为2种类型：①包含过量空量系数(氧量)因子在内；②不包含过量空气系数(氧量)因子在内的计算公式。

(2)包含过量空量系数(氧量)因子在内，以SO2及H2O为变量的计算公式，在现行文献中以下式为代表：

式中PH2O、PO2、PSO2—烟气中H2O、O2、SO2的分压力(atm)；

—炉内火焰平均温度，℃。

(3)不包含过量空气系数(氧量)因子在内，以SO3及H2O为变量的计算公式。国际上石化、冶金及环保行业中基本上都是这种模式，参见以下代表性示例：

①A.G.Okkes公式：

式中：PH2O—烟气中蒸气分压，Pa;

PSO3—烟气中SO3分压，Pa。

②Verhoff &Branchero方程：

式中：

PH2O—烟气中水蒸气分压，Pa;

PSO3—烟气中SO3分压，Pa。

③日本电力工业中心研究所(简称“日本电研所)计算公式

式中：

а—水蒸汽常数，当水蒸汽含量为5%、10%、15%时相应的а为：184、201；

SO3—烟气中的SO3含量，%或ppm×10-4。

④И.А.Баранова计算公式：

式中：

—烟气中水蒸汽体积含量，%；—烟气中SO3体积含量，%。

⑤Haasse &Borgmann计算公式 ：

式中：

及194PH2O—烟气中水蒸气分压，atm；

PSO3—烟气中SO3分压，atm。

按燃烧系统计算结果，当过量空气系数增大时烟气成份中的H2O及SO3或SO2分压力均趋于下降，促使这类模式中公式(4)～(8)中的烟气酸露点温度变低；而由于O2分压力的影响，按式(3)计算的酸露点温度有可能随过量空气系数而增高，但其幅度有限。之所以出现与实际不相符的结果，主要原因在于公式(4)～(8)这类模式是以给定的SO3为基础的，此时在确定SO3浓度时必须先考虑过量空气系数对SO3的影响，即问题不在公式本身而在使用这些公式的运作上；为要正确使用这些公式，必需先确定

的关系式。若不论过量空气系数高低，一律取SO3/SO2为定值，这必将出现酸露点计算温度随过量空气增大反而降低的不合理现象。

2.1 酸露点温度tDP与SO3之间的关系式

如上所述,按烟气成份为基准的酸露点温度计算公式中其通用的经验公式结构为：

式中 a、b、c—经验公式中的常系数。

当过量空气系数变化时，烟气成份中的SO3及H2O都将发生变化，但主要的变化在SO3转化率方面，H2O的变化相对甚小，为简化分析条件，忽略H2O的变化，则因SO3变化所引起的tDP增量为：

式中、—变化前、后的SO3值；

、—变化前、后的SO3转化率。

现行文献中，有关过量空气系数与SO3之间关系实验资料的报导大多见诸于天然气及燃油锅炉，其中同时讨论燃煤锅炉及燃油锅炉的以文献[7]中的论述具有较好的代表性。按该论文作者的经验，对燃煤燃油锅炉的实验资料整理如图4所示。

为便于进行数学处理，对图3曲线拟合成如下经验式：

(1)与图4近似度较好的拟合方程：

(2)具有较简便且更好实用近似度的拟合方程为：

不同拟合方程计算结果与图4的比较见表4所示。

由于从表1及表3的试验数据来看，∆α≥0.2时K SO3趋向于进一步增大，则按式(12)的计算结果更加接近实际。

将式(12)代入式(10)得：

式中的系数n=0.86～0.6；系数b在前述式(3)～(8)中为20～27.6，但由相关的专题报告对燃煤烟气宜按b=52取用。

对式(1)变换如下：

在煤质条件一定条件下对上式求导，得：

令：

将式(13)代入式(15)、(16)得：

式中：

——在已知及时，过量空气对酸露点温度的修正系数；

——在时，过量空气对酸露点温度的修正系数。

以前苏联1973年标准计算公式作为参考模式时，不同定值方法所确定的修正系数β值如图5所示。根据对现有文献的分析比较及部分实验数据的验证结果，推荐按本文式(17)来确定式(1)中的β值。

在式(17)及图5基础上，整理得到可供工程实用的数据表见表5。

根据上述分析结果，建议对现行酸露点计算方法中过量空气系数因素的引人/表达方式改进如下：

对前苏联1973年标准计算公式(1)中的过量空气修正系数β改按以下方程计算确定：

在按烟气成份为基准的酸露点温度计算公式中，对SO3成分的确定按以下方程进行计算：

式中：

KSO3---- SO3转化率；

(∆αF≤25%)；

(∆αF ≤40%)；

KU—飞灰成分碱度修正系数；

KG—SO3成份中的气态比例。

在工程实用上,可按数据表5进行查取。

(1)过量空气系数对SO3转化率及烟气酸露点温度的高低都有重要的影响，但现行计算方法在这方面存在明显的不足，甚至产生误导作用，对此应进行澄清。

(2)查明了现行文献中的烟气酸露点计算方法不能确切反映过量空气影响的一些原因，这里包括：①计算公式结构存在缺陷；②计算运作简单化这两方面的原因。

(3)通过理论分析推导得到了过量空气系数与酸露点温度之间较确切的数学解析方法

和可用于工程实用的计算公式及数据表。新的计算方法更好地显示了过量空气系数对酸露点的影响，也反映了低氧燃烧在降低酸露点方面的效益。

【相关文献】

[1] 车得福. 冷凝式锅炉及其系统[M]. 北京机械工业出版社, 2002.

[2] SFJ烟气酸露点仪研制及测试[J]. 发电设备, 1987 No.3.

[3] 锅炉机组热力计算标准方法(前苏联1973年版翻译本)[S]. 北京机械工业出版社, 1973.

[4] 锅炉热力计算标准(俄罗斯1998年版翻译本)[S]. 西安,西安交通大学出版社内部出版, 2000.

[5] 李钧, 阎维平等. 电站锅炉烟气酸露点温度的计算[J]. 锅炉技术, 2009. No.5, 14-17.

[6] 高体基等译 (苏)М.И.Резников等著. 热力发电厂蒸汽锅炉[M]. 1981.

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