【摘要】：目前我國(guó)燃煤鍋爐機(jī)組面臨著嚴(yán)峻的節(jié)能減排任務(wù),降低燃煤鍋爐機(jī)組排煙溫度可以有效提高煤炭利用效率,為此煙氣深度降溫余熱利用系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用,但此系統(tǒng)效能發(fā)揮受到低溫腐蝕,也就是煙氣酸露點(diǎn)的制約,按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則排煙溫度需要高于煙氣露點(diǎn)溫度,但目前一些機(jī)組排煙溫度可降低到80～90℃,使得計(jì)算得到的煙氣酸露點(diǎn)比實(shí)際排煙溫度高出值可達(dá)40～50℃,由此可以看出目前的煙氣露點(diǎn)計(jì)算公式與實(shí)際情況有較大的偏差,已對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行及余熱利用失去指導(dǎo)意義,因此重新確定煙氣露點(diǎn)溫度是個(gè)亟待解決的問(wèn)題。燃煤鍋爐受熱面低溫腐蝕影響因素眾多,煙氣深度降溫達(dá)到酸露點(diǎn)時(shí)H_2SO_4蒸汽凝結(jié),同時(shí)煙氣中含有大量飛灰,酸液與積灰的耦合作用較為復(fù)雜,對(duì)低溫腐蝕有較大影響,因此低溫腐蝕機(jī)理研究涉及含大量不凝氣體的可凝氣體凝結(jié)、傳熱傳質(zhì)、材料科學(xué)、流體力學(xué)、物理化學(xué)等多種學(xué)科,目前還沒(méi)有令人滿意的解釋,這極大制約了低溫余熱回收系統(tǒng)的利用效率。本文針對(duì)低溫腐蝕現(xiàn)象及機(jī)理從化工熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)角度進(jìn)行理論分析,對(duì)理論結(jié)果再耦合積灰作用進(jìn)行分析,得到燃煤鍋爐煙氣低溫腐蝕產(chǎn)生的機(jī)理及影響因素,分析煙氣酸露點(diǎn)及工程酸露點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性、提出腐蝕安全設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)原則、腐蝕過(guò)余溫度等新概念；在理論分析結(jié)論的基礎(chǔ)上,以分析得到的影響因素作為實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,完成了電廠實(shí)際煙氣氛圍低溫腐蝕實(shí)驗(yàn)、深度降溫實(shí)驗(yàn)對(duì)低溫腐蝕進(jìn)行研究,并借助SEM、XRF、XRD、粒度分析儀等方法對(duì)工程酸露點(diǎn)、腐蝕安全區(qū)的形成機(jī)理、影響因素進(jìn)行分析；完成了模擬煙氣氛圍的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行低溫腐蝕和飛灰特性研究,并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交化分析,得到低溫腐蝕及飛灰屬性的顯著性影響因素,據(jù)此提出控制或調(diào)整酸露點(diǎn)的干預(yù)手段,綜合理論分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得了一些具有理論意義和工程價(jià)值的結(jié)論。完成的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)完成了低溫腐蝕機(jī)理的熱力學(xué)分析,采用吉布斯相率、相平衡法對(duì)H_2SO_4蒸汽凝結(jié)進(jìn)行分析。由熱力學(xué)相平衡理論導(dǎo)出了熱力學(xué)酸露點(diǎn)計(jì)算式,得到熱力學(xué)酸露點(diǎn)與煙氣體積Vy,SO2體積Vso2, SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率α,選擇性催化還原煙氣脫硝過(guò)程等因素有關(guān),在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中熱力學(xué)酸露點(diǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)量；并得到H_2SO_4蒸汽中肯半徑隨溫度、硫酸溶液濃度降低先增加再減小的變化規(guī)律,當(dāng)煙氣過(guò)冷度較小時(shí)形成H_2SO_4液滴直徑小于中肯半徑,凝結(jié)過(guò)程難以持續(xù)進(jìn)行；進(jìn)一步分析得到燃煤鍋爐煙氣H2S04蒸汽凝結(jié)所必須的兩個(gè)條件,首先蒸汽具有一定過(guò)冷度,其次煙氣中具有凝結(jié)核心,這兩個(gè)條件在燃煤電站鍋爐煙氣余熱深度利用系統(tǒng)中同時(shí)具備,H_2SO_4蒸汽的凝結(jié)不可避免。(2)提出了燃煤鍋爐深度降溫余熱利用受熱面的腐蝕安全設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)原則,提出腐蝕安全區(qū)、腐蝕過(guò)余溫度等概念。分析了煙氣露點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性,煙氣熱力學(xué)酸露點(diǎn)、工程酸露點(diǎn)都與煤中硫分、水分、灰分、鍋爐負(fù)荷等有關(guān)是動(dòng)態(tài)量；在煙氣熱力學(xué)酸露點(diǎn)Td和工程酸露點(diǎn)Tgl兩者的溫度區(qū)間為腐蝕安全區(qū),保證低溫受熱面安全經(jīng)濟(jì)性的腐蝕安全設(shè)計(jì)原則需滿足煙氣過(guò)冷度小于腐蝕過(guò)余溫度△Tgl△Tf。(3)完成了H_2SO_4蒸汽凝結(jié)過(guò)程的傳熱傳質(zhì)分析,采用Collburn-Hougen模型得到積灰與H_2SO_4凝結(jié)酸液耦合作用的傳熱機(jī)理及復(fù)合換熱系數(shù)h計(jì)算式,積灰使冷凝液膜溫度升高、復(fù)合換熱系數(shù)h降低、傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行緩慢,通過(guò)對(duì)h的分析闡明管壁積灰是腐蝕安全區(qū)存在的先決條件；通過(guò)冷凝液膜H_2SO_4蒸汽壓pm變化分析積灰與酸液耦合作用的內(nèi)在機(jī)理及宏觀表現(xiàn),腐蝕安全區(qū)即對(duì)應(yīng)著積灰與冷凝耦合作用未飽和之前,這個(gè)過(guò)程開(kāi)始于煙氣熱力學(xué)酸露點(diǎn)Td,結(jié)束于工程酸露點(diǎn)Tgl；當(dāng)耦合作用達(dá)到飽和時(shí),酸液透過(guò)積灰層腐蝕金屬管壁,造成嚴(yán)重低溫腐蝕,并使傳熱性能惡化Nu數(shù)急劇下降；當(dāng)腐蝕產(chǎn)物阻止酸液繼續(xù)腐蝕金屬管壁時(shí),積灰外層液膜上H_2SO_4蒸汽分壓力p。又增大,復(fù)合換熱系數(shù)h減小,直至進(jìn)入又一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡階段,Nu數(shù)保持不變。(4)設(shè)計(jì)并完成了電廠實(shí)際煙氣氛圍的低溫腐蝕與積灰實(shí)驗(yàn),理論分析結(jié)論顯示飛灰特性對(duì)低溫腐蝕、硫酸凝結(jié)影響較大,通過(guò)該實(shí)驗(yàn)對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)實(shí)驗(yàn)管外壁灰樣進(jìn)行的電鏡掃描(SEM)、能譜分析和XRD實(shí)驗(yàn),分析積灰聚集狀態(tài)、積灰成分對(duì)灰和酸液耦合作用的影響,SEM電鏡掃描結(jié)果顯示隨壁溫降低,管壁上積灰顆粒直徑變大,形狀變得不規(guī)則,其中部分小粒徑顆粒聚合在一起形成團(tuán)聚大顆粒；當(dāng)壁溫降低到80℃以下時(shí)外壁形成積灰層,酸灰出現(xiàn)耦合作用；繼而當(dāng)酸灰耦合作用達(dá)到飽和時(shí),出現(xiàn)低溫腐蝕現(xiàn)象,是電化學(xué)和化學(xué)腐蝕聯(lián)合作用過(guò)程,當(dāng)管壁溫度降低到47～41℃時(shí),形成氧化還原的氧腐蝕、電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕聯(lián)合腐蝕,腐蝕加劇。(5)完成了電廠鍋爐深度降溫時(shí)低溫腐蝕和飛灰特性的實(shí)驗(yàn)研究,改變低壓省煤器負(fù)荷調(diào)整排煙溫度從127℃降低到90℃,通過(guò)煙道飛灰灰樣和靜電除塵器灰泵灰樣的聚集狀態(tài)、含濕量、粒度分布規(guī)律、組成成分、粘性力等實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到深度降溫對(duì)積灰和酸液耦合過(guò)程及靜電除塵器集塵效率的作用。煙道灰樣和灰泵灰樣的SEM掃描圖均顯示,隨煙溫降低灰樣中大顆粒飛灰數(shù)量增加,是由許多微米、亞微米顆粒團(tuán)聚而成,表明適當(dāng)?shù)蜏乩陟o電除塵器集塵；各電場(chǎng)的灰樣含濕量和H_2SO_4凝結(jié)量隨煙溫降低都呈增加趨勢(shì),粒徑越小的灰粒含濕量和H_2SO_4凝結(jié)量越小,1#電場(chǎng)灰泵95℃時(shí)收集10μm以下顆粒的數(shù)量比117℃時(shí)增加9.45倍,4#電場(chǎng)95℃時(shí)收集1μm以下顆粒的數(shù)量比117℃時(shí)提高44.36%,其他灰泵也呈現(xiàn)相同規(guī)律,表明靜電除塵器對(duì)于微米級(jí)以及亞微米級(jí)粒子收集率明顯提高,尤其是對(duì)于1μm以下亞微米級(jí)飛灰收集效率的提高對(duì)于超低排放工程有著重要的實(shí)用意義；灰樣的XRF和XRD分析顯示隨煙溫降低灰樣的硫堿比增加、酸堿比減小,粘性力隨煙溫降低而減小,有利于靜電除塵器集塵效率提高；灰泵灰樣的粘附性實(shí)驗(yàn)表明,1#灰泵灰樣粘性力從117℃的34.74 mg/cm增加到95℃時(shí)的56.43 mg/cm2,煙溫越低灰樣的粘性越大,這與硫酸在灰粒表面形成液膜的粘度大于煙氣粘度有關(guān),與小顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象有關(guān)；在相同煙溫下隨煙氣流程自前而后灰樣粘性力總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì),這表明粒徑越小的顆粒表面粘性力越小,越難以收集。(6)設(shè)計(jì)完成了模擬煙氣氛圍深度降溫的低溫腐蝕機(jī)理和飛灰特性實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交化處理,得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性并揭示低溫腐蝕的控制方法。極差分析結(jié)果顯示對(duì)于飛灰含濕量來(lái)說(shuō)煙氣中水分含量是主要因素,硫酸蒸汽含量和煙氣溫度次之,飛灰濃度的影響最小,對(duì)飛灰粘性力來(lái)說(shuō)煙氣中水分含量是主要因素,煙氣溫度和硫酸含量次之,而飛灰濃度的影響最��；方差分析結(jié)果表煙氣中水蒸汽含量對(duì)含濕量的影響特別顯著,顯著水平為0.01,煙氣溫度對(duì)含濕量有顯著影響,顯著水平為0.05,硫酸含量對(duì)含濕量也有較為顯著影響,顯著水平為0.1,而飛灰濃度對(duì)含濕量無(wú)顯著影響；煙氣中水蒸汽含量對(duì)粘性力的影響特別顯著,顯著水平為0.05,煙氣溫度對(duì)粘性力的影響也較為顯著,顯著水平為0.1,而硫酸含量和飛灰濃度對(duì)粘性力無(wú)顯著影響；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正交分析顯示無(wú)論是含濕量還是粘性力實(shí)驗(yàn),由于各影響因素各水平變化引起的偏差SC明顯大于誤差所引起的偏差Se,因此本實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)誤差較小,由測(cè)量不準(zhǔn)確所引起的誤差不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論可信度高；所得結(jié)論顯示煙氣中水分含量、硫酸含量對(duì)含濕量、粘性力影響顯著,間接說(shuō)明這兩個(gè)因素對(duì)低溫腐蝕和靜電除塵器集塵影響顯著,這為控制與調(diào)整煙氣酸露點(diǎn)、改變飛灰屬性提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK229.6
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本文編號(hào)：2447118