【摘要】：目前我國燃煤鍋爐機組面臨著嚴峻的節(jié)能減排任務(wù),降低燃煤鍋爐機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,也就是煙氣酸露點的制約,按照傳統(tǒng)設(shè)計原則排煙溫度需要高于煙氣露點溫度,但目前一些機組排煙溫度可降低到80～90℃,使得計算得到的煙氣酸露點比實際排煙溫度高出值可達40～50℃,由此可以看出目前的煙氣露點計算公式與實際情況有較大的偏差,已對鍋爐設(shè)計、運行及余熱利用失去指導意義,因此重新確定煙氣露點溫度是個亟待解決的問題。燃煤鍋爐受熱面低溫腐蝕影響因素眾多,煙氣深度降溫達到酸露點時H_2SO_4蒸汽凝結(jié),同時煙氣中含有大量飛灰,酸液與積灰的耦合作用較為復雜,對低溫腐蝕有較大影響,因此低溫腐蝕機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、流體力學、物理化學等多種學科,目前還沒有令人滿意的解釋,這極大制約了低溫余熱回收系統(tǒng)的利用效率。本文針對低溫腐蝕現(xiàn)象及機理從化工熱力學、傳熱傳質(zhì)學角度進行理論分析,對理論結(jié)果再耦合積灰作用進行分析,得到燃煤鍋爐煙氣低溫腐蝕產(chǎn)生的機理及影響因素,分析煙氣酸露點及工程酸露點的動態(tài)特性、提出腐蝕安全設(shè)計理念及設(shè)計原則、腐蝕過余溫度等新概念；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驗條件進行實驗研究,完成了電廠實際煙氣氛圍低溫腐蝕實驗、深度降溫實驗對低溫腐蝕進行研究,并借助SEM、XRF、XRD、粒度分析儀等方法對工程酸露點、腐蝕安全區(qū)的形成機理、影響因素進行分析；完成了模擬煙氣氛圍的實驗進行低溫腐蝕和飛灰特性研究,并對實驗數(shù)據(jù)進行正交化分析,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)整酸露點的干預手段,綜合理論分析、實驗結(jié)果獲得了一些具有理論意義和工程價值的結(jié)論。完成的主要研究內(nèi)容如下：(1)完成了低溫腐蝕機理的熱力學分析,采用吉布斯相率、相平衡法對H_2SO_4蒸汽凝結(jié)進行分析。由熱力學相平衡理論導出了熱力學酸露點計算式,得到熱力學酸露點與煙氣體積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程等因素有關(guān),在鍋爐運行過程中熱力學酸露點是一個動態(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,當煙氣過冷度較小時形成H_2SO_4液滴直徑小于中肯半徑,凝結(jié)過程難以持續(xù)進行；進一步分析得到燃煤鍋爐煙氣H2S04蒸汽凝結(jié)所必須的兩個條件,首先蒸汽具有一定過冷度,其次煙氣中具有凝結(jié)核心,這兩個條件在燃煤電站鍋爐煙氣余熱深度利用系統(tǒng)中同時具備,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)計理念及設(shè)計原則,提出腐蝕安全區(qū)、腐蝕過余溫度等概念。分析了煙氣露點的動態(tài)特性,煙氣熱力學酸露點、工程酸露點都與煤中硫分、水分、灰分、鍋爐負荷等有關(guān)是動態(tài)量；在煙氣熱力學酸露點Td和工程酸露點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)濟性的腐蝕安全設(shè)計原則需滿足煙氣過冷度小于腐蝕過余溫度△Tgl△Tf。(3)完成了H_2SO_4蒸汽凝結(jié)過程的傳熱傳質(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理及復合換熱系數(shù)h計算式,積灰使冷凝液膜溫度升高、復合換熱系數(shù)h降低、傳質(zhì)過程進行緩慢,通過對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)在機理及宏觀表現(xiàn),腐蝕安全區(qū)即對應(yīng)著積灰與冷凝耦合作用未飽和之前,這個過程開始于煙氣熱力學酸露點Td,結(jié)束于工程酸露點Tgl；當耦合作用達到飽和時,酸液透過積灰層腐蝕金屬管壁,造成嚴重低溫腐蝕,并使傳熱性能惡化Nu數(shù)急劇下降；當腐蝕產(chǎn)物阻止酸液繼續(xù)腐蝕金屬管壁時,積灰外層液膜上H_2SO_4蒸汽分壓力p。又增大,復合換熱系數(shù)h減小,直至進入又一個新的動態(tài)平衡階段,Nu數(shù)保持不變。(4)設(shè)計并完成了電廠實際煙氣氛圍的低溫腐蝕與積灰實驗,理論分析結(jié)論顯示飛灰特性對低溫腐蝕、硫酸凝結(jié)影響較大,通過該實驗對理論結(jié)果進行驗證。對實驗管外壁灰樣進行的電鏡掃描(SEM)、能譜分析和XRD實驗,分析積灰聚集狀態(tài)、積灰成分對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聚大顆粒；當壁溫降低到80℃以下時外壁形成積灰層,酸灰出現(xiàn)耦合作用；繼而當酸灰耦合作用達到飽和時,出現(xiàn)低溫腐蝕現(xiàn)象,是電化學和化學腐蝕聯(lián)合作用過程,當管壁溫度降低到47～41℃時,形成氧化還原的氧腐蝕、電化學腐蝕和化學腐蝕聯(lián)合腐蝕,腐蝕加劇。(5)完成了電廠鍋爐深度降溫時低溫腐蝕和飛灰特性的實驗研究,改變低壓省煤器負荷調(diào)整排煙溫度從127℃降低到90℃,通過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、粘性力等實驗結(jié)果得到深度降溫對積灰和酸液耦合過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、亞微米顆粒團聚而成,表明適當?shù)蜏乩陟o電除塵器集塵；各電場的灰樣含濕量和H_2SO_4凝結(jié)量隨煙溫降低都呈增加趨勢,粒徑越小的灰粒含濕量和H_2SO_4凝結(jié)量越小,1#電場灰泵95℃時收集10μm以下顆粒的數(shù)量比117℃時增加9.45倍,4#電場95℃時收集1μm以下顆粒的數(shù)量比117℃時提高44.36%,其他灰泵也呈現(xiàn)相同規(guī)律,表明靜電除塵器對于微米級以及亞微米級粒子收集率明顯提高,尤其是對于1μm以下亞微米級飛灰收集效率的提高對于超低排放工程有著重要的實用意義；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驗表明,1#灰泵灰樣粘性力從117℃的34.74 mg/cm增加到95℃時的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,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)計完成了模擬煙氣氛圍深度降溫的低溫腐蝕機理和飛灰特性實驗,并對實驗數(shù)據(jù)進行正交化處理,得到實驗結(jié)果的可信性并揭示低溫腐蝕的控制方法。極差分析結(jié)果顯示對于飛灰含濕量來說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,對飛灰粘性力來說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含濕量的影響特別顯著,顯著水平為0.01,煙氣溫度對含濕量有顯著影響,顯著水平為0.05,硫酸含量對含濕量也有較為顯著影響,顯著水平為0.1,而飛灰濃度對含濕量無顯著影響；煙氣中水蒸汽含量對粘性力的影響特別顯著,顯著水平為0.05,煙氣溫度對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粘性力無顯著影響；實驗數(shù)據(jù)的正交分析顯示無論是含濕量還是粘性力實驗,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,因此本實驗的隨機誤差較小,由測量不準確所引起的誤差不會影響實驗結(jié)果的準確性,實驗所得結(jié)論可信度高；所得結(jié)論顯示煙氣中水分含量、硫酸含量對含濕量、粘性力影響顯著,間接說明這兩個因素對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、改變飛灰屬性提供實驗基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK229.6
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本文編號：2447118