（热能工程专业论文）湿法脱硫系统的烟气再热机理及再热度的确定.pdf

山东大学硕士毕业论文 摘要 在现阶段的脱硫工艺中，湿法烟气脱硫方法是技术最成熟的 s 0 2 控制技术，在将来也是被推荐的主要脱硫方法。但是湿法脱硫 工艺中出现的烟气湿度大，引风机叶片带水，尾部烟道及烟囱有低 温腐蚀等现象已经严重影响到湿法脱硫工艺的正常运行。经过实验 研究，对脱硫烟气实簏再加热，是解决这一系列问题的最佳方法 但在解决工程实际问题中，由于缺乏相关理论研究，所以在各种烟 气再热装置设计中，对于烟气再加热温度的取值都各不相同，有的 是2 5 。c ，有的是5 0 。c ，还有的取值更高，烟气再热所需要的最佳 再热度更是难以确定本课的目的就是分析烟气再热的机理，研究 在进行再热的过程中烟气中水分的传质传热过程，寻求决定烟气再 加热温度的关键因素，并据此得出再热度的最佳取值范围，为再热 装置的设计提供理论依据。 本文在前人研究的基础上，分析了湿法烟气脱硫之后的湿烟气 的特性，推导得出湿烟气温度与湿烟气饱和含湿量之间存在着一一 对应的关系，并据此绘制了饱和状态下烟气含湿量与烟气温度之间 的关系曲线。依据湿烟气含湿量温度变化曲线，深入分析对脱硫 后的湿烟气进行再加热的机理，可以得出决定烟气加热过程所需要 的再热度的关键是加热过程中烟气中水分的传质传热过程。烟气再 加热温度不仅与湿烟气的酸露点温度有关，同时还与水分蒸发速度 有关，因此要确定再热度的大小，必须同时考虑这两方面的因素。 为此，本文从分析单个水滴蒸发的理论模型和数学模型，推导 单个水滴蒸发所需要的时间入手，对烟气中整个水滴水雾群的蒸发 过程进行了研究，并在此基础上进一步建立烟气再加热过程中水分 蒸发模型。根据烟气再热的水分蒸发模型及工程实例，得出在某种 工况下，控制烟气中水分完全蒸发所需要的时间的因素主要是脱硫 i f | 山东大学硕士毕业论文 后湿烟气中所含水滴直径的大小，以及作为水分蒸发传质推动力的 过余含湿量的取值大小，并总结得出确定烟气再热度的理论计算步 骤同时，通过理论分析和实践检验，烟气再热过程存在一个最佳 再热温度，既可以节省设备及运行投资也可以达到良好的再热效 果。 关键词：烟气再热再热度传质传热水分蒸发 山东大学硕士毕业论文 a b s t r ac t a tp r e s e n t ，w e tf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o nt e c h n o l o g yi st h eb e s t m a t u r et e c h n o l o g yu s e dt oc o n t r o lt h ec o n t e n to fs 0 2 ，a n di ti sa l s oa p r i m a r yw a yc o m m e n d e d t od e s u l f u r i z ei nt h ef u t u r e b u tt h e p h e n o m e n o n ，f o re x a m p l e ，t h eh i g hh e a v yh u m i d i t yo fw e tf l u eg a s ， t h eh e a v yw a t e ra d h e r et o t h ev a n eo ft h ed r a u g h tf a n ，a n dt h e c o r r o s i o no nt h ea i rf l u ea n dc h i m n e y ，e f f e c tb a d l yt h en o r m a l r u n n i n go f t h ew e tf l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o nt e c h n o l o g y t h ew a yo f r e h e a t i n gt h ed e s u l f u r a t e df l u eg a si st h eb e a tm e t h o dt os o l v et h e s e p r o b l e m sa c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a t i o na n di n v e s t i g a t i o n b u tf o rt h e e n g n e e r i n gp r o b l e ms o l v i n g i n p r a c t i c a l ，t h es p a no fr e h e a t i n g 。 t e m p e r a t u r ev a r i e sd u et ot h ea b s e n c eo fs t u d yo ni n t e r r e l a t e dt h e o r y s o m ec h o o s et h et e m p e r a t u r eo f2 5 。c 。a n ds o m et a k et h et e m p e r a t u r e o f2 5 。c a n ds o m eg e tt h eh i g h e rt e m p e r a t u r e i ti sm o r ed i f f i c u l tf o r t h eb e s tr e h e a t i n gc o n t e n tr e q u i r e di nt h er e h e a t i n go ff l u eg a st o a t t a i n t h ea i mo ft h er e s e a r c hp r o je c ti st oa n a l y s et h em e c h a n i s mo f r e h e a t i n gf l u eg a s ，s t u d yt h ep r o c e s so fm a s st r a n s f e ra n dh e a t t r a n s f e rd u r i n gt h ec o u r s eo fr e h e a t i n gf l u eg a s ，s e e kt h ek e yf a c t o r d e c i d i n gt h er e h e a t i n gc o n t e n to ft h ef l u eg a s ，a n de d u c et h eb e s t a p p r o p r i a t er e h e a t i n gc o n t e n th e r e b y t h e s ew o r kw i l lp r o v i d et h e t h e o r e t i cb a s i sf o rt h ed e s i g no ft h ed e v i c eo ft h er e h e a t i n gf l u eg a s t h et e x ta n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew e td e s u l f u r a t e df l u e g a s o nt h eb a s eo ft h er e s e a r c ho fg r a n do l dm a n ，e d u c e dt h e c o n n e c t i o na n dp r o t r a c t e dt h ec u r v eb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yo fw e tf l u eg a si nt h ec o n d i t i o no fb e i n gs a t u r a t e d t h e v 山东大学硕士毕业论文 c h a r a c t e r i s t i co ft h ew e td e s u l f u r a t e df l u eg a si s a n a l y s e dt h o r o u g h l y a c c o r d i n gt o t h ec u r v e i tc a nb ee d u c e dt h a tt h ek e y p r o g r e s s d e c i d i n gt h er e h e a t i n gc o n t e n ti st h em a s st r a n s f e ra n dh e a tt r a n s f e r o fw a t e ri nt h ec o u r s eo fr e h e a t i n gf l u eg a s t h er e h e a t i n gc o n t e n ti s r e l a t e dt on o to n l yt h ed e w - p o i n tt e m p e r a t u r e ，b u ta l s ot h es p e e do f e v a p o r a t i o no fw a t e r s ot h et w oa s p e c tm u s tb o t hb ec o n s i d e r e dt o a s c e r t a i nt h er e h e a t i n gc o n t e n t t h e r e f o r e ，t h et e x ts t a r t e dw i t ht h ea c a d e m i ca n dm a t h e m a t i c m o d e lo nt h ee v a p o r a t i o no ft h es i n g l ew a t e rd r o p ，r e s e a r c h e dt h e e v a p o r a t i o no fg r o u pw a t e rd r o p so ft h ef l u eg a s ，a n de s t a b l i s h e dt h e e v a p o r a t i o nm o d e lo fw a t e ri nt h ec o u r s eo fr e h e a t i n gf l u eg a s o n t h eb a s eo ft h e e v a p o r a t i o nm o d e lo fw a t e ra n de n g i n e e r i n g e x a m p l e s ，t h ek e yf a c t o r sw h i c hd e c i d e dt h et i m ec o s t b yt h e e v a p o r a t i o no fw a t e ra r et h ed i a m e t e ro ft h ew a t e rd r o po ft h ew e t d e s u l f u r a t e df l u eg a sa n dt h ee x c e s s i v eh u m i d i t yw h i c ha c ta sm a s s t r a n s f e r i m p e t u so ft h ee v a p o r a t i o no fw a t e r t h ea u t h o ra l s o s u m m a r i z e dt h ea c a d e m i cc a l c u l a t i n g s t e p sw h i c hc a nb eu s e dt o o b t a i nr e h e a t i n gc o n t e n to ft h ef l u eg a s a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n g t ot h ea c a d e m i ca n a l y s i sa n dt h et e s tf r o mp r a c t i c e ，i ti sc a ne d u c e t h a tab e s ta p p r o p r i a t er e h e a t i n gc o n t e n t ，w h i c hc a nn o to n l ys a v e t h ei n v e s t m e n to ft h ee q u i p m e n t s ，b u ta l s oa c h i e v et h eg o o de f f e c t o nr e h e a t i n gf l u eg a s ，c a nb ea t t a i n e d k e yw o r d ：r e h e a t i n gf l u eg a s r e h e a t i n gc o n t e n t m a s st r a n s f e ra n dh e a tt r a n s f e r e v a p o r a t i o no fw a t e r v i 山东大学硕士毕业论文 主要符号表 k 。烟气腐蚀性指数 墨。 燃煤中硫的含量 一。 燃煤中灰分的含量 r ，0燃煤灰分中4 种碱性氧 化物( k 2 0 、n a 2 0 、c a o 、 m g o ) 的总含量 a h烟气抬升高度 绋 烟气热释放率 风烟囱几何高度 烟气抬升计算风速 儿全年气温最高月份平均 温度的大气密度 九烟气密度 矾烟囱出口直径 烟囱出1 3 流速 f烟囱内衬坡度 五烟囱内衬摩擦因数 ，计算点至烟囱出1 2 1 处距 离 口烟气温度 h烟气湿度 v烟气量 c湿烟气比热 ， 水的汽化潜热； c湿烟气比热 c ，湿烟气中水蒸气的比热 矿烟气相对湿度 p ，水蒸气饱和蒸汽压力 n 烟气中水蒸气的分压 以 干烟气的分压 p 烟气全压 露气体常数 m分子量 w 1 k g 干烟气中所含水滴 水雾的质量 不考虑转移速度等因素 时的烟气再热度 w 水分蒸发量 f蒸发时间 t传质系数 a传质面积 妫 史伍德数 后。传质系数 d水滴直径 d -扩散系数 n水滴个数 q传热量 a 换热系数 饥对数温度差 v h 山东大学硕士毕业论文 下标： 努塞尔( n u s s e l t ) 数 对流换热系数 平均导热系数 温度过热度 过余含湿量 蓝矾增重 抽气泵导引的烟气流量 单次测量所用时间 g y ，g 干烟气 y 烟气 a s绝热饱和状态下 v 水蒸气 0初始状态下 m 口 2 的 凯q。 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师蛉 指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名： 亟i 趣螽 日期： 堕：竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垒：l 氲盘导师签名：龇日期： 山东大学硕士毕业论文 1 前言 1 1 课题相关背景 我国的能源结构以煤炭为主，燃煤产生的二氧化硫以及由此形 成的硫酸型酸雨的大气污染状况越来越严重，造成森林死亡，农业 减产，金属腐蚀等。对燃煤电厂特别是燃烧中、高硫煤电厂的烟气 进行处理，是防治s 0 2 污染，降低酸雨危害的重要措旌。在我国早 期建成的燃煤电厂中，重点考虑了烟气中烟尘及废水的治理，而对 烟气中有害气体的处理没有给予足够的重视。随着国民经济发展对 电量要求的增加，燃煤电厂排放的s 0 2 量愈来愈大，脱除燃煤电厂 烟气中s 0 2 ，减少其对大气的污染迫在眉睫。 自有关国家实行大气污染控制以来，湿法烟气脱硫工艺一直是 主要的s 0 2 控制技术，在可预见的未来，它也是被推荐的技术。据 有关资料介绍，美国、德国、日本3 个经济实力雄厚的国家应用湿 法烟气脱硫工艺均在9 0 以上，之所以如此，除与湿法工艺研究、 开发得早及国外较早实行大气污染控制等有关外，主要是湿法工艺 自2 0 世纪6 0 年代末期推广商业运行以来，至今已有几十年的发展 历史，技术上已日趋成熟完善。湿法烟气脱硫运行安全可靠，脱硫 效益高，脱硫剂利用率高，有效成分几乎可以1 0 0 利用，运行费 用低，适用性强，既可以适用低硫煤，又可适用高硫煤；既可适用 中型发电机组，又可适用大型机组，副产品容易回收利用等。为了 适应经济的发展、日趋严格的环保法规及市场的发展，研究、开发 出的第二代、第三代工艺系统，在投资、运行成本、系统性能、环 境影响、易于改进及工程周期等方面都对湿法进行了改进。 目前在我国工业锅炉的烟气脱硫技术中，湿法脱硫工艺也是占 了绝大多数，特别是对于大型燃煤设备，湿法脱硫技术仍然是主流。 湿法脱硫技术的核心就是用含有钙基吸收剂的浆液对高温烟 山东大学硕士毕业论文 气进行喷淋式洗涤，烟气充分与浆液接触，从而脱除其中的s 0 2 气体。在洗涤过程中，烟气温度降到绝热饱和温度( 一般约为4 5 6 5 ) ，烟气湿度增加到饱和状态。大部分污染物和腐蚀元素在吸 收塔内就被除去，一般出口烟气中含有少部分s 0 3 、s 0 2 、氯化物、 氟化物和硫酸雾等。但是，烟气流速越高，烟气带水量越多。低 温潮湿的烟气如果不经过处理而直接排放，将影响烟气的抬升高度 和扩散，对大气环境造成不良影响。同时，由于硫氧化物的存在， 烟气露点温度提高，脱硫系统出口处的烟气温度已降到了露点温度 以下。这样，钢结构的脱硫塔和出口烟气管道处于高温、潮湿、酸 性环境下，腐蚀非常快，特别是在闲置情况下，腐蚀更快。此外， 由于烟气带水量较多，烟气中的水分凝结在风机叶片上，造成风机 叶片带水，失去动平衡，并且腐蚀风机叶片。即使使用最有效的除 雾器，饱和烟气所携带的水滴和水雾也会在烟气出口设备上凝结， 水雾凝结后吸收烟气中的腐蚀元素，从而腐蚀管路和设备。 对于湿法脱硫技术中出现的这一系列问题，科学界做了大量的 研究和分析，采取了多种解决方法。比较普遍的方法是在烟气脱硫 系统的尾部增设除雾器和烟气再热系统，通过烟气再热的方法来提 高出口烟气温度，使湿烟气中过量的水分变为气态，减小烟气的带 水量，从而达到防止腐蚀的目的。 1 2 对于烟气再加热温度的争议 湿法脱硫后烟气再加热温度的选择既要考虑到湿烟气的腐蚀、 烟气的抬升高度和扩散、无白烟现象出现，又要考虑设备的初投资 和运行、维护费用等因素理论上来说，烟气再加热温度越高，对 防止管道和设备的腐蚀、烟气的抬升高度和扩散以及防止白烟现象 的出现就越有利，但是设备的初投资和运行、维护费用等就会耗费 越多显然，在综合考虑各个方面的因素的情况下，理论上是存在 一个较适宜的烟气再加热温度，可以使综合效果达到最好。 根据美国电力研究院e p r i 所介绍的美国沿河电厂的经验，在 2 山东大学硕士毕业论文 所有烟气管道内，如果烟温保持高于绝热饱和温度( 即通常所说的 烟气水露点温度) 6 1 2 ，则腐蚀可以基本避免。一般燃煤锅炉烟气 绝热饱和温度在5 0 左右，所以排烟温度保持在6 0 以上基本可 以避免腐蚀，但该温度的烟气的排放抬升高度，扩敖仍然不畅，而 且仍有白烟出现。德国的环保法规规定燃煤电厂f g d 后烟气再加 热应保证烟囱出口温度在7 2 以上。日本三菱重工业公司在尼崎 第三发电所将脱硫并除去雾沫后的烟气升温至1 4 0 左右，由烟囱 排放。我国采用的水膜除尘器的锅炉烟气在烟囱出口处烟气温度一 般在7 0 c 左右，经运行表明没有白烟产生所以建议烟囱出口的 f g d 后烟气再加热温度保持在7 0 8 0 1 2 为宜广东省粤连电厂要 求在加热器出口f g d 后烟气加热温度保证为8 0 以上，考虑到烟 道及烟囱的散热，基本能保证烟囱出口烟气温度在7 0 以上。 烟气中的水蒸气主要来源于碳氢化合物燃烧后形成的水汽和 燃料中机械夹带的水。日本的一些火电厂一般以重油为燃料，而我 国则以煤炭为主。重油的主要成分是碳氢化合物，煤的主要成分是 碳。所以对于一般重油锅炉，烟气在脱硫前的湿含量为1 0 左右， 湿法脱硫以后增加到1 5 左右如此高的湿含量加上日本冬季寒冷 的气候，要完全消除白烟一般要将烟气从5 0 左右加热到1 0 0 l3 0 ，所以耗用燃料较高( 为锅炉耗用燃料的3 左右) 。在我国，燃 煤锅炉的烟气在湿法脱硫前的含湿量一般为2 5 ，湿法脱硫后 增湿至l o 左右，只需将烟气从5 0 左右升温至7 0 8 0 即可。这 不仅可大大节省加热烟气所需燃料，还可保证烟道、烟囱全年不会 受到腐蚀，气温较高的大多数日子也不会产生白烟，仅在冬天气温 较低的少数时间有可能在大气中形成自烟 综上所述，可见无论是在国内还是国外，对于再加热温度的取 值都没有统一的规定目前理论上确定烟气再热温度较为普遍的方 法是计算出烟气的酸露点温度，根据酸露点温度来确定烟气再加热 的最终温度。由于酸露点温度受许多因素的影响，因而根据酸露点 温度确定的烟气再加热温度，在实际实行时不一定能够解决腐蚀问 3 山东大学硕士毕业论文 题。例如许多设计将烟气再加热温度定为8 0 。c ，这对烟气的扩散 有利，但对腐蚀却不一定起作用。由于缺乏相关的理论依据，所以 在各种烟气再热装置设计中，对于烟气再加热温度的取值都各不相 同，有的是2 5 。c ，有的是5 0 。c ，还有的取值更高。 1 3 本课题的研究意义 烟气再热问题已成为湿法脱硫工程能否在实际中应用的决定 性的因素，解决腐蚀问题迫在眉睫。如果不考虑其它的因素，那 么烟气再热度越高，无疑对防止腐蚀及烟气排放就越有利。但是， 无论应用何种再热形式，都存在再热度越高，再热系统的投资便 越高的问题。因此，为了能够在解决实际问题的同时尽量减少再 热系统的投资，应该寻求一个最理想，最经济的再加热温度，即 最优再热度。但纵观国内外各种再热系统，烟气最佳再热度的研 究仍然是个空白。因此，对于烟气再热机理以及烟气最佳再热度 的研究是非常紧迫也是非常必要的，对湿法脱硫及整个企业都具 有重要意义。 4 山东大学硕士毕业论文 2 概述 2 1 湿法脱硫烟气再热方案的技术经济性 2 l1 湿法脱硫烟气再热方案 目前湿法脱硫烟气再加热的方法有很多种，在此只对几种 主要的方法加以叙述。 a 直接燃烧再热法 直接燃烧再热法是在加热炉内用低硫燃料与空气燃烧，产生高 温燃烧气直接与低温烟气混合，以提高脱硫后烟气的温度。国外许 多湿法脱硫装置的低温烟气都用此法升温。例如，日本三菱重工业 公司与关西电力公司合作，在尼崎第三发电所2 号机组( 15 6 m w ) 燃油锅炉的烟气用石灰一石膏法脱硫，采用低硫油作燃料，用空气 助燃产生高温燃烧气，将脱硫并除去雾沫后的烟气升温至1 4 0 * 0 左 右，由烟囱排放。日本住友一富士化水式石灰一石膏法设置“后燃 烧器”使烟气升温后排放。日本三井造船株式会社的m g ( o h ) 2 烟 气脱硫工艺也采用此法升温烟气。1 9 8 4 年，我国从日本引进了全 套氨法烟气脱硫工艺( 在宁夏) ，脱硫烟气在加热炉内用重油与空气 燃烧产生的高温燃烧气混合升温后排放等等。系统如图2 1 所示。 烟气 图2 - 1直接燃烧再热法 混合烟气 山东大学硕士毕业论文 b 再生再热法( 图2 2 ) 它的设计思想是利用脱 硫塔入口未脱硫的烟气( 一般 为l3 0 1 5 0 ) 的多余热量 来加热水，再利用这些热水加 热出口已脱硫的烟气( 一般加 热到8 0 左右) ，然后排放， 以避免低温湿烟气腐蚀烟道、 烟囱内壁，并可提高烟气抬升 高度。其工作原理与电厂中使 用的回转式空气预热器原理 相同。但是，这种方法同样面 4 , i t 烟气 亡：= 图2 - 2 再生式再热法 临很多闯题。我国华能珞璜发电厂首家引进2 3 6 0 m w 三菱重工烟 气脱硫装置就是采用这种再热型式，于1 9 9 2 年投入运行但在使 用过程中发现，烟气加热系统翅片管束的表面结露，形成的h 2 s 0 4 不仅加剧管束酸性腐蚀，缩短使用寿命，而且极易粘结烟尘，造成 烟气流通截面积逐渐减小，烟气侧阻力增大这是因为加热器的热 端烟气含硫量高，温度高，而冷端温度低，含水率大，故极易使翅 片管束表面结露并吸收热烟气中的s 0 2 形成h 2 s 0 4 溶液，同时烟 气中的粉尘也粘附在湿管柬上，造成堵塞。因此一般在烟气加热器 的烟气进出口均需使用耐腐蚀材料，如搪瓷玻璃、柯登钢等，气流 分布板可采用塑料，导热区一般用搪瓷钢。l 台3 0 0 m w 机组烟气 脱硫系统烟气加热器的传动齿轮直径一般可达2 3 m 。l 台烟气加 热器的价格占整个脱硫设备投资的2 0 3 0 ，造价昂贵 c 利用冷却塔循环水余热加热烟气 利用冷却塔循环水余热加热烟气有两种工艺系统，一种是f g d 系统设置在冷却塔外，脱硫后的烟气引入电厂冷却塔；另一种工艺 是将f g d 系统设置在电厂的冷却塔内。此两种工艺在德国均有成 6 山东大学硕士毕业论文 功应用的例子。前东德最现代化的j a n s c h w a l d 发电厂有6 套5 0 0 m w 发电机组，原未安装f g d 装置，在1 9 8 l 1 9 8 9 年间的改造中，在 冷却塔外安装了湿式f g d 系统，脱硫后的烟气引入电厂冷却塔， 利用循环水余熟加热后排放，原来的3 座3 0 0 m 高的烟囱被拆除。 实践证明，烟气通过冷却塔循环水加热后排放效果更好。 德国s h u ( s a a r b e r g - - h o l t e ru m w e l t t e e h n i kg m b h ) 公司在其湿 法f g d 系统的多家用户中，都将f g d 系统设在电厂的冷却塔内， 利用电厂循环水余热将脱硫后的低温烟气加热排放，可不另设再加 热器，不设烟囱，节省了f g d 装置的占地面积，而且烟气的排放 效果更好。 2 1 2 湿法脱硫烟气再热方案的技术经济性 根据前文的分析，湿法烟气脱硫后烟气温度过低将会造成诸多 严重后果，因此必须重视湿法烟气脱硫的再加热问题。虽然烟气再 热系统还存在一些缺陷，但是只要选择合理的方案，对电厂湿法脱 硫系统的安全、高效运行依然是利大于弊的。选择湿法f g d 烟气 再加热方式应当结合具体情况，优先选择投资少、运行费用低，维 护工作量小的工艺技术。 ( 】) 在现行情况下，如果电厂条件具备采用冷却塔循环永余 热加热烟气，则选择用冷却塔排放是最佳方案。利用电厂原有的冷 却塔循环水余热来加热脱硫烟气，不另外消耗能源，可不设烟囱和 再加热器或再加热炉，大大节省了投资，减少f g d 工艺的占地面 积，又利于提高烟气排放高度、改善烟气扩散条件。此方面德国的 运行情况良好，但是在我国还没有采用的例子应该说，这种方法 比较适宜于大型火电厂 ( 2 ) 采用加热炉产生高温燃烧气直接与低温烟气混合的方法 是比较适宜的方法。 国外用来加热低温烟气的燃料一般为低硫油，其优点是燃烧器 结构简单，但运行费用稍高，若需进一步降低运行费用，可用低硫 7 山东大学硕士毕业论文 煤作燃料。 采用煤作燃料的燃烧炉可以设计为链条炉排炉或往复炉排炉， 这两种排炉都能自动加煤，自动排渣。这种燃烧炉用耐火砖砌成， 并用保温砖保温，以减少热量损失。由于所用燃料很少，故炉子的 体积小，投资非常少。设计合理的炉排断面风速，加上用耐火砖砌 成简单的除尘墙，可保证与脱硫后低温烟气混合的高温燃烧气中的 烟尘很少由于燃煤用量很少，燃气中s 0 2 的量也很少，因而基本 上不会引起锅炉烟气除尘效率和脱硫效率的明显降低。例如，国内 某筹建电厂拟装2 套1 2 5m w 发电机组，每台机组配套4 2 0t h 粉 煤锅炉一台。设计煤质含硫1 5 7 ，发热量2 l7 5 6k j k g ，耗煤量 4 8 5 t h 炉，烟气量5 1 00 0 0n m 3 h 炉根据计算，如果将烟气 温度从5 0 c 升至7 0 排放，再加热耗煤量为0 7 7 5t h 炉，占锅 炉本身耗煤量的1 5 5 煤价按1 6 0 元，吨计算，年耗煤费仅8 4 5 6 万元炉年。燃烧炉的投资少于1 0 万元。脱硫后的烟气混入加热 炉未脱硫的高温燃气后，烟气脱硫效率仅从8 5 降至8 3 4 ，实际 降低1 6 ，对脱硫效率的影响是微不道的。 ( 3 ) 采用再生再热法可大大节省能源，降低运行费用。 用换热器间接加热烟气所需换热器的投资高达整个脱硫装置 投资的2 0 - 3 0 ，仅仅当经济实力较强时方可应用。若采用洛磺 电厂所使用的烟气一烟气再热器的形式，可以大大节省能源，降 低运行费用。 2 2 脱硫后烟温下降造成的影响 烟气脱硫前后烟温下降较大。以2 x1 3 5 m w 机组为例，在上 脱硫系统前，烟囱入口烟温一般在1 5 0 左右，湿法脱硫后的净烟 气从吸收塔出来的温度约为4 7 左右，经g g h ( 烟气再热器) 加 热后再次进入烟囱的温度在8 0 左右，脱硫后比脱硫前烟气温度 下降约在7 0 左右。 烟气温度下降所造成的最直接的影响表现在对烟囱的影响。烟 8 山东大学硕士毕业论文 囱内烟气温度变化可能对烟囱带来的影响主要有：( 1 ) 由于烟气温 度的降低出现酸结露现象，造成烟囱内部腐蚀；( 2 ) 由于烟气温度 的变化使烟囱的热应力发生改变；( 3 ) 由于烟温降低影响烟气抬升 高度，从而影响烟气的排放；( 4 ) 由于烟温的降低，造成正压区范 围扩大 ( 1 ) 烟囱的腐蚀情况 烟气脱硫装置安装后可能使烟气温度低于酸露点，造成对烟囱 内衬材料以及钢筋混凝土筒壁的腐蚀，致使其强度下降。根据某发 电厂提供的烟气成分测试数据( 表2 1 ) ，计算出烟气脱硫装置安 装前后酸露点的温度，见表2 2 。 表2 - 1烟气成分测试数据 负荷 l o o 6 4 s 0 2 g r n 。3 ( 标准状态) 2 7 6 3 2 2 2 7 6 3 2 2 s 0 3 l i n g m 3 ( 标准状态) 5 。9 1 0 55 9 1 0 5 n o 。m g m 。3 ( 标准状态) 7 6 1 6 2 2 c o m g m 3 ( 标准状态) 1 5 3 2 h 2 0 8 2 9 6 表2 - 2 烟气脱硫装置安装前后酸露点的温度 项目烟气脱硫前 烟气脱硫后 9 0 脱硫率9 5 脱硫率 酸露点温度，1 0 5 0 1 1 1 68 3 5 9 07 0 5 8 2 1 由表2 2 可见，烟气脱硫装置安装前酸露点温度范围为1 0 5 0 1 l l ，6 c ，烟气脱硫装置安装后由于烟气中的s 0 2 和s 0 3 等酸性气 体大量减少，酸露点温度明显下降。通过传热计算得出烟气脱硫装 置安装前后烟囱内壁温度的变化范围，见表2 3 9 山东大学硕士毕业论文 表2 3 烟气脱硫装置安装前后烟囱内壁温度变化 项目烟气脱硫前烟气脱硫后 烟囱内壁温度 c1 3 1 4 13 3 67 1 7 7 2 3 由表2 - 3 可见，烟气脱硫装置安装前烟囱的内壁面温度范围为 1 3 1 4 i3 3 6 ，明显高于安装前的烟气酸露点1 0 5 o 1 1 1 6 c ， 故烟气不会在烟囱内壁面结酸露，且在负压区不会出现酸腐蚀问 题。烟气脱硫装置安装后，由于烟气温度的降低，烟囱内壁面温度 明显降低，温度仅为7 1 7 7 2 3 ，恰恰处于烟气脱硫装置安装 后的酸露点温度7 0 5 9 0 ，因此在烟囱内壁面会出现结酸露的现 象。但是，因为烟气脱硫装置安装后烟气中硫含量降低，烟气的腐 蚀性会明显减弱。为了分析烟气脱硫装置安装后烟气对烟囱的腐蚀 程度，引入腐蚀性指数的概念烟气腐蚀性指数是烟囱设计中的重 要指标，腐蚀性指数越大，说明对物体的腐蚀越强。表2 - 4 给出了 现行技术规定中烟气对烟囱腐蚀性强弱的分类表。 表2 4 腐蚀性烟气分级表 烟气腐蚀性指数k 。 烟气腐蚀性 2 01 5 2 o1 1 1 5 0 5 1 o 强 a 由 a 弱 山东大学硕士毕业论文 根据d l 5 0 2 29 3 火力发电厂土建结构设计技术规定中烟气 腐蚀性指数k ，的计算公式： 配：鉴l ( 2 - i )k 2 苘 式中 置一烟气腐蚀性指数； s ，一燃煤中硫的含量，； 以一燃煤中灰分的含量，； r ，d 一燃煤灰分中4 种碱性氧化物( k 2 0 、n a 2 0 、c a o 、 m g o ) 的总含量，。 根据某电厂提供的煤和灰分成分的分析数据，计算出烟气脱硫 装置安装后烟气的腐蚀性指数，见表2 5 。 表2 5 烟气脱硫装置安装前后的腐蚀性指数 烟气脱硫后 项目烟气脱硫前 9 0 脱硫效率9 5 脱硫效率 腐蚀性指数k 。 1 2 3o 1 2 30 0 6 3 由表2 5 可见，烟气脱硫装置安装前烟气的腐蚀性指数 k ，= 1 2 3 ，对照表2 4 ，此时烟气为弱腐蚀性，若处于烟囱正压区 且无防腐措施，就会对烟囱产生腐蚀在烟气脱硫装置安装后烟气 的腐蚀性指数眨= o 0 6 2 0 1 2 3 ，对照表2 - 4 ，此时烟气的腐蚀性已 低于表中的弱腐蚀性范围，长期运行会对烟囱产生一定影响，但影 响程度不大。 ( 2 ) 烟囱的热应力情况 烟气脱硫装置安装前后烟囱的内外温差会发生变化，温差由 1 2 7 4 降低至5 8 7 ( 平均值) ，温差造成的热应力减小，对烟囱 山东大学硕士毕业论文 的安全性有利。 ( 3 ) 对烟气拾升高度的影响 对烟气抬升高度而言，烟气温度为重要的影响参数。烟气抬升 高度可按下式计算： ：型掣v 3 23(2-2) 【，。 式中 h 一烟气抬升高度，m5 g 一烟气热释放率，k j s ； 凰一烟囱几何高度，m ； u s 一烟气抬升计算风速，m s 。 由式( 2 - 2 ) 计算出脱硫装置安装前后的烟气抬升高度，见表 表2 - 6 烟气脱硫装置安装前后各工况烟气拾升高度 项目满负荷8 0 负荷6 5 负荷 5 0 负荷 脱硫前m 5 2 6 5 0 44 9 34 6 3 脱硫后m 4 1 33 9 6 3 8 73 6 4 由表2 - 6 可见，烟气脱硫装置安装后各工况烟气的抬升高度比 安装前约低1 0 0 m 左右。地面最大浓度与污染物排放量成正比，与 有效源高( 烟囱几何高度加烟气拾升高度) 的平方成反比。虽然烟 气脱硫装置安装后烟气的抬升高度降低，但由于烟气脱硫使烟气中 的污染物已大幅度减少，因烟气温度降低而引起烟气抬升高度的降 低不会造成环境问题。 ( 4 ) 烟气脱硫对烟囱内压力分布的影响 一般希望烟囱全程负压运作，这样烟气很难渗入到烟囱间隙并 到达外筒身的表面。若烟囱内出现正压区，则烟气会通过内壁裂缝 渗入到钢筋混凝土筒身内表面。由于该处温度比烟气温度低得多， 山东大学硕士毕业论文 因此烟气冷却到低于露点温度时就会在该处或者烟囱筒壁析出硫 酸，导致承重结构腐蚀加速，从而降低了烟囱寿命。所以烟囱内出 现正压区对烟囱的安全不利。 烟气脱硫装置安装使烟囱的进口烟温由1 5 0 降至8 0 ，导致 烟气密度增大，烟囱的自抽吸能力降低，这样会使烟囱内压力分布 改变，正压区扩大。因此，有必要对烟囱内的压力分布进行计算， 研究烟囱内正压区分布，以便采取相应措施。 烟囱内部静压分布可由下式计算： a p x = 陪+ ，1 1 - 4 陟* 批s ， 式中 儿一全年气温最高月份平均温度的大气密度，k g m 3 ，取1 1 4 6 g m ，； ，一烟气密度，k g m 3 ，脱硫前取0 8 3 9 ，脱硫后取1 0 1 反一烟囱出口直径，m ； 虢一烟囱出1 ：3 流速，m s ； f 一烟囱内衬坡度； a 一烟囱内衬摩擦因数，取o 0 5 ( 因为内衬形状凸出) ； 矗，一计算点至烟囱出1 2 1 处距离，m 。 计算结果如图2 3 和图2 - 4 所示由图2 3 和图2 - 4 可知，烟 气脱硫装置安装前只在1 3 0 m 以上出现正压区，而安装后烟囱正压 区扩大到5 0 m 1 8 0 m 的很大区间。虽然脱硫装置安装后烟气中的 s 0 2 的浓度大大降低，但安装后增加的正压区无防腐措施，长期积 累也会对烟囱造成腐蚀。所以，经过一段时间运行后，需要对烟囱 内壁进行检查，根据现场情况进行处理 山东大学硕士毕业论文 = 、 ，一一 3 03 54 04 55 05 5 6 06 57 07 58 08 59 0 烟气温度o ( 。c ) 图3 - 4 脱硫过程中烟气含湿量与烟气温度的变化 当湿脱硫烟气流经安装在尾部烟道上的再热系统时，再热装置 产生的热量不断传递给低温烟气，烟气的温度开始逐渐升高。若再 热过程为定湿加热，即没有外界水分加入，那么整个再热过程中烟 气的含湿量将保持不变。再热过程中含湿量及温度的变化趋势如图 中有向线段b c 所示。 为了更直观地分析再热过程中烟气所含水分随着温度的升高 而发生的传质过程，以图3 - 3 所示含湿量与烟气温度的关系曲线为 参考，从表征脱硫后烟气状态的b 点向占轴作垂线，与饱和水蒸汽 线及口轴分别交于点e 、f ；由点c 向拶轴作垂线，交占轴于点g ( 如 图3 5 所示) 。可知在温度只下，位于饱和线上的e 点所对应的含 湿量值( h ；) ，即为温度最下烟气所能容纳的最大水蒸气量。如果 烟气实际所含有的水蒸汽量大于最大水蒸气量，那么多余的水蒸汽 将全部凝结为液态，变为水滴或者水雾。 根据前文所述，脱硫过程进行至b 点结束，由于一般情况下脱 硫塔出口至再热系统之间的距离极短，可以假定这段距离内烟气温 度无变化，那么b 点所对应的含湿量值即为烟气再热过程初始状 态时的实际含湿量。从图中可以看出，b 点对应的实际含湿量远远 山东大学硕士毕业论文 图3 5 再热过程中水分传质过程 高于饱和含湿量( e 点) ，多余的这部分水分即为烟气中所含有的 水雾和水滴。因此，l k g 干烟气中所含的水滴和水雾的质量w o 可 表示为 f h 。一h q 式中。 w o l k g 干烟气中所含的水滴和水雾的质量，g k g 干烟气； 皿一烟气的实际含湿量，为再热初始状态时的饱和含湿量与 烟气中所含水滴水雾质量之和，g k g 干烟气； 风一再热初始状态时的饱和含湿量，g k g 干烟气 根据以上分析，在由b 到c 再热的过程中，饱和蒸汽线以上 部分( a 区) 即代表烟气中的水雾及水滴，而饱和线以下部分( b 区) 则代表烟气中所含有的水蒸气如图4 5 所示，随着再熟过程 的进行，烟气的温度不断升高，水雾和水滴吸收气化潜热逐渐由液 态变为气态，烟气中所含有的水雾和水滴逐渐减少，同时水蒸气的 含量逐渐增加。从图中可以看出，随着温度的升高，饱和水蒸汽线 与线段b c 之间的垂直距离逐渐缩短，而饱和水蒸气线与占轴之间 的垂直距离则逐渐增长。当烟气温度升高到b ( 露点温度) 时，湿 烟气中的水雾和水滴全部消失，烟气中的水分全部成为饱和水蒸 山东大学硕士毕业论文 气。此过程中湿烟气中水滴水雾的质量可表示为 2 h 。一h 式中， w 一再热过程中任意时刻时，1 k g 干烟气中所含水滴水雾的质 量，g k g 干烟气； 一再热过程中任意温度9 下所对应的饱和含湿量，g k g 干烟 气 如果不考虑转移速度等因素，那么从理论上来说，烟气再热过 程所需要的再热度的大小就等于b 、c 两点所对应的温度之差，即： 占。= 9 2 一鼋 式中， 一不考虑转移速度等因素时的烟气再热度，： 最一再热过程烟气的初始温度，； 岛一再热过程结束时烟气中的水分恰好达到饱和状态时的温 度，。 但是，在实际情况下，水滴的破碎蒸发过程必须要经历一定的 距离和时间，有可能在水滴还没来得及完全蒸发掉，烟气就已经进 入引风机等尾部设备。这样，还没来得及蒸发的水分仍然会凝结到 引风机叶片或管道内壁上，造成叶片带水和腐蚀。可见，烟气再热 过程所需要的再热度占不仅与初始状态下烟气的实际含湿量有 关，而且还取决于水分蒸发这一相变过程进行的快慢程度。为此， 必须对水分蒸发的动态过程进行分析，建立相应的水分蒸发传质模 型，才能迸一步确定烟气再热所需要的再热度a o 的大小。 山东大学硕士毕业论文 4 水分蒸发的传质模型 4 1 水滴蒸发的物理模型 水滴是以水滴群的形式存在的。水滴群在介质中的蒸发速度， 随着水滴直径与滴径分布、水滴与周围介质的相对速度、水滴的运 动轨迹、介质的温度与含湿量以及某一给定时问内介质单位体积内 水滴的数量等因素而不断改变，要确定这些因素存在许多困难，因 此，水滴群的蒸发特性远比单个液滴的蒸发特性复杂，很难进行研 究。但是，由于烟气中水雾水滴的体积密度很小，水滴之间的相互 干扰可以忽略不计。因此，可以通过研究单个水滴的蒸发特性，近 似地以单个水滴的蒸发特性为基础来确定整个水滴群的蒸发特性。 水滴蒸发的过程中，热量和质量的传递过程是同时发生的。对 脱硫烟气进行再热时，再热装置产生的热量以对流或者导热的方式 通过传热介质传递给水滴：水分蒸发时，空气的显热转化为水蒸气 的潜热，被蒸发的水分通过每个水滴的边界层被输送到周围气体 中传热和传质速率与温度、含湿量、围绕每个水滴的传热介质的 传递特性、水滴直径和水滴与烟气之间的相对速度都有关系。由于 水滴在烟气中随烟气一起运动，因此两者之间的相对速度几乎为 零。根据边界层理论，以相对速度为零的运动着的水滴的蒸发速度 与在静止空气中水滴的蒸发速度完全相同。因此，在分析水滴的蒸 发模型的时候，完全可以忽略水滴与烟气之间的