炼油加热炉烟气露点温度计算.docx

炼油加热炉烟气露点温度计算史方军（中国寰球工程公司， 北京 100029）摘 要：在计算加热炉烟气露点温度的过程中，确定 so2 转化为so3 的转化率是比较关键的一步。 通过理论计算和分析文献上的经验数据，说明了反应温度、过剩空气系数、燃料硫含量等因素对转化率的影响。 在此基础上，编制了计算烟 气露点温度的 excel 表格，并与成熟的露点温度线算图结果进行比较，认为此计算表格在工程上可用。关键词：加热炉；烟气；露点温度中图分类号：te963文献标识码：a文章编号：1001- 6988（2011）04- 0036- 04estimating dew point of flue gas for refinery furnaceshi fang-jun（china huanqiu contracting engineering corp., beijing 100029，china）abstract: during estimating the flue gas dew-point tempe rature of the heating furnace, it is therelatively crucial step to determine so2-to-so3 conversion rate. through theoretical calculation and literature empirical data analysis, influences of factors including reaction temperature, excess air ratio and fuel sulfur content on the conversion rate are demonstrated. based on the above information, an excel sheet for calculating the flue gas dew-point temperature is established. and through comparison with the results of mature dew-point temperature nomographic method, it is proved that the calculating sheet is applicable to engineering field.key words: heating furnace; flue gas; dew point由于排烟热损 失是加热炉热损失的主要部 分，因此要求排烟温度越来越低。 对炼油厂一 些 加 热 炉 来 说 ， 由 于 燃 料 油 （ 气 ） 中 含 硫 ， 排 烟 温 度 太 低会产生低温露 点腐蚀。 因此在加热炉设计或改 造时， 都要根据燃料组成计算出烟气露点温度 。 有点温度的公式。 燃料中的硫燃烧时先形成 so2，部分so2 再转化为 so3。清华大学李彦等人通过实验研究， 认为 so2 浓度变化对露点温度影响非常小，so3分压是决定烟气露点温度的主要因素5。 因此 so2 变 为 so3 的转化率是计算露点温度的关键所在。关烟气露点温度的确定，面的研究。国外很早就进行了这方反应温度对转化率的影响1早 在 1959 年 德 国 学 者 peter mller 利 用 热 力目前加热炉计算常用软件为 pfr frnc-5， 此学关系式，计算了含有微量 so3 烟气的露点 温 度软件在升级过程中，针对露点温度的计算也发生一值， 做成 曲 线 ， 并与前人的实 验结果进行了对比1。1965 年，e.s. lisle 和 j.d. sensenbaugh 通过实验建 立起露点温度和硫酸浓度的关系，实验数据证明了 mller 曲线的正确性2。 f.h. verhoff3、 a.g.okkes4 等人先后提出根据烟气中 so3 和水蒸气分压计算露些变化。 例如，燃料油组分如表 1 所示。假设过剩空气系数 1.2， 用 pfr frnc-5 v4.0计算的露点温度结果如下：h2so4 dew point （degree c） 107.8（so3 set by equilbrm at 1927.8 degc）用 pfr frnc-5 v8.0 计算结果如下：h2so4 dew point （degree c） 130.9（so3 set by equilbrm at 1000.0 degc）收稿日期：2011- 05- 10作者简介：史方军（1975），男，工学硕士，工程师，主要从事石 油炼化工业炉设计工作.36工 业 炉第 33 卷 第 4 期 2011 年 7 月表 1燃料油组分表衡温度为 1 927.8 ，此时按照公式计算转化率为项目数值0.13%。 v8.0 转化平衡温度为 1 000 ，转化率为密度 d 200.9620086130.150.4 微量 微量1%4闪点/碳含量（wt）/% 氢含量（wt）/% 氮含量（wt）/% 硫含量（wt）/%氧含量水含量 灰分3.4%， 由此可分别计算出前面算例烟气中 so3 的含量分别为 0.2410-6 和 6.410-6。按照 agokkes 提供露点温度计算的公式4：t=203.25+27.6lg ph o +10.83lgpso +232.191.06（lg pso +8）（5）3 ni+v/10 20 -6式中：t 单位为； ph o 、pso 的单位为 10 pa。523前后两个版本计算的露点温度之所以差别比较大，是因为假定的 so2 氧化为 so3 的转化温度不同。 较早的版本直接把燃料燃烧温度作为转化的反应温 度，而较新的版本撇开燃烧温度，直接假定转化反应 温度为 1 000 。 转化温度不同直接影响到转化率。 高温下烟气中的 so2 与 o2 反应生成 so3 的反应方程如下：可算出其露点温度分别为 106.8 和 130.1 。与软件 pfr frnc-5 计算结果非常相近。炉膛的实际燃烧过程中，火焰燃烧温度比较高，随着烟气的扩散，温度会逐渐下降，因此 so2 转化为3 的平衡温度也并不是定值因此单纯按照燃烧so，温度或按照 1 000 计算，结果容易出现偏差。2so3 转化率的经验数据2so2+o2葑2so3（1）烟气中 so2、o2 和 so3 浓度满足如下平衡式：鉴于烟气中 so2 转化为3 的复杂性so，rober r.psopierce 认为当不能计算 so的实际数量时， 烧油时kp =（2）330.5pso o（p）可以参考表 3 的数据 。722其中，p 分别表示烟气中 so2、o2、so3 的分压。对 于 反 应 常 数 kp，mller h. 研 究 认 为 可 用 式（3）、（4）表示6：表 3 不同工况下烟气中 so3 预计值燃料油中 s 含量/%0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 过剩空气量/%5111725烟气氧含量/%1234烟气中 so3 的预计含量/10-6261012371315381518410192251222266142530葑1-0.942t*+0.070 2t*2-葑 葑 葑葑12.12葑葑lnkp =0.010 8t* ln1 000t*- 0.003 1葑（3）葑葑t*葑葑葑 葑t*葑 葑t*=（temp in k）/1 000（4）假设燃料中 s 完全转化为 so2，则根据表可3根据式（2）、（3）、（4）可知反应温度越低，so2-so3转化率越高，但mller h. 认为，低于1 000 时反应计算出不同硫含量和过剩空气系数下 so2 转 化 为3 的转化率，见表 4。so几乎不进行，应完成。因为此时需要很大的活化能量促使反表 4根据经验数据计算的转化率燃料油中 s 含量/%0.51.02.03.04.05.0过剩空气量/%5111725烟气氧含量/%1234so2 转化为 so3 的转化率/ %表 2 是根据公式（2）-（4）得出的不同反应温度下对应的 so2-so3 转化率，其中假设烟气中 o2 含量 为 4%，so2 浓度为 18810-6（按燃料含硫 0.4%计）。0.702.213.894.980.531.292.533.120.270.741.471.880.240.621.241.530.220.561.081.360.210.520.991.26表 2不同反应温度下转化率反应温度/pso /pa（pso /pso ）/%由表 4 可知，随着过剩空气系数的增加（烟气中3321 0001 0501 1101 2001 3001 5000.650.470.350.210.130.663.402.471.841.090.700.34氧含量也增加），so3 的生成量也增加，这点可以用式（2）、（3）、（4）从理论上进行解释。 空气系数增大，可降低燃烧温度，增大转化率，同时烟气中氧含量增加也会促使 so2 转化为 so3。当过剩空气系数一定 2 000 0.21 0.11 由表 2 可知，反应温度越低，转化率越高。当把时， 随着燃料中硫含量的增加，so2 转化为so3 的比例是减少的。 事实上 so3 的量除受上面提到的因素 影响外，还受其它很多因素影响，如燃烧速率、燃料燃料燃烧温度作为反应温度时，转化率会很低。 前面例题中，软件 pfr frnc-5 v4.0 认为 so3 转化平37第 33 卷第 4 期 工工工 业业业 炉炉炉vol.33 no.42011 年 7 月 industriaindustriaindustrialll furnacefurnacefurnacejul. 2011%/过剩空气系数 量含积 体气/0度蒸81温水量点中/含露气o烟3s燃烧含硫质量含量/%图 1 露点温度线算图图 2 计算烟气露点温度的 excel 表格设计计算：炼油加热炉烟气露点温度计算中钒的含量、负荷大小等，同时燃料中如果含有 mgo时会大大降低 so3 的含量。 因此 so2 转化为 so3 的 量很难用理论公式准确计算出来， 大家普遍使用的 是理论公式和经验数据相结合的方式进行计算。等计算内容，这些都属于常规计算。通过计算图表推算 so3 转化率3图 1 来自 a. zanker 的线算图，在钱家麟主编的管式加热炉一书中推荐的一种简洁查算烟气露点温度的方法8。此图把原线算图中过剩空气系数为 1.05 和 1.1 两 条 曲 线 上 移 了 ， 应 为 改 进 的 a.zanker 线算图。 由于此图表简单实用，准确性比较 好，因此得到许多设计人员的认可。此计算表格在计算露点温度时，使用了mller假设燃料油的碳/氢比为 6/1，并假设燃料油中曲线和 a.g. okkes 的计算公式。 由于 mller 曲线假设烟气中水蒸气浓度为 10%，当水蒸气浓度大于或小于 10%时用这两种方法计算的值会不一样，因此 取值时以 a.g. okkes 的方法计算值为准，mller 曲 线计算值只作为参考。 这样可以很清楚看到水蒸气浓度大小对露点温度的影响。在编制此计算表格时， 计算 so2 变为 so3 的转 化率仍然是关键。由于用计算机计算，转化率还是采 用式（2）、（3）、（4）计算。只不过在确定转化温度时根 据燃料中含硫量和过剩空气系数不同做适当调整。的硫全部转化为 so2。根据过剩空气系数算出烟气组成，根据图表查出对应烟气中 so3 的含量，便可推算出 so2 转化为 so3 的量。 结果如表 5 所示。表 5根据线算图推算的转化率燃料油中 s 含量 /%0.5 1.0 2.0 3.0 4.05.0过剩空气系数1.051.11.151.21.25烟气中氧含量/%0.951.82.63.34.0so2 转化为 so3 的转化率 /%1.72.53.34.95.31.01.52.22.93.40.61.01.41.82.00.50.81.11.31.60.40.70.91.21.50.30.60.81.01.3 1.40 5.7 7.5 4.5 2.8 2.3 2.0 1.7 假设燃料油的碳/氢比为 6/1，并假设燃料油中的硫比较表 4 和表 5 可知，so2 变为 so3 的转 化 率同空气过剩系数、燃料中硫含量的关系都是一样的。同等条件下，表 5 中的转化率比表 4 略高一些。先全部转化为 so2， 表 6 为此表格计算露点温度时不同情况下 so2 转化为 so3 的转化率。比较表 4、5、6， 可看出表 6 所计算的转化率与 国外文献上的经验数据及线算法中得出的转化率基本吻合。 而软件 pfr frnc-5 v8 在任何情况下只 取 1 000 作为转化温度则有失准确。表 7、8、9 为用此表格计算的露点温度和由图 1所示的线算法得出的露点温度比较。 其中假设燃料 油的碳/氢比 为 6/1， 雾 化 蒸 气 量 为 0.1 kg/kg 燃 料 油，过剩空气系数分别为 1.1，1.2，1.4。编制计算露点温度的 excel 表格由于确定了烟气组分和烟气中 so3 的含量，就4可根据成熟的计算公式得出烟气的露点温度。笔者根据国内外相关文献和在设计过程中积累的工程经验， 编制了计算露点温度的 excel 表格， 如图 2 所示，燃料气的计算表格与燃料油类似。当然为增加表格实用性，增加了燃料性质、烟气组成、排烟损失由表 7、8、9 可以看出，表格计算的露点温度与38工 业 炉第 33 卷 第 4 期 2011 年 7 月表 6 excel 表格计算的转化率结语5燃料油中 s 含量 /%0.51.0 2.03.0 4.0 5.0过剩空气系数1.051.11.2烟气中氧含量/%0.951.83.3so2 转化为 so3 的转化率/ %在计算烟气露点温度的过程中，为 so3 的转化率是比较关键的一步。确定 so2 转化1.52.43.91.22.02.90.91.31.90.71.01.40.50.81.10.40.71.0影响此转化率的因素比较多，如转化反应温度、空气系数、燃料硫含量等。由于转化反应的复杂性，转化率很难用理论 公式计算清楚， 常用的方法是理论计算和经验数据 相结合。通过比较分析不同文献数据，并结合一系列 1.25 4.0 4.8 3.6 2.1 1.6 1.4 1.3 表 7 过剩空气系数为 1.1 时结果比较燃料油中 s 含量/%0.51.02.03.04.0excel 表格计算露点温度/用线算法查得露点温度/131131137137140139141141142143理论公式和工程经验，笔者编制了计算露点温度的表 8 过剩空气系数为 1.2 时结果比较excel 表格，与现有线算表比较，计算表格可以用于实际工程中，简化了烟气露点温度的计算查询工作。燃料油中 s 含量/%0.51.02.03.04.0excel 表格计算露点温度/用线算法查得露点温度/135138139141142145144147147150参考文献：表 9 过剩空气系数为 1.4 时结果比较1peter muller. beitrag zur frage des einflusse derschwefels覿ure auf die rauchgas-taupunkttemperaturj. chemie-ing-techn,1959（31）:345-351.lisle e s, sensenbaugh j d. the determination of sulfur trioxide and acid dew point in flue gases j. combustion,1965,36（1）:12-16.verhoff f h, banchero j t . predicting dew points of flue gasesj. chemical engineering progress, 1974, 70(8):71-72. okkes a g, basger b v get acid dew point of flue gas j. hydrocarbon processing. 1987,66(7):53-55.李彦, 武彬, 徐旭常. so2、so3 和 h2o 对烟气露点温度影响的研究j. 环境科学学报, 1997, 17(1):126-130.燃料油中 s 含量/%0.51.02.03.04.0excel 表格计算露点温度/用线算法查得露点温度/1381411411451431481461511491542线算法相比，在低过剩空气下基本吻合。当过剩空气系数增大到 1.4 时，计算值偏小 35 。 炼油厂加热炉过剩空气系数基本都控制在 1.11.25 之间。 同 时此 excel 表格的计算值与 api 560 中推荐的经验 数据图表吻合比较好。 在实际工程应用中，选择排345烟温度时一般要高于露点温度 1025 。excel 计算表格在工程上可用。因此本6mller h. ein beitrag zur unters