燃煤锅炉烟气含酸灰粒沉积特性与工程酸露点研究

摘要

烟气露点是低温腐蚀的关键指标，制约着锅炉尾部排烟余热的深度利用。传统的热力学酸露点计算及测量主要考虑烟气中硫酸蒸汽、水蒸气及氧气量等的影响，忽略了飞灰对露点的影响作用。实际应用中发现露点变化与飞灰有很大关系，在积灰存在工况下，运行在热力学酸露点以下的换热器腐蚀状况并未如预想严重，因此依然采用热力学酸露点作为低温腐蚀的评判标准已不合适，使得换热器余热回收设备设计温差降低，设备面积增大，烟气余热回收成本增加，限制了烟气余热利用效率;新的设计应充分考虑灰对露点的影响及测量过程中的环境因素，对此的研究目前较少。同时随国家节能减排政策的实施及低低温余热回收技术的发展，已有不少换热设备实际运行在热力学酸露点温度以下，但对其在有硫酸蒸汽凝结环境下的传热特性及流动特性研究报道较少，缺乏实验及理论支持。 因此，本文从露点形成理论、热态模型试验、含酸灰粒微观成分分析、含酸灰粒沉积特性等几个方面入手，研究了有硫酸蒸汽凝结的烟气环境下含酸灰粒在不同换热元件表面的沉积特性规律以及不同换热元件表面的灰污特性与换热系数变化规律，探索了含灰条件下酸露点形成的过程、机理，分析了影响因素，据此提出了燃煤烟气工程酸露点的系统理论，设计构建了工程酸露点测试试验台。与传统的热力学露点不同，工程酸露点是基于硫酸蒸汽凝结后对于灰的沉积影响、对于换热元件传热系数的影响获得的，考虑了烟气中灰的沉积、灰对于酸液的吸收、酸液的浓度对于腐蚀的影响等因素，更接近于工程实践，更能代表烟气真实的露点特征。工程酸露点温度比热力学露点更低，建立了烟气低温腐蚀新的评判标准，为可靠地进行深度烟气余热利用奠定了理论基础。主要工作如下: 1.考虑到酸液沉积对灰粒表面特性影响，积灰吸收酸液后，更易粘附在换热器表面，灰层变厚，热阻增大，传热系数将变小。在含酸、含灰环境下，通过直接测量不同换热管外壁温度下换热管传热特性变化规律，分析蒸汽凝结与灰耦合作用对传热特性的影响;并结合不同过冷度下管壁积灰状况判断换热管积灰及腐蚀规律;采集不同工况下灰样进行微观表面状态及元素成分分析，深度解析灰粒在烟气结露过程中对露点影响的规律及机理，提出更适用于烟气环境下的工程酸露点概念及测试原理。 2.设计构建了工程酸露点实验台，并进行了现场实测，得到实验工况下工程酸露点温度，用以指导含灰含酸环境下换热器设计及改造工作，并与传统热力学酸露点设计温度进行系统比较，对电站锅炉余热利用系统设计及改造提供理论指导作用，建立了烟气低温腐蚀新的评判标准。 3.建立了含灰、含酸环境下单管换热器热力性能实验台架，研究在蒸汽凝结及积灰耦合作用下的传热特性变化规律，以不同管径及试验工况下套管换热器验证工程酸露点，通过露点影响因素变化规律分析，为工程酸露点测量装置各关键设备选型奠定基础。研究不同管径、冷却水流速及外壁温对传热特性影响的变化规律，尤其对管外雷诺数对换热系数影响进行详细分析，并拟合给出了适用于结露环境下的试验关联式，为低低温深度余热利用技术应用奠定了基础。 4.搭建了顺列及错列布置下管束现场灰粒沉积特性试验台架，选取具有代表性的椭圆翅片管束、圆形H型翅片管束及椭圆H型翅片管束为试验管段进行现场热力试验。综合比较了不同蒸汽凝结量下三种管型的热力及灰污特性，研究不同管型、不同布置方式、不同流速及不同管外壁温下换热器特性变化规律，并详细讨论了各影响因素对含酸灰粒沉积特性影响规律，结合总体比较情况，对不同状态下换热器选型给出理论指导。 5.模拟烟气主要成分，在实验室搭建了工程酸露点形成机理分析试验台架，通过控制不同烟气温度、含酸量、含水量及灰粒浓度制取受硫酸蒸汽凝结影响的灰粒试样，采用颗粒粒径试验、粘附性试验及灰样导热系数试验分析酸凝结液对积灰特性变化的影响规律，进而分析含酸灰粒在换热面的沉积机理。 通过上述研究内容，得出以下主要结论: (1)提出了工程酸露点概念，替代热力学酸露点创建以工程酸露点为基础的烟气低温腐蚀新的评价标准。在理论上对其产生机理进行了分析，对实验环境工程酸露点进行测量，并利用电镜、能谱及XRD等技术对其进行了验证。 (2)设计工程酸露点测试实验台，并用于现场测量，得到实验工况下工程酸露点真实温度，较传统热力学酸露点计算温度分析可知，新标准将余热回收利用深化了35℃以上，为低低温余热利用技术奠定了理论基础。 (3)得到了酸凝结工况下换热器换热特性变化规律，发现随平均外壁温度及热力学酸露点过冷度降低，换热系数整体下降，换热过程呈阶梯状变化，传热系数三次发生较大幅度降低，通过对比分析，得到了真实烟气环境下换热管的四个稳定换热区域，即洁净区域、积灰区域、积灰-酸凝结耦合区域及积灰-水凝结耦合区域，为露点下工作换热器选型奠定基础。 (4)得到了结露环境下不同布置工况下典型换热管束表面含酸灰粒沉积特性变化规律，给出具有工程应用价值的实验拟合关联式，并验证了工程酸露点及水露点的存在，为低低温深度余热利用技术应用奠定了基础。 (5)综合比较了不同蒸汽凝结量下典型换热器的传热及流动特性，对于不同工况下换热器选型给出理论指导，发现顺列布置下椭圆H型翅片管在酸露点下明显优于其他形式，有较高的灰粒沉积特性。 (6)得到了含酸颗粒在换热管表面沉积规律，研究灰粒特性受烟气过冷度、含酸量、含水量及灰粒浓度变化的影响规律，得出了影响因素改变时灰粒沉积特性变化规律，分析工程酸露点形成机理。 本文提出的燃煤烟气工程酸露点系统理论，确立了烟气低温腐蚀判定的新标准，为深度降温余热回收利用技术研究奠定理论基础;所建立的含酸、含灰环境下的换热器实验模型，为深度余热利用的发展创造条件;得到的典型管束凝结环境下含酸灰粒沉积特性变化规律，为酸露点下工作的换热器设计及选型提供了新思路及方法。所得结论具有一定的理论研究价值及工程应用价值。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 降低排烟温度技术研究现状

1．3 高效余热回收换热器研究现状

1．4 烟气露点研究现状

1．4．1 烟气露点理论研究

1．4．2 烟气露点测量技术

1．5 本文研究内容

第2章 传统热力学酸露点评价分析

2．1 引言

2．2 热力学酸露点计算分析

2．3 热力学露点下酸凝结量分析

2．4 热力学露点下颗粒团聚特性影响研究及分析

2．5 本章小结

第3章 燃煤锅炉露点及含酸灰粒沉积特性实验模型

3．1 引言

3．2 露点测试装置试验模型

3．2．1 实验系统组成

3．2．2 实验内容

3．2．3 实验数据分析

3．3 典型换热器含酸灰粒沉积特性试验台

3．3．1 实验系统组成

3．3．2 实验参数的确定

3．3．3 实验内容

3．3．4 实验数据处理

3．4 灰样颗粒特性实验模型

3．4．1 灰样粒径实验台

3．4．2 粘附性实验

3．4．3 导热系数试验台

3．5 实验结果误差分析

3．6 本章小结

第4章 燃煤烟气工程酸露点提出与微观机理分析

4．1 引言

4．2 实验结果及分析

4．2．1 换热管积灰及腐蚀状态分析

4．2．2 壁温对换热管热力特性的影响

4．2．3 壁温对换热管外壁面积灰成分的影响

4．3 工程酸露点

4．4 工程酸露点与传统酸露点的比较

4．5 本章小结

第5章 工程酸露点测试试验

5．1 引言

5．2 实验结果

5．3 工程酸露点测试影响因素分析

5．3．1 管内冷却水对Nu的影响

5．3．2 外壁温对Nu的影响

5．3．3 不同管径对传热特性的影响

5．3．4 不同外壁温下灰、酸、水耦合规律

5．3．5 管外流动对传热特性的影响

5．4 本章小结

第6章 工程酸露点形成过程机理研究

6．1 引言

6．2 烟气颗粒粒径影响因素分析

6．2．1 烟气含酸量对颗粒粒径影响规律的实验研究及分析

6．2．2 烟气含水量对颗粒粒径影响规律的实验研究及分析

6．2．3 粉尘浓度对颗粒粒径影响规律的实验研究及分析

6．3 灰粒粘性特性影响因素分析

6．3．1 含酸量及过冷度对灰粒粘附特性影响规律的实验研究及分析

6．3．2 烟气含水量对灰粒牯附特性影响规律的实验研究及分析

6．3．3 烟气颗粒浓度对灰粒粘附特性影响规律的实验研究及分析

6．4 积灰导热系数影响因素分析

6．4．1 填充密度对灰样导热系数影响规律实验研究及分析

6．4．2 实验温度对灰样导热系数影响规律实验研究及分析

6．4．3 粒径范围对灰样导热系数影响规律实验研究及分析

6．4．4 含酸量对灰样导热系数影响规律实验研究及分析

6．5 本章小结

第7章 典型换热管束表面含酸灰粒沉积特性研究

7．1 引言

7．2 螺旋翅片管含酸灰粒沉积特性分析

7．2．1 工程露点下换热器传热特性

7．2．2 工程露点下换热器阻力特性

7．2．3 露点下灰污特性分析

7．2．4 螺旋翅片管管束热力性能比较及分析

7．3 H型翅片管含酸灰粒沉积特性分析

7．3．1 工程露点下换热器传热特性

7．3．2 工程露点下换热器阻力特性

7．3．3 露点下灰污特性分析

7．3．4 H型翅片管管束总体性能比较及分析

7．4 椭圆H型翅片管含酸灰粒沉积特性分析

7．4．1 工程露点下换热器传热特性

7．4．2 工程露点下换热器阻力特性

7．4．3 露点下灰污特性分析

7．4．4 椭圆H型翅片管束总体性能比较及选型分析

7．5 不同管型管束试验比较分析

7．5．1 积灰工况下不同管型换热器特性比较

7．5．2 酸凝结与积灰耦合工况下不同管型换热器特性比较

7．5．3 水凝结与积灰耦合工况下不同管型换热器特性比较

7．6 本章小结

第8章 全文总结与建议

8．1 主要结论

8．2 创新点

8．3 展望与建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果

ENGLISH DISSERTATION

PAPER Ⅰ：Experimental Research of CFB Ash Deposition on H-style Finned Tubes

PAPER Ⅱ：Hot-state experiment on double-pipe heat exchanger under coupled effect of fouling and acid