王春波,秦洪飛
(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,保定071003)
溫室氣體的排放是導(dǎo)致全球變暖的原因之一,CO2是溫室效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者[1].燃燒礦物燃料的火力發(fā)電廠是CO2的集中排放源.在控制CO2排放技術(shù)中,富氧燃燒技術(shù)作為最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一[2-4],近年為學(xué)術(shù)界和技術(shù)界高度關(guān)注.
富氧燃燒技術(shù)具有回收CO2簡單、燃燒效率高、煙氣生成量少和NOx生成量少等優(yōu)點(diǎn)[5-6],是新一代潔凈煤發(fā)電技術(shù).美國能源部在2010年8月發(fā)布的Future GEN 2.0稱美國已投資建設(shè)一臺200 MW 富氧燃煤發(fā)電與捕集CO2的商業(yè)運(yùn)營示范機(jī)組,我國也已經(jīng)開展300 MW 富氧燃煤發(fā)電與捕集CO2示范工程的前期研究[7].
空氣燃燒方式下煤粉的干燥介質(zhì)為空氣,磨煤機(jī)并不存在低溫腐蝕問題.富氧燃燒技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是需要大量的鍋爐排煙再循環(huán)回到爐膛,其中,部分再循環(huán)煙氣用于干燥和輸送煤粉[8-9].然而再循環(huán)煙氣在磨煤機(jī)干燥煤粉過程中會(huì)使原煤的部分水分蒸發(fā)到再循環(huán)煙氣中,加上煙氣中已含有的微量SO2和SO3,極易造成磨煤機(jī)及相關(guān)設(shè)備的低溫腐蝕,從而產(chǎn)生安全隱患[10].但對此還未見詳細(xì)的計(jì)算與分析的報(bào)道.因此,有必要對富氧燃燒方式下磨煤機(jī)的低溫腐蝕特性進(jìn)行研究.
筆者以600 MW 富氧燃煤鍋爐為例,對磨煤機(jī)出口的煙氣酸露點(diǎn)進(jìn)行了理論計(jì)算,分析了再循環(huán)方式、煤種及鍋爐負(fù)荷等因素對磨煤機(jī)低溫腐蝕特性的影響,并比較了SO2和H2O 體積分?jǐn)?shù)對煙氣酸露點(diǎn)的影響,希望對富氧燃煤鍋爐磨煤機(jī)低溫腐蝕的預(yù)防提供一定的參考.
富氧燃煤鍋爐的再循環(huán)煙氣分為2部分:一次循環(huán)煙氣(一次風(fēng))用來干燥和輸送煤粉;二次循環(huán)煙氣主要用來調(diào)節(jié)爐膛溫度.再循環(huán)煙氣的布置與處理存在多種選擇[11-13],大致分為3種方式,如圖1所示.方式1:再循環(huán)煙氣不脫硫不脫水,直接循環(huán)回爐膛;方式2:再循環(huán)煙氣脫硫后直接循環(huán)回爐膛;方式3:再循環(huán)煙氣脫硫脫水后再循環(huán)回爐膛.
圖1 富氧燃煤鍋爐再循環(huán)煙氣流程Fig.1 Flue gas recirculation in the oxy-fuel combustion boiler
富氧燃煤鍋爐再循環(huán)煙氣中含有H2O 和SO2,在干燥和輸送煤粉過程中,容易造成磨煤機(jī)的低溫腐蝕[10].其中,煙氣酸露點(diǎn)是評價(jià)磨煤機(jī)低溫腐蝕特性的關(guān)鍵參數(shù).
煙氣酸露點(diǎn)的計(jì)算方法很多[14-16],大體分為按燃料中含硫量等成分的計(jì)算公式和按SO3與H2O含量的計(jì)算公式2類.富氧燃煤鍋爐再循環(huán)煙氣經(jīng)過處理后,煙氣中的H2O 和SO2體積分?jǐn)?shù)會(huì)有較大變化,從而影響煙氣酸露點(diǎn).然而,目前國內(nèi)外煙氣酸露點(diǎn)的計(jì)算公式大多僅考慮燃料組成和燃燒環(huán)境等因素,沒有考慮煙氣成分的變化,并不適用于再循環(huán)煙氣酸露點(diǎn)的計(jì)算.因此,筆者按SO3和H2O含量分類分別選取了Okkes A G公式[17]、BapahobaИ A 公式[18]和Verhoff &Banchero公式[19]進(jìn)行計(jì)算.
1.2.1 Okkes A G 公式
荷蘭學(xué)者Okkes A G 在1987年根據(jù)Muller實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了煙氣酸露點(diǎn)tsld的計(jì)算公式:
式中:pH2O為煙氣中水蒸氣分壓,Pa;pSO3為煙氣中SO3分壓,Pa.
1.2.2 BapahobaИ A 公式
蘇聯(lián)巴拉諾娃提出BapahobaИ A 公式:
式中:φH2O和φSO3分別為煙氣中水蒸氣和SO3的體積分?jǐn)?shù),%.
1.2.3 Verhoff &Banchero公式
美國Notre Dame大學(xué)Verhoff和Banchero在1974年提出的煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算公式為:
為保持與空氣燃燒方式下近似的理論燃燒溫度,計(jì)算中O2的體積分?jǐn)?shù)一般為30%左右,過量氧氣系數(shù)α取1.05.計(jì)算所用煤種根據(jù)煤炭干燥基硫分分類[20],分別選用了低硫煤、中硫煤和高硫煤.具體的元素分析與工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1,鍋爐主要額定參數(shù)見表2.
制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng),相關(guān)參數(shù)見表3.通過制粉系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算可獲得干燥一定水分的原煤所需的一次風(fēng)進(jìn)口溫度和干燥劑流量[21],一般一次風(fēng)進(jìn)口溫度為200~300 ℃.磨煤機(jī)的出口溫度取決于防爆條件和設(shè)備允許溫度.對于采用再循環(huán)煙氣作為干燥劑在惰性氣氛下(此時(shí)煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)在80%以上,殘余O2體積分?jǐn)?shù)在5%以下)運(yùn)行的直吹式制粉系統(tǒng),磨煤機(jī)出口溫度雖然不受防爆條件限制,但受到磨煤機(jī)軸承允許溫度的限制,最高可取110 ℃[22].
表1 煤種的元素分析與工業(yè)分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal
表2 鍋爐主要額定參數(shù)Tab.2 Main rated parameters of boiler
表3 磨煤機(jī)主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of mill
首先選用低硫煤(晉華宮礦煤)進(jìn)行不同再循環(huán)方式下煙氣成分的計(jì)算,并假定煙氣冷凝器循環(huán)冷卻水的溫度為30 ℃,濕法煙氣脫硫的脫硫效率為95%,脫硫塔出口煙氣溫度為50 ℃,磨煤機(jī)出口溫度為100 ℃,再通過磨煤機(jī)熱平衡計(jì)算校核出一次風(fēng)量(一次循環(huán)煙氣量)和一次風(fēng)進(jìn)口溫度,具體數(shù)據(jù)見表4.
燃煤煙氣中SO3來自于SO2的轉(zhuǎn)化.Fleig等[23]根據(jù)建立的富氧燃煤鍋爐燃燒模型計(jì)算得到SO3的轉(zhuǎn)化率為0.3%~2%.Stanger等[24]在某燃燒試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了富氧燃燒試驗(yàn),結(jié)果表明SO3轉(zhuǎn)化率為1%左右.基于已有研究成果,本文SO3轉(zhuǎn)化率取1%.
表4 不同再循環(huán)方式下一次風(fēng)的成分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.4 Compositional data of primary recycle stream under different recirculation modes
從表4可以看出,再循環(huán)方式對一次風(fēng)進(jìn)口溫度的影響較小,但對一次風(fēng)量和煙氣成分的影響顯著,特別是SO2和H2O 的體積分?jǐn)?shù).3種再循環(huán)方式下一次風(fēng)中H2O 體積分?jǐn)?shù)變化范圍為10.9%~33.0%,SO2體 積 分 數(shù) 變 化 范 圍 為0.014 5%~0.238%,且2種成分的變化規(guī)律基本一致.
根據(jù)1.2節(jié)中各煙氣酸露點(diǎn)公式計(jì)算出磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)(見表5).
表5 不同再循環(huán)方式下磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)Tab.5 Acid dew point of flue gas at mill outlet under different recirculation modes °C
由表5可知,Okkes A G公式與Verhoff &Banchero公式的計(jì)算結(jié)果非常接近,兩者計(jì)算結(jié)果偏差在3K 以內(nèi);BapahobaИ A 公式的計(jì)算結(jié)果與其他2個(gè)公式計(jì)算結(jié)果的偏差稍大,最大偏差可達(dá)14.36K.此外,3個(gè)公式計(jì)算結(jié)果的偏差隨煙氣中SO2和H2O 體積分?jǐn)?shù)的升高呈減小的趨勢,表明3個(gè)公式在計(jì)算高SO3和高H2O 體積分?jǐn)?shù)的煙氣酸露點(diǎn)時(shí)均具有一定的準(zhǔn)確度,而在計(jì)算低SO3和低H2O 體積分?jǐn)?shù)的煙氣酸露點(diǎn)時(shí),Okkes A G 公式和Verhoff &Banchero公式的計(jì)算值比BapahobaИ A 公式的計(jì)算值更準(zhǔn)確.
由表5還可以看出,再循環(huán)方式對磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)的影響明顯,煙氣酸露點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果均高于設(shè)定的磨煤機(jī)出口溫度(100 ℃).其中,方式1下的煙氣酸露點(diǎn)比方式3下高35~40K,這主要是由于再循環(huán)煙氣未脫硫脫水造成的.由此可知,采用方式1或方式2時(shí),磨煤機(jī)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的低溫腐蝕,影響到鍋爐及相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行.因此,建議一次風(fēng)在進(jìn)入磨煤機(jī)之前進(jìn)行脫硫脫水處理(即方式3),以減輕或避免一次風(fēng)中腐蝕性成分對磨煤機(jī)的低溫腐蝕.
煙氣中的SO2主要由燃料中的硫分燃燒而來,SO2體積分?jǐn)?shù)是計(jì)算煙氣酸露點(diǎn)的關(guān)鍵因素.為了評估煤中硫分含量對磨煤機(jī)低溫腐蝕特性的影響,根據(jù)干燥劑硫分的分類,選用了3種典型煤種,分別為低硫煤(晉華宮礦煤)、中硫煤(徐州煙煤)和高硫煤(芙蓉貧煤),各煤種的具體數(shù)據(jù)見表1.基于方式3(再循環(huán)煙氣脫硫脫水),對3種典型煤種進(jìn)行了煙氣成分計(jì)算和磨煤機(jī)熱平衡計(jì)算,結(jié)果見表6.
表6 不同煤種下的一次風(fēng)成分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.6 Compositional data of primary recycle stream for different kinds of coal
由表6可知,一次風(fēng)進(jìn)口溫度受煤種的影響較大,可能的原因是在磨煤機(jī)出力一定的條件下,干燥不同水分的煤種時(shí),只能通過改變一次風(fēng)進(jìn)口溫度來滿足要求.同時(shí),SO3體積分?jǐn)?shù)隨煤中硫分含量的增加呈大幅度升高,而H2O 體積分?jǐn)?shù)變化并不明顯,在10.9%~14.9%內(nèi)變化.
按照表6中SO3和H2O 的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算出磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)(見表7).由表7可知,煙氣酸露點(diǎn)均高于設(shè)定的磨煤機(jī)出口溫度(100 ℃),且隨著煤中硫分含量的增加而升高.對比高硫煤與低硫煤煙氣酸露點(diǎn)的差值可知,采用BapahobaИ A 公式計(jì)算的差值最大,為20.73K,而采用Okkes A G公式計(jì)算的差值最小,為15.16K.在惰性氣氛下,磨煤機(jī)出口溫度主要受磨煤機(jī)軸承溫度的限制,最高溫度為110 ℃[21],故富氧燃煤鍋爐燃燒高硫煤時(shí),需要采取更嚴(yán)格的防腐措施來避免或減輕磨煤機(jī)的低溫腐蝕.
表7 不同煤種下的磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)Tab.7 Acid dew points of flue gas at mill outlet for different kinds of coal °C
根據(jù)用戶的不同需求,通過改變鍋爐負(fù)荷來調(diào)整發(fā)電機(jī)組的發(fā)電額度.鍋爐變負(fù)荷運(yùn)行時(shí),制粉系統(tǒng)的磨煤機(jī)出力、一次風(fēng)量及成分等相關(guān)參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,進(jìn)一步可能會(huì)導(dǎo)致磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)的變化.選用100%、65%、45%和30%負(fù)荷時(shí)的相關(guān)參數(shù),計(jì)算出一次風(fēng)成分和煙氣酸露點(diǎn),分別見表8和圖2.
由圖2可知,鍋爐負(fù)荷的變化對磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)的影響不大.鍋爐負(fù)荷由100%降到30%時(shí),煙氣酸露點(diǎn)只改變了3~5K.因?yàn)殡m然鍋爐負(fù)荷下降了70%,再循環(huán)煙氣量也隨之減少(見表8),但是再循環(huán)煙氣中的H2O 體積分?jǐn)?shù)只降低了3.5%左右,SO3體積分?jǐn)?shù)只改變了6×10-7,所以鍋爐負(fù)荷的變化對磨煤機(jī)低溫腐蝕特性的影響很小.
SO2和H2O 體積分?jǐn)?shù)為評價(jià)磨煤機(jī)低溫腐蝕特性的2個(gè)關(guān)鍵性因素.為了比較SO2和H2O 體積分?jǐn)?shù)這2個(gè)因素中哪一個(gè)對煙氣酸露點(diǎn)的影響更大,以磨煤機(jī)入口的一次風(fēng)成分作為基準(zhǔn)工況,在保持其他成分不變的前提下,假定煙氣中H2O 體積分?jǐn)?shù)升高1倍作為第一種工況,類似地,假定煙氣中SO2體積分?jǐn)?shù)升高1倍作為第二種工況.選用低硫煤和中硫煤進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算,一次風(fēng)的成分見表9,煙氣酸露點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見表10和表11.
表8 不同負(fù)荷下的一次風(fēng)成分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.8 Compositional data of primary recycle stream at different boiler loads
圖2 煙氣酸露點(diǎn)隨鍋爐負(fù)荷的變化Fig.2 Variation trend of acid dew point with boiler load
表9 一次風(fēng)的成分Tab.9 Composition of primary recycle stream%
表10 基于低硫煤煙氣酸露點(diǎn)的比較結(jié)果Tab.10 Comparison of the acid dew point with low sulphur coal
表11 基于中硫煤煙氣酸露點(diǎn)的比較結(jié)果Tab.11 Comparison of the acid dew point with medium sulphur coal
由表10和表11可以看出,采用低硫煤進(jìn)行計(jì)算得到的煙氣酸露點(diǎn)中,升高同等比例SO2體積分?jǐn)?shù)使煙氣酸露點(diǎn)的增幅比升高H2O 體積分?jǐn)?shù)的增幅僅僅高0.17K;采用中硫煤進(jìn)行計(jì)算得到的煙氣酸露點(diǎn)中,升高同等比例SO2體積分?jǐn)?shù)使煙氣酸露點(diǎn)的增幅也僅比升高H2O 體積分?jǐn)?shù)的增幅高0.37K.由此可知,SO2體積分?jǐn)?shù)對煙氣酸露點(diǎn)的影響雖然比H2O 體積分?jǐn)?shù)稍大,但煙氣酸露點(diǎn)還是由SO2和H2O 的體積分?jǐn)?shù)共同決定的.
(1)再循環(huán)方式對磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)的影響明顯.采用方式1或方式2時(shí),煙氣酸露點(diǎn)大大高于磨煤機(jī)出口允許溫度,磨煤機(jī)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的低溫腐蝕,建議對再循環(huán)煙氣進(jìn)行脫硫脫水處理.
(2)Bapahoba H A 公式僅適合計(jì)算高SO3和高H2O 體積分?jǐn)?shù)的煙氣酸露點(diǎn);采用Okkes A G公式和Verhoff &Banchero公式得到的計(jì)算結(jié)果非常接近,并且沒有SO3和H2O 體積分?jǐn)?shù)的范圍限制.
(3)磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)與煤中硫分含量密切相關(guān).當(dāng)富氧燃煤鍋爐燃燒高硫煤時(shí),需要采取嚴(yán)格的防腐措施來避免或減輕磨煤機(jī)的低溫腐蝕.
(4)磨煤機(jī)出口煙氣酸露點(diǎn)隨著鍋爐負(fù)荷的降低而呈下降趨勢,但鍋爐負(fù)荷的變化對磨煤機(jī)低溫腐蝕特性的影響很小.
(5)SO2體積分?jǐn)?shù)對煙氣酸露點(diǎn)的影響比H2O體積分?jǐn)?shù)的影響稍大,但煙氣酸露點(diǎn)還是由SO2和H2O 的體積分?jǐn)?shù)共同決定的.
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