富氧燃煤锅炉再循环方式对烟气酸露点的影响

王春波， 秦洪飞

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定071003）

CO2是全球温室效应最主要的“贡献者”［1］.煤燃烧排放的CO2是全球CO2排放量的最主要来源，占排放量的一半以上.在控制燃煤CO2排放技术中，富氧燃烧技术是最有应用前景的技术之一［2－4］.

在富氧燃烧工况下，烟气中CO2的体积分数高达95%（干基），这有利于CO2的压缩冷凝捕获［5］.同时，富氧燃烧还具有燃烧效率高、烟气量少和NOx生成量少等优点［6－7］.对现有传统锅炉改造的经济可行性评估表明［8］，富氧燃烧技术不仅能在烟气中捕获CO2，而且经济性较好.

富氧燃烧技术最显著的特点是需要大量的烟气再循环以维持正常的炉内温度.然而，正是由于烟气再循环，富氧燃烧时烟气中的H2O和SO2含量远高于空气燃烧方式下的含量［9］.烟气中高浓度的H2O和SO2会加剧锅炉尾部受热面的低温腐蚀，从而产生安全隐患［10－12］.

笔者以某600MW富氧燃煤锅炉为例，对其在3种不同再循环方式下的H2O和SO2体积分数的变化进行了理论计算，预测了烟气酸露点，并分析了3种再循环方式对尾部受热面低温腐蚀的影响，希望对富氧燃煤锅炉低温腐蚀的预防提供一定参考.

1 烟气再循环系统与酸露点计算方法

1.1 烟气再循环系统

富氧燃煤锅炉的再循环烟气分为2部分：一次循环烟气用来输送和干燥煤粉；二次循环烟气主要用来调节炉膛温度.

对于采用富氧燃烧技术的煤粉锅炉，为干燥与运输煤粉以及避免腐蚀性成分腐蚀管道，必须对一次循环烟气进行除尘、脱硫和脱水；而二次循环烟气的布置与处理则有多种选择［9－10，13－14］.笔者综合目前这方面的研究成果，根据研究者们提出的循环烟气不同抽取位置，总结了3种方案，具体流程见图1.

图1 某600MW富氧燃煤锅炉烟气再循环系统Fig.1 Flue gas recirculation system of the 600MW oxy－fuel combustion boiler

循环方式被细分为2类：（1）干烟气循环，其烟气中大部分水分在循环之前被冷凝脱除（方式3）；（2）湿烟气循环，循环烟气不脱水（方式1和方式2），其中方式1不脱硫不脱水，方式2脱硫不脱水.

1.2 烟气酸露点计算方法

富氧燃煤锅炉内烟气富含H2O和SO2，极易造成尾部受热面低温腐蚀.为了防止或减轻低温腐蚀，提高烟气温度使其尽可能高于酸露点是最有效的方法.因此，烟气酸露点的计算是评估该问题的关键.计算烟气酸露点的方法很多［15－18］，为了获得富氧燃烧下烟气酸露点更合适的计算方法，选取以下3种常用的计算公式进行比较研究.

1.2.1 苏联1973年《锅炉机组热力计算标准方法》经验公式

式中：tsld为烟气酸露点，℃；tld为纯水蒸气露点，℃；w（Sar，zs）为燃料折算硫质量分数，%；w（Aar，zs）为燃料折算灰质量分数，%；β为与炉膛出口过量空气系数有关的系数，一般取125；αfh为飞灰份额.

1.2.2 AGOkkes公式

荷兰学者AGOkkes根据实验数据，提出如下计算公式

式中：pH2O为烟气中水蒸气分压力，Pa；pSO3为烟气中SO3分压力，Pa；

该方程由穆勒数据回归得到，除了考虑SO3体积分数对酸露点的影响，还考虑了水蒸气体积分数的影响，并且计算得出的烟气酸露点数据与由碳质量分数、硫质量分数以及过量空气系数等参数绘制出的Muller计算图比较，两者相差不到1.5K，因此可以作为评价其他估算公式的依据.

1.2.3 ИA Bapahoba公式

式中：φH2O和φSO3分别为烟气中水蒸气和SO3的体积分数，%.

2 3种再循环方式下的烟气酸露点

为保持与空气燃烧方式下近似的理论燃烧温度，计算中采用O2和CO2体积分数的比例为3∶7，过量氧气系数α取1.05.计算所用烟煤的元素分析与工业分析数据见表1.

表1 烟煤的元素分析与工业分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal

2.1 不同烟气再循环方式下的烟气组分

一次循环烟气量与二次循环烟气量之和称为总循环烟气量，约占锅炉出口烟气量的70%.其中，一次循环烟气量占总循环烟气量的20%～35%（取决于制粉系统与输送煤粉的要求）.为了便于比较不同再循环方式下的烟气特性，假定烟气冷凝器（FGC）循环冷却水的温度为30℃，湿法烟气脱硫（FGD）的脱硫效率为95%，脱硫塔出口温度为50℃.一次循环烟气量占总循环烟气量的比例定义为一次循环烟气比η，取值为25%.为了便于比较不同烟气再循环方式下的烟气组分，在假定炉内烟气量不变的条件下进行烟气组分计算.

不同烟气再循环方式下的锅炉出口烟气组分和再循环烟气组分分别见表2与表3.

表2 不同再循环方式下锅炉出口烟气组分Tab.2 Flue gas composition at boiler outlet under different recirculation modes %

表3 不同再循环方式下再循环烟气组分Tab.3 Composition of the recirculated flue gas under different recirculation modes %

从表2可见，不同再循环方式对烟气组分的体积分数影响明显，特别是CO2、SO2和H2O的体积分数.3种再循环方式下锅炉出口烟气中的H2O体积分数变化范围为13.3%～21.9%，SO2体积分数变化范围为0.103%～0.189%，且2种组分变化规律基本一致.其中，方式1的SO2体积分数最高，而方式2和方式3的SO2体积分数低且近似相等.其原因是方式1烟气中的SO2随再循环烟气回到炉膛内，而其他2种方式的再循环烟气都进行了脱硫处理.

富氧燃烧方式下的烟气组分与空气燃烧方式下相比有显著变化，其中方式3下的H2O和SO2体积分数分别比空气燃烧方式下的约高6%和0.041%，由于H2O和SO2体积分数均较空气燃烧方式下显著提高，表明富氧燃烧方式下尾部受热面的低温腐蚀将比空气燃烧方式下严重得多.

从表3可见，在几种循环方式中，一次循环烟气经过脱水、脱硫处理后具有最低的H2O和SO2体积分数，分别为4.280%和0.018%；而二次循环烟气则根据是否脱硫脱水，烟气组分变化明显，其变化趋势类似于锅炉出口烟气，但变化幅度更大.

2.2 锅炉出口烟气酸露点的预测及分析

燃煤烟气中SO3来自于SO2的转化.Fleig等［19］建立了煤粉炉富氧燃烧模型，计算结果表明SO3转化率在0.3%～2%.Stanger等［20］在某燃烧试验装置上进行了富氧燃烧中试规模试验，得出SO3转化率在1%左右.基于已有研究成果，本文SO3转化率取1%，锅炉出口烟气压力取0.1MPa.根据表2的数据可以计算出SO3和H2O的体积分数和分压力，结果见表4.

表4 锅炉出口烟气中SO3和H2O的体积分数和分压力Tab.4 Volume fraction and partial pressure of H2O and SO3in outlet flue gas of boiler

根据1.2节中各烟气酸露点公式计算得出的锅炉出口烟气酸露点见表5.从表5可知，苏联经验公式计算烟气酸露点的预测值明显比其他2个公式的预测值偏低，低了20～30K.文献［21］中也得出了类似的结论.苏联经验公式未考虑烟气中H2O和SO3体积分数的变化情况，因而计算结果有较大偏差，故不适用于预测高H2O、高SO3富氧燃烧方式下的烟气酸露点.而综合考虑了H2O和SO3影响的A G Okkes公式与ИA Bapahoba公式的计算结果比较接近，平均偏差只有7K左右.

由表5还可以看出，空气燃烧方式下烟气酸露点一般在120～125℃，而富氧燃烧方式下的烟气酸露点比空气燃烧方式下高很多，平均高15K，这主要是富氧燃烧方式下烟气中的高H2O、高SO3造成的.通过计算3种再循环方式下的烟气酸露点发现，方式1的烟气酸露点最高，方式2的烟气酸露点次之，方式3的烟气酸露点最低，最大差值达到11K左右.

进一步分析可知，采用方式1（二次循环烟气不脱硫不脱水）时，锅炉尾部装置低温腐蚀的可能性最大，可能引起受热面穿孔、积灰等现象，严重影响锅炉设备的安全运行［22］.因此有必要采取更严格的措施来避免或减轻低温腐蚀.

表5 锅炉出口烟气酸露点Tab.5 The acid dew point of outlet flue gas of boiler℃

2.3 再循环烟气酸露点的预测及分析

由于再循环烟气需要经过再循环风机送入炉内，其可能对再循环风机及相关管道等带来的低温腐蚀也是富氧燃烧技术中需要特别关注的问题.3种再循环方式下再循环烟气中SO3和H2O的体积分数与分压力见表6，相应烟气酸露点见表7.

表6 再循环烟气中SO3和H2O的体积分数和分压力Tab.6 Volume fraction and partial pressure of H2O and SO3in recirculated flue gas of boiler

表7 再循环烟气酸露点Tab.7 The acid dew point of recirculated flue gas of boiler℃

从表7可以看出，经过脱硫、脱水的一次循环烟气具有最低的烟气酸露点，而二次循环烟气则具有不同烟气酸露点预测值，由高到低依次是方式1＞方式2＞方式3.对比锅炉出口的烟气酸露点，方式1下的二次循环烟气具有相同的预测值，而方式2和方式3下的预测值会有不同幅度的降低.另外，A G Okkes公式预测值的降低幅度稍低于ИA Bapahoba公式的结果.

此外，方式2下的二次循环烟气是从脱硫塔出口抽取的，根据脱硫塔出口烟气温度为50℃的初始条件，烟气酸露点预测值远高于烟气温度，极易引起受热面金属酸腐蚀，特别是对烟气再循环风机的腐蚀.方式2和方式3下的循环烟气也存在类似情况.为减轻低温腐蚀，可考虑先利用炉膛出口烟气将二次循环烟气加热升温后，再经再循环风机把循环烟气送入炉膛入口.

2.4 不同一次循环烟气比时锅炉出口烟气酸露点

根据制粉系统与输送煤粉的具体要求，一次循环烟气比η一般在20%～35%变化.当一次循环烟气比变化时，会引起锅炉出口烟气组分体积分数的变化，进一步导致烟气酸露点的变化.选用A G Okkes公式与ИA Bapahoba公式，烟气酸露点计算结果如图2所示.

从图2可见，锅炉出口烟气酸露点温度随一次循环烟气比η的增大呈下降趋势，且按方式1、方式2和方式3的顺序，下降的趋势越来越慢.方式1下的烟气酸露点下降幅度最大，为3.4K；方式2下的烟气酸露点下降幅度较小，为0.5K；方式3下的烟气酸露点没有发生变化.总体来说，一次循环烟气比对酸露点的影响很小，表明如果想要减轻低温腐蚀，调节一次循环烟气比不是很有效的手段.另外，A G Okkes公式和ИA Bapahoba公式的计算结果保持了相同的变化趋势，但也有一定的计算偏差.

图2 烟气酸露点随一次循环烟气比的变化Fig.2 Variation of acid dew point with primary flue gas recirculation ratio

3 结 论

（1）富氧燃烧方式下的烟气组分与空气燃烧方式下相比有显著变化；再循环方式中脱硫脱水过程对锅炉出口烟气组分影响明显，特别是对SO2和H2O的体积分数影响更明显.

（2）苏联经验公式计算所得烟气酸露点整体偏低，误差较大；A G Okkes公式与ИA Bapahoba公式的计算结果比较接近.

（3）富氧燃烧方式下的烟气酸露点比空气燃烧方式下高很多，平均高15K左右.3种再循环方式下的烟气酸露点，方式1最高，方式2次之，方式3最低，最大差值可达11K左右.二次循环烟气酸露点变化规律与之类似.

（4）锅炉出口烟气酸露点随一次循环烟气比的增大呈下降趋势；但一次循环烟气比对烟气酸露点的影响很小.

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