火电厂烟气酸露点的研究综述.doc

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火电厂烟气酸露点的研究综述
向柏祥杨海瑞 张缦 张海 吕俊复
(清华大学热能工程系，热能工程研究所，北京100084)

摘要：电站锅炉的最大热损失是排烟热损失，约占50％以上，排烟温度每提高15—20"C锅炉的热 效率大约降低1％左右，因而降低排烟温度，减少排烟热损失，对于提高锅炉效率进而提高电厂总发电效 率有重要作用【l】。然而如果排烟温度过低，甚至低于烟气的酸露点则不仅造成锅炉尾部烟道金属受热面 的严重腐蚀，甚至烟气中的飞灰跟结露的酸液形成粘稠物，造成空气预热器阻塞。酸露点指烟气中的氧 化硫与水蒸汽结合形成的硫酸蒸汽刚刚开始凝结时的温度[2】。考虑到酸露点不仅关系到锅炉厂的设计以 及安全运行，更是对电站锅炉的节能减排工作有重要的意义，因而锅炉烟气酸露点的影响因素和计算方 法的研究，已经成为国内外很多专家、学者以及研究机构的热门课题。
目前常用的酸露点计算方法包括，前苏联1973年《锅炉机组热力计算标准方法》经验公式、穆勒曲 线拟合公式、Hal stead曲线拟合公式、A．G．0kkes公式、美国Verhoff&Branchero估算公式、日本电 力研究所估算公式、合实验常数的估算公式、Haase＆Borgmann估算公式以及Bapahoba公式等。正文 部分首先对酸露点、酸露点的影响因素等进行介绍，然后对以上酸露点计算公式一一介绍，并对所有方 法进行分析对比，最后提出作者的观点和想法。
关键词：酸露点；三氧化硫；水蒸气；计算方法

Review of calculation methods of acid dew point of flue gas

XlANG Baixiang LV Junfu Yang Hairui

(Department of Thermal Engineering，Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract：Heat loss of flue gas is the maximum heat loss ofpower plant boilers，accounting for about 50％．The thermal efficiency ofboilers decreased about 1％，when the temperature offlue gas is increased every 15～20℃． And so，reducing the temperature of flue gases and the heat loss of flue gases is playing important role in
improving the thermal efficiency of boilers and the total efficiency of power plant[1]．However,if the temperature of flue gas is too low,even lower than the acid dew point of flue gas，not only is the metal heating
surface of the rear of the boilers corroded and even the fly ash of the flue gas and acid liquor combine to form viscous material to obstruct the air preheater．111e acid dew point is the temperature when the acid vapor which is formed by sulfur oxides and vapor of flue gases just starts to condense with the decreasing temperature of flue
gases【2】．111e Study of the impact factors and the calculation methods of flue gases has become a hot topic for many domestic and foreign experts，scholars and research institutions，be虻ause acid dew po谳is not only related to the design work and safe operation of boilers，also playing an important role in the energy conservation of
power plant．
Now,the acid dew point calculation methods include the thermodynamic calculation standard method of the boiler unit of the former Soviet Union in 1 973，the fitting formula of Muller curve，the fitting formula of Halstead curve，A．GOkkes formula,VelThoff＆Branchero estimation formula,the estimation formula of Japanese Institute of power,the estimation formula containing experimental constant．Haase&Borgmann estimation formula and Bapahoba formula and SO on．Next，this paper will introduce the impact factors of acid dew point and analysis and compare the calculation methods of acid dew pohat which have been mentioned

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above．Finally,the author will give his views and ideas about this field．
Key words：acid dew point；S03；H20；calculation methods

1酸露点简介

电站锅炉的最大热损失为排烟热损失，一般能占锅炉总热损失的50％以上，因而降低锅炉的排烟热 损失，对于提高锅炉效率，进而提高电厂总发电效率有着重要作用。然而由于燃煤中含有一定量的有s 元素，所以锅炉烟气中含有S02，在高温条件下，约有0．25～5％的二氧化硫会氧化生成三氧化硫，与烟
气中水蒸汽结合生成H：s04，如果排烟温度过低，造成烟气温度低于酸露点，即在一定的压力条件下， 硫酸蒸汽刚刚开始揭露的温度便会开始凝结的烟气温度，从而生成酸液【1，3】。酸液不仅会对锅炉尾部烟 道金属受热面造成腐蚀，一旦空气预热器遭腐蚀洞穿，热空气的温度将严重下降；而且烟气中凝结的酸 液和受热面上的积灰发生化学反应，引起积灰硬化，逐渐积累直至堵灰。堵灰将导致烟道阻力增大，迫 使引风机出力下降，致使炉膛内燃烧条件恶化f4】。酸露点不仅关系到电站锅炉的设计和安全运行，更是 对电厂的节能减排工作提供依据，因而锅炉烟气酸露点的影响因素和计算方法的研究已经成为国内外许 多专家、学者以及研究机构的热门课题。

2酸露点影响因素

酸露点影响因素众多，影响过程复杂，包括燃料种类、燃料含硫量、燃烧方式、过量空气系数以及 烟气中水蒸气、飞灰和锅炉受热面结构等都被认为与酸露点值有关。此外还有像烟气的压力、烟气在炉 膛内停留时间、炉膛内温度场分布不均等因素也能影响烟气的酸露点值【5】。但对烟气酸露点值影响最明
显的因素是S03以及H20的含量【3．7】。 2．1 S03对烟气酸露点的影响
2．1．1 S03对烟气酸露点的影响
烟气中S02的含量虽然远远高于S03，但对烟气酸露点的影响却远远小于S03，在很大浓度变化范 围内，露点值波动不会超过lK，因而一般情况下可以忽略。烟气中S03含量尽管很小，通常只有l～50ppm 左右，但对烟气酸露点的影响非常显著，在同样的水蒸气分压下，酸露点能由46．65℃提高到110"-'160
℃[8]，这主要是因为烟气接近露点温度时，S03几乎完全溶解于水蒸汽，当X=I时，硫酸蒸汽的分压
PH2S04就等于S03的分压Ps03硫，图2给出了烟气中S03转变为硫酸蒸汽的分额随温度的变化关系【4】：

油 恶意嬲鬻赞裂撬纛蹴鲶箍鬃慨的情况下’硫酸蒸汽?，℃
s03转变为硫酸蒸汽的份额与温度的芙系
浓度与烟气露点值的关系图2【8】：图1

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图2硫酸蒸汽的浓度与酸露点值的关系

2。L 2烟气中S03含量的影响因素 烟气中S03的含量影响因素很多，包括燃料种类、燃料的含硫量、燃烧方式、过量空气系数以及温
度等，但总的来讲，S03的形成主要由以下几种方式【81
①燃烧反应
S02+【0】———◆S03
该反应属于可逆放热反应，在锅炉的燃烧温度范围内，温度越高，通入的过量空气越多，对原子氧 的形成越有利，使S02转变成S03的份额越大。相反，如果燃烧不良或通入锅炉的空气越少，使得煤粉 颗粒燃烧不完全，生成的CO或炭黑还会还原S03，此外，炭黑还有吸附S03的作用，反应关系式如下：
S03+【C】———◆S02+C0
S03+CO————◆S02+C02
②催化反应2s02+02J‰2S03
或S02+02．苎塑L’603+[O]
烟气中S02在催化剂的作用下，也能发生催化反应生成S03，其中催化剂主要是灰中的V205和 Fe203，催化反应的主要温度范围425～625℃，在该温度范围内，温度越高催化反应越快，但S02的转 化率越低；相反，温度越低催化反应越慢，但S02的转化率越高。当烟气湿度在550"C左右时，S03的 生成量达到最大值，但由于烟气速度一般都很高，因而S02通过催化反应生成的S03份额比较少【8】。
③硫酸盐的分解
烟气中的一些碱金属硫酸盐在高温条件下发生分解反应，从而产生S03，但由于燃煤中此类碱金属 硫酸盐的含量通常比较少，因而通过分解反应生成的S03份额也比较少。
2．2 H20对烟气酸露点的影响
对于纯的水蒸气而言，水蒸气含量增加，露点增加，但露点变化范围不大。但是由于烟气中含有S03， 能溶于水蒸汽形成硫酸蒸汽，因而烟气中水蒸气含量的变化转变为硫酸蒸汽浓度的大小，从而影响烟气 酸露点值【3l。在其他因素一定的条件下，则水蒸气含量对烟气酸露点的影响关系如图3所示IS3；

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水蒸气浓度(％)
图3 1-120对烟气酸露点值的影响
2．3燃烧方式以及燃料含硫量对烟气酸露点的影响

烟气中硫酸蒸汽是由燃料中硫分氧化而来的，燃料中硫含量越高，则硫酸蒸汽的浓度也越高，因而 其酸露点也越高。此外，烟气S03的形成与燃烧设备以及燃烧条件是紧密相关的，图4是西安热工研究 所测得的部分电站锅炉的酸露点随燃烧方式与燃料含硫量的变化关系【5】：

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薹_链条炉冬煤粉炉刍液态排浚炉
图4烟气酸露点与燃烧方式以及燃料含硫量的关系

2．4过量空气系数对烟气酸露点的影响
过量空气系数对酸露点的影响包含两个方面，随着过量空气系数的增加，一方面，则硫酸蒸汽在烟 气中的分压相对减少，从而导致酸露点值降低：另一方面，烟气中的含氧量也相应增加，则由S02转化 为S03的量也增加，从而导致酸露点值升高。但总的来说，后者的升高不足以弥补前者的降低，因而总 的来说，随着过量空气系数的增加，烟气露点下降f3】。

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2．5灰分对烟气酸露点的影响
烟气中灰分对酸露点的影响也包含两个方面，一方面，低温烟气中的S02继续氧化生成S03需要催 化剂，而烟道和受热面表面的铁锈Fe203以及V205等都是非常良好的催化剂；另一方面，未完全燃烧 的碳粒、钙镁等氧化物以及Fe304等则能吸收或中和烟气中S0215]，此外，灰分中包含的一些硫酸盐在 高温条件的发生分解反应生成S0318]。因而，灰分对烟气酸露点的影响，主要是通过影响烟气中503的 含量，从而影响烟气酸露点值的大小。
2．6其他因素对烟气酸露点的影响
其他因素包括像燃料种类、受热面结构、烟气的压力、烟气在炉膛内停留时间、炉膛内温度场分布 不均等都能影响烟气的酸露点，但总的来讲，这些因素都是直接或间接通过影响503或硫酸蒸汽的浓度， 影响烟气的酸露点值。

3酸露点估算方法

目前，工业上大多采用酸露点测量仪测量烟气酸露点，但是测量过程复杂，测量精度低而且测量费 用也很高，同时由于酸雾和烟气灰分的影响，即便是在相同参数条件下，测得的酸露点值也各不相同【9l。
此外，随着循环流化床锅炉燃煤技术的不断发展，其特有的低温燃烧技术以及气固两相流动特性，再加
上炉外脱硫等技术，使得如今的烟气中S03的含量甚至可以降低到几个ppm的数量级，对酸露点测量仪 的要求更高，测量过程更复杂，成本也更高，所以如何预测烟气酸露点值变得非常重要。目前，常用的 烟气酸露点计算方法通常是在实验的基础上再加以理论推导出的半经验公式，包括前苏联1973年《锅炉 机组热力计算热力计算标准方法》经验公式、贾明生等人通过拟合软件撅合的Muller曲线估算公式，
Halstead曲线拟合公式，A．G．Okkes公式，美国Verhoff&Branchero估算公式，日本电力研究所估算公式、 含实验常数的估算公式，Haase＆Borgmann估算公式，H．A．BapaHoBa估算公式，此外，还有清华大学冯 俊凯老师提出的估算公式以及美国cE空调预热器公司提出的方法等。
3，1酸露点估算方法介绍
3．1．1前苏联1973年《锅炉机组热力计算热力计算标准方法》经验公式【9】
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1．0 5。^。爿
式中：t。。——纯水蒸气露点，℃ S——燃料折算硫分，％ A——燃料折算灰分，％ 如——烟气中飞灰占总灰分份额，％ B——与炉膛出口过量空气系数有关的系数，一般取125
3．1．2贾明生等人通过拟合软件拟合的Muller曲线估算公式Muller在1959年使用热力学关系式得 到了低浓度的H2S04蒸汽的烟气酸露点曲线，在S03浓度已知的情况下，可以根据Muller曲线查出酸 露点的值，并为许多实验所证实【101。贾明生等人根据Muller曲线采用拟合软件，回归出酸露点的估算 公式IS】
t，埘=1 l 6．5 5 l 5+16．06329 lg％D3+l，0S377(19％03)2
式中： Vs03———一烟气中S03体积的百万分率

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由于Muller曲线没有考虑烟气水蒸气的浓度变化对酸露点值的影响，因而此估算公式的适用范围 具有一定的限制。
3．1．3 Halstead曲线拟合估算公式 HaIstead在总结前人实验数据的基础上，在燃料燃烧后的水蒸气含量11％的前提下，得出酸露点曲
线，可以根据硫酸蒸汽的浓度估算出酸露点的值[111，贾明生等人根据Muller曲线采用拟合软件，回归
出酸露点的估算公式【5】
t。，d=1 1 3．021 9+1 5．0777 lg％2∞4+2．0975(19％2sD4)2
式中：v啦。叫——烟气中硫酸蒸汽体积的百万分率
3．1．4 A．G．Okkes估算公式 荷兰学者A．G．Okkesl987年根据Muller的实验数据，回归得出如下估算公式[12]：

‰=10．8809+27．619PM2D+10．8319Ps03+1．06(19Ps03+2．9943)2。19
式中：P呦——烟气中水蒸气分压，Pa P鼢——烟气中S03气体分压，Pa
跟Muller曲线拟合公式相比，还考虑了水蒸气浓度对酸露点值的影响，此外，A．G．Okkes估算公式 的另外一种形式【2】
t，甜=203．25+27．6 19屹2D+1 0．83 19)S03+1．06(19)S03+8)2·19
式中：P啪——烟气中水蒸气分压，atm P。——烟气中S03气体分压，atm
3．1．5 Verhoff＆Branchero估算公式美国Notre Dame大学Yerhoff和Branchero在1974年提出 了更精确的酸露点估算公式[13]：
丽1000 =1．7842+0．026919 PM20-0．102919 Ps03+0．032919 PH20 lg‰，
式中：P呦——烟气中水蒸气分压，atm P湖——烟气中三氧化硫分压，atm
此外，Verhoff＆Branchero估算公式还有另外一种形式【2】盏=2．9882-0．137619PH20-0．2674lg
P∞3+0．0328719 PH20 lg‰s

式中：P啪——烟气中水蒸气分压，Pa 氏。——烟气中三氧化硫分压，Pa
3．1．6日本电力工业中心研究所估算公式【9】
tstd=2019‰3+口一80
式中：a———与烟气中水蒸气含量有关的常数，当水蒸气体积分数分别为5％、10％、15％时，
则a分别取值为184，194,201
V如———-．烟气中三氧化硫体积的百万分率
3．1．7含实验常数的估算公式【9】

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3．1．8 Haase＆Borgmann估算公式[zs】
ts掰=255+27．619％3+18．719乓2D
式中：Ps03————烟气中S03的压力，atm
PH20————烟气中H20的压力，atm
3．1．9 H．A．BapaHoBa估算公式【9】

t s疆=186+2019qon20+2619呼Os03
式中： ％20——』气中H20的体积百分含量，％
≯奶3————烟气中S03的体积百分含量，％ 3．1．10冯俊凯估算公式[16】
jB≈Q．42S
2 tld七二1．二05—n4—2删
ts|d

式中；tt。——纯水蒸气露点，℃ t刚——烟气的酸露点，℃ S——收至蝽塞折算(每1000KJ的折算值)硫分，g／MJ A——收到基折算(每1000KJ的折算值)灰分，g／MJ aII——烟气飞灰占总灰分份额，％
B——与过量空气系数有关的系数，当a=1．4"--'1．5时，t3取129；当a=1．2时，
母取121
3．1．1l美国cE空调预热器公司绘制的酸露点计算图
美国CE空调预热器公司绘制的101KPa下的酸露点计算图，如图5所示，该图是在基于燃料中硫 分燃烧后都生成S02以及烟气中S02有296(体积分数)转变成S03的条件下绘制的，具体计算如下[5]：
①先根据燃料成分和过量空气系数，计算燃烧后的烟气组成成分；
②按2％的体积含量的S02计算S03的体积含量；
@根据计算求得的烟气中S03和水蒸气的体积百分数，在图中查得酸露点值和硫酸的质量百分
含量。

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图5压力为101KPa时，酸露点及硫酸液质量百分含量的确定
贾明生等人2003年采用多项式非线性回归以及利用正交多项式回归方法【17】，对图1中的曲线进行 拟合，得到酸露点与烟气中S03和水蒸气的体积百分含量的关系式：

2 2 2 2
‰=∑4l瑶：D+19‰，∑或瑶：D+(19‰，)2∑e瑶：D+(19Vso，)3∑哦瓒：D
0 0 0 0
式中： V。。——烟气中水蒸气百分含量，％
n，凡，陆cI，Dn 估算方程的回归系数，见表2

表2酸露点估算方程回归系数[5]

3．2酸露点估算方法比较分析
张建中等2003年用目前常用的几种酸露点估算方程对几种典型的燃煤，包括晋东南贫煤、神木烟 煤、准格尔烟煤、晋中贫煤、晋中无烟煤和松藻无烟煤等进行了计算比较，其中晋东南贫煤、神木烟煤、 准格尔烟煤属低硫煤：晋中贫煤、晋中无烟煤属中硫煤；松藻无烟煤属高硫煤，如表4所示【14】：

表4典型燃煤的常用酸露点计算方程的比较

前苏联计算公式 77．4 8 9 ． 6 9 O ． 2 l O 0 9 9 ． l 2 l 4
Haase&Borgmann估算公式 81．9 8 4 9 8 8 8 2 2 9 4 pD 9 4 7●Ru 4 l O 6
M．A．B a P a H 0 B a估算公式 112 l l ．5 ． 2 1 l ．8 ． 4 l 2 ．4 ． ，●0二 l 2 ．々o ． 9 1 3 4 5

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A．G．Okkes估算公式 118．9 122．8 125．3 128．7 127．1 134．8 Verhoff&Branchero估算公式 122，2 125．8 128．8 133．4 132．7 142．4 日本电力研究所估算公式 117．1 121．6 125 127．7 126 133．5 含实验常数公式A舨 117．3 131。9 136。2 131．9 120．4 119．9 含实验常数公式B版 114．4 117．9 120．5 124．4 123．3 131．8 Muller曲线估算公式 121 123 126 133 132 142．7 cE空调预热器公司酸露点图 ≈129 —128 ≈127 ≈134 。139 ≈149
此外，张建中等人还用几种常用的酸露点估算方式预测烟气成分发生变化时的酸露点。并作比较分
析，如表5所示[14]：
表5烟气成分变化时酸露点的预测值的对比

对表4．5的数据分析，我们可以看出，即便同样的烟气成分条件下，常用的几种酸露点估算公式及 经验图标所得到的酸露点值有很大差异，若以预测酸露点值高低来讲，其中前苏联经验公式和
Haase&Borgmann估算公式预测整体偏低；M．A．BapaHosa估算公式、A．G．Okkes估算公式、 Verhoff&Branchero估算公式、日本电力研究所估算公式、含实验常数公式B版以及Muller曲线估算公式 等预测值整体偏高；而含实验常数公式A版的预测值随烟气成分变化时波动较大，而且其预测值随煤中

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暨第三届中国循环流化床燃烧理论与技术学术会议比^乘 研究与综述

含硫量的增大反而减少【14】。
Claudia weise等2000年在验证其所开发的露点计算模型时对几种酸露点估算方法进行对比发现， 在中低温酸露点区(<150"C)以Haase&Borsmann估算公式预测的酸露点值与实验值相符程度较好，而 Verhoff&Branchero估算公式的预测值明显偏高，如图6所示f18】：

图6 Claudia weise等对各估算公式的预测值与实验数据的对比 唐志勇、金宝升等2005年对经过湿法脱硫后的烟气，以Halstead的实验数据对各酸露点估算方法
进行对比评估，其中烟气成分特性为：水蒸气含量11％，硫酸蒸汽含量在l一-100ppm，不同酸露点估算方 法的实验数据见图711S]：
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烟气巾H鸬体积含量(xlo-o)
图7各酸露点估算公式对湿法脱硫后烟气的预测值与实验数据的对比

对实验数据比较发现，各酸露点估算方法预测的酸露点值随硫酸蒸汽含量变化的趋势相一致，随硫 酸蒸汽含量的增加而增加，当硫酸蒸汽含量在l～10ppm时变化较大，随后曲线变化较为平缓。其中日 本电工研所估算公式和Haase&Borgmann估算公式误差最大，分别为33％,36．7％；A．G．Okkes估算公式 和M．A．BapaHoea估算公式的预测值与实验值最为吻合，误差分别在3．3％，1．8％左右。因而，A．G．Okkes 估算公式和M．A．BapaHosa估算公式适合用于湿法脱硫后的净烟气酸露点的计算，而且M．A．BapaHosa估

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鑫垦紧嚣翼器黼耋警墨黝姜轰论文集暨第三届中国循环流化床燃烧理论与技术学术会议吧^术 研究与综述
算公式能更好的对湿法脱硫后的净烟气酸露点值进行预测。

4总结与展望

能否准确预测火电厂锅炉烟气的酸露点值，不仅关系到锅炉尾部烟道金属受热面的腐蚀情况，以及 烟气中冷凝的酸液与积灰硬化堵塞空气预热器；更是能对电厂的节能减排工作提供理论依据，因为准确 预测烟气酸露点温度，适当降低排烟温度，对于提高锅炉热效率甚至电厂总效率有重要意义。烟气的酸 露点与很多因素有关，包括燃料种类、燃料含硫量、燃烧方式、过量空气系数、烟气中水蒸气、飞灰和 锅炉受热面结构等都被认为与酸露点值有关，此外还有像烟气的压力、烟气在炉膛内停留时间、炉膛内 温度场分布不均等因素也能影响烟气的酸露点值。但总的来讲，烟气酸露点值影响最大的因素还是S03 与水蒸气的含量，以上因素究其根本还是归结为影响烟气中503的生成量，进而影响烟气中硫酸蒸汽的 含量，来影响酸露点值。因此，预防烟气尾部的低温腐蚀，归根结底为限制烟气中S03的生成，烟气中 S03的生成包括燃烧反应、催化反应以及硫酸盐分解，其中以燃烧反应生成的S03最多。
在目前常用的烟气酸露点估算方法中，其中，前苏联经验公式在结构相对最完整，可按燃料特性直 接进行计算，在国内目前也是运用最广的酸露点估算方法，对于燃煤锅炉而言可作为首选方法：其次对 于中低温酸露点区(<150*C)或者以烟气成分为基础的酸露点预测方法中，Haase＆80唱mann估算公式 是最佳选择；但对于采用湿法脱硫后的烟气酸露点值预测。A．G．Okkes估算公式和14．A．BapaHosa估算公 式更适合用于湿法脱硫后的净烟气酸露点的计算，尤其是I／I．A．BapaHosa估算公式。
但尽管如此，随着脱硫技术的不断发展，以及循环流化床锅炉技术不断得到推广，对酸露点估算公
式的精度要求也越来越来高。此外，目前的酸露点估算公式中几乎还没有完全是在基于国内电站锅炉以 及煤燃烧的特点上建立的，因而，随着国家经济的不断发展，国内电站锅炉的规模不断扩大，建立一套 适合中国国情的酸露点估算方法，不仅仅对锅炉的设计与安全运行提供依据，更是对环境保护以及减轻 国内火电厂的节能减排工作提供保障。

Refer8Flees：

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通讯作者： 吕俊复， 教授， E-maii：—[e-mail]—ohua．edu．cn
作者简介：
向柏祥(198卜)，男(土家)，重庆，硕士研究生

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