湿法脱硫后燃煤电站尾部装置腐蚀研究

论文摘要

燃煤电站烟气中的SO3与水蒸汽形成的硫酸蒸汽,在低于酸露点温度时会冷凝于尾部装置的低温面,造成尾部装置的低温腐蚀。湿法脱硫装置(WFGD)的安装会影响电站尾部装置的腐蚀,随着湿法脱硫机组在我国的大量应用,湿法脱硫对燃煤电站尾部装置的腐蚀的研究显得越来越迫切。本文基于CFD平台,系统的研究了WFGD对燃煤电站尾部装置的腐蚀影响,并在人工加速腐蚀试验台上对电站尾部装置材料的腐蚀特性进行试验研究,并结合试验数据建立预测模型对尾部装置材料的寿命进行预测,指导工程的设计和设备的运行。本文首先回顾了国内外主要的烟气酸露点计算公式,基于典型燃料烟气成分对脱硫前后不同公式酸露点温度进行计算,同时通过与国外酸露点统计数据和实验数据的比较,分析了湿法脱硫前后酸露点的变化,对不同酸露点公式进行了比较和评估。分析认为:湿法脱硫后烟气酸露点未必一定升高或降低,取决于脱硫后烟气含量的变化。在以烟气成分为基础的露点计算经验公式中,对燃煤锅炉可考虑Haase & Borgmann估算公式来确定下限值,按Verhoff & Banchero估算公式取上限值,酸露点的唯一取值推荐采用含实验常数的幂函数经验式版本B来计算。在得出适合湿法脱硫后酸露点计算的经验公式的基础上,基于相平衡理论和逸度方程搭建理论模型对尾部装置的冷凝酸液浓度进行预测,冷凝酸液浓度预测值与FLUENT平台相结合,采用Species传质模型对尾部装置的冷凝酸液的沉积速度进行预测,定量的分析了湿法脱硫装置对烟囱、GGH换热器尾部装置腐蚀环境的影响。研究表明:湿法脱硫后烟气中含湿量的增加和尾部装置壁温的降低使得冷凝酸液浓度减小。烟气中硫酸蒸汽浓度成为控制冷凝硫酸沉积速度的决定因素,虽然脱硫后壁面上冷凝酸液浓度减小,增加了烟气硫酸蒸汽与壁面硫酸蒸汽之间的传质动力,但脱硫后烟气硫酸蒸汽的降低仍使得硫酸沉积速度降低,同时发现沿烟气流动方向冷凝沉积速度降低,烟气流速对冷凝沉积速度的影响不大。模拟结果与已有文献的试验结果吻合良好,证明了采用CFD平台预测尾部装置腐蚀环境的可行性。首次采用人工加速腐蚀实验方法,研究了燃煤电站尾部烟气中SO2对烟囱混凝土气相腐蚀的影响。主要考察了烟气中腐蚀介质SO2浓度、相对湿度、温度等环境因素对腐蚀速度的影响,基于SO2对烟囱混凝土气相腐蚀的特征曲线,建立多因素腐蚀经验模型对SO2的腐蚀进行预测。经模型预测可知烟囱混凝土腐蚀主要为硫酸冷凝引起的,SO2对烟囱混凝土的气相腐蚀影响很小。基于CFD平台预测的腐蚀环境,搭建人工加速腐蚀实验台和采用模拟现场工况的试验方法对烟囱混凝土的硫酸腐蚀特性进行研究。试验结果表明,混凝土在硫酸腐蚀下腐蚀量随时间的延续而接近线性增加,腐蚀速度逐渐减慢,而腐蚀量增大。同时发现水灰比和pH值越小,腐蚀速度越大。腐蚀消耗的硫酸量随时间的延续而减小,与腐蚀深度成正比。结合试验数据,根据Fick扩散方程和反应速率方程,提出简化移动边界腐蚀模型,采用定时间步长、变坐标步长的差分求解方法,对模型进行求解,并与实验数据进行验证。计算结果与实验数据有较好的吻合性,该模型可以用于混凝土在硫酸腐蚀下腐蚀速度的预测,指导实际的工程设计。此外还在预测的腐蚀环境的基础上对热管式烟气换热器(GGH)常用不同材料Q235A碳钢、316L不锈钢、20#钢和ND钢的腐蚀规律进行研究,采用金属全浸泡法、电化学测试法进行定量的研究,研究发现:抗腐性能ND>20#钢>Q235A碳钢>316L不锈钢,从防腐的角度来说,ND钢在更适合于作为火电厂脱硫后的GGH选材。除了试验研究以外,还利用灰色系统理论结合金属腐蚀试验的实测数据,并结合金属腐蚀试验的实测数据,对热管式GGH常用金属材料在其腐蚀环境下的寿命进行了预测和评估。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 湿法脱硫装置的广泛应用
• 1.1.2 湿法脱硫技术的应用对燃煤电站尾部装置所带来的腐蚀问题
• 1.2 尾部装置低温腐蚀的机理
• 1.3 国内外针对低温腐蚀的对策
• 1.4 本课题国内外研究现状
• 1.4.1 湿法烟气脱硫后尾部烟气不同酸露点计算公式的评估和比较
• 1.4.2 湿法烟气脱硫后尾部装置腐蚀环境的预测研究
• 1.4.3 腐蚀环境下尾部装置材料的腐蚀特性和寿命预测
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 参考文献
• 第二章 湿法脱硫前后烟气酸露点计算公式的比较和评估
• 2.1 引言
• 2.2 国内外酸露点经验计算公式的回顾
• 2.2.1 按燃料中含硫量等成分来计算的经验式
• 3和H₂O 含量计算的经验式'>2.2.2 按烟气SO₃和H₂O 含量计算的经验式
• 2.3 湿法脱硫后烟气成分的变化
• 3 含量的确定'>2.3.1 烟气中SO₃含量的确定
• 2.3.2 湿法脱硫后烟气中水蒸汽增加率
• 2.4 对各种烟气露点温度预测方法的比较
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 湿法脱硫对电站烟囱腐蚀环境的影响研究
• 3.1 引言
• 3.2 脱硫前后烟囱的运行环境研究
• 3.2.1 烟囱的主要参数和模型的选用
• 3.2.2 不同负荷下烟囱流场分析
• 3.2.3 湿法脱硫前后烟囱内壁及烟气温度的分布
• 3.2.4 对烟囱内压力分布的影响
• 3.3 烟囱低温部位冷凝酸液浓度
• 3.3.1 理论模型的建立
• 3.3.2 预测结果分析
• 3.3.3 预测值与文献实验值比较
• 3.3.4 脱硫前后烟囱不同工况下低温部位冷凝酸液浓度分析
• 3.3.5 脱硫前后不同工况烟囱混凝土层冷凝酸液浓度分析
• 3.4 烟囱低温部位硫酸冷凝沉积速度预测
• 3.4.1 烟囱低温部位冷凝沉积速度模拟模型
• 3.4.2 模拟结果与实验数据的比较
• 3.4.3 湿法脱硫前后烟囱硫酸冷凝沉积速度模拟结果分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 湿法脱硫后热管式气-气换热器（GGH）腐蚀环境预测
• 4.1 引言
• 4.2 节 GGH 温度场、烟气动力特性模拟
• 4.2.1 热管空气预热器壁温模拟
• 4.2.2 模型验证
• 4.2.3 热管空气预热器温度场和流场模拟
• 4.2.4 实际电厂脱硫后逆流式GGH 模拟
• 4.3 逆流热管式GGH 管壁冷凝酸浓度模拟
• 4.4 逆流热管式GGH 酸冷凝沉积速度模拟
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 湿法脱硫对电站烟囱混凝土腐蚀的研究
• 5.1 引言
• 5.2 气相混凝土腐蚀研究
• 5.2.1 实验原理
• 5.2.2 实验仪器及试剂
• 5.2.3 实验结果与讨论
• 2 腐蚀模型的建立'>5.2.4 多因素作用下混凝土SO₂腐蚀模型的建立
• 5.3 液相混凝土腐蚀性能比较实验研究
• 5.3.1 实验背景
• 5.3.2 实验方法
• 5.3.3 实验测试项目
• 5.3.4 实验结果与讨论
• 5.4 电站烟囱混凝土在实际工况下冷凝硫酸腐蚀研究
• 5.4.1 不同硫酸浓度对混凝土的腐蚀
• 5.4.2 混凝土腐蚀过程中的消耗的硫酸的量
• 5.4.3 混凝土腐蚀深度与消耗的硫酸量的关系
• 5.5 电站烟囱混凝土硫酸腐蚀的数值模拟研究
• 5.5.1 数学模型
• 5.5.2 计算方法
• 5.5.3 模拟结果与试验值的比较
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 GGH 金属材料腐蚀研究
• 6.1 引言
• 6.2 金属材料腐蚀实验
• 6.2.1 金属材料全浸腐蚀试验
• 6.2.2 材料耐腐蚀性能电化学测试评价
• 6.2.3 脱硫装置后GGH 运行工况下腐蚀实验
• 6.3 灰色理论建模
• 6.3.1 等间隔GM （1.1）模型的机理
• 6.3.2 残差GM （1, 1）模型
• 6.3.3 灰色理论模型的应用
• 6.3.4 预测结果评估
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 全文总结及展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 创新之处
• 7.3 论文不足之处和今后开展的工作
• 致谢
• 附录
• 攻读博士学位期间论文发表和完成情况