三氧化硫的露点温度与炉气中的三氧化硫浓度和水蒸气含量有关。露点计算
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余热锅炉的酸露点温度计算
Calculation of Acid Dew Point Temperature forWaste Heat Boiler
Xin Quzhen Kang Yengji Wang Donghao
Abstract Thetechnique & principle of calculation of acid dew point temperaturefor waste heat boiler, and confirming the safety working pressure ofthe waste heat boiler.
Keywords waste heat boiler; acid dew point temperature; low temperature corrosion
0 引 言
很多工业炉窑排出的烟气中，常含有一些腐蚀性气体和腐蚀性物质，如硫的氧化物，钒的氧化物，硫酸盐络化物等。这些物质对余热锅炉会产生强烈的腐蚀，严重时在很短的时间内会使锅炉遭到损坏。当进入余热锅炉的烟气中含有二氧化硫时，其中一部分会转化成三氧化硫，并与烟气中的水蒸汽结合生成硫酸蒸汽，且能显著地提高烟气的露点温度，在低温金属表面上凝结形成硫酸溶液，与碱性灰反应，也与金属反应，因而产生腐蚀。由于经常发生在锅炉的低温受热面上，故称低温腐蚀。低温腐蚀的特点是均匀性腐蚀，它使管壁厚度逐渐减薄以至破裂，对余热锅炉的安全运行危害性极大。为了有效地防止低温腐蚀的发生，以确定余热锅炉受热面的壁温和锅炉的运行压力，必须计算出硫酸蒸汽的酸露点温度。
除三氧化硫外，氯气和二氧化硫等也会产生低温腐蚀，但它们都发生在烟气的水蒸汽的露点以下，因露点温度很低(一般是在30℃～60℃)，余热锅炉中可不予考虑。
1 三氧化硫的生成及转化率的确定
烟气中三氧化硫生成的机理极其复杂。一般以为一部分是在工艺生产过程中产生的，一部分是在烟道和余热锅炉中产生的。
在工艺生产过程中，主要是原子氧的作用而生成三氧化硫，而原子氧主要是在燃烧反应中形成的。如：
CO＋O2→CO2＋O
H＋O2→OH＋O
这些原子氧很活泼，容易将二氧化硫转化成三氧化硫。另外，氧分子、二氧化碳及金属氧化物在炉子高温辐射下，其中一部分也会分解原子氧而使二氧化硫转化成三氧化硫。
当压力一定时，二氧化硫转化成三氧化硫的平衡曲线如图1所示。从该图可以看出低温时对转化成三氧化硫有利。在850℃以上的高温下，三氧化硫几乎不产生。在温度相同时，压力升高会增加向三氧化硫方面的转化。但实际上，因原子氧、三氧化硫触媒及飞灰的作用而变得更为复杂。
在工艺生产过程中，如处理物料中含有硫酸盐时，也会直接分解生成三氧化硫。如重有色金属硫化矿火法冶炼时，所生成的高温烟气中含三氧化硫一般占二氧化硫的2%～6%。
图1 SO2、SO3平衡状态
在余热锅炉中，在催化剂的作用下，烟气里的二氧化硫有一部分会转化成三氧化硫。余热锅炉烟气中常见的催化剂有三氧化二铁、三氧化二铝、五氧化二钒、二氧化硅、烟尘等。从图2可以看出，催化剂作用一般只发生在500℃～800℃之间，当余热锅炉积灰时，积灰的表面温度随积灰厚度的增加而上升，从而有利于二氧化硫转化成三氧化硫。其中三氧化二铁和烟尘对转化所起的影响最为显著。因工业炉使用的原料和燃料不同，以及工艺过程的不同，烟气中二氧化硫转化成三氧化硫的转化率也是不同的。对于化工过程来说，转化率一般为3.2%～8.7%，对于重有色冶金来说，转化率一般为6%～10%，为了考虑余热锅炉的安全，在计算烟气的酸露点温度时推荐采用10%的转化率。
图2 在各种催化物质的作用下SO2 转化成SO3与温度的关系
X—Fe2O3；O—烟尘；□—SiO2；△—Al2O3
2 硫酸蒸汽的酸露点温度的计算
烟气中不但有三氧化硫，而且有水蒸汽，它们相互作用而生成硫酸蒸汽。如果管壁温度低于某一数值，硫酸蒸汽就会在管壁上凝结并产生腐蚀。这一数值就称为硫酸蒸汽的酸露点温度。硫酸蒸汽的酸露点温度主要取决于烟气中三氧化硫和水蒸汽的含量，一般可按下述方法确定。
烟气中硫酸的质量浓度按下式计算：
C=98×VSO3/(80×VSO3＋18×VH2O)
(1)
VSO3＝K×VSO2
(2)
式中：VSO3—烟气中SO3的容积份额，%；
VH2O—烟气中H2O的容积份额，%；
VSO2—烟气中SO2的容积份额，%；
K—烟气中SO2转化为SO3的转化率，%；
C—烟气中硫酸的质量浓度，%。
烟气中水蒸汽和三氧化硫分压之和按下式计算：
PH2O＋SO3＝（B－P／13.6)(VSO3＋VH2O）／100
(3)
式中：B—锅炉安装处大气压力，Pa；
P—锅炉入口处烟气负压，Pa；
PH2O＋SO3—烟气中水蒸汽和三氧化硫分压之和，Pa。
根据C及PH2O＋SO3之值可从图3查出酸露点温度。
图3 在汽相中硫酸浓度和露点之间的关系
3 例
题
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某焙烧炉烟气成分：SO2：9.075%；CO2：0.45%；H2O：10%；O2：5.48%；N2：75%；求酸露点温度及锅炉的运行压力。已知锅炉入口处烟气负压为－30Pa。
解：
设二氧化硫转化成三氧化硫的转化率K为10%，则
VSO3＝K×VSO2＝
0.1×9.07＝0.907(%)
烟气中硫酸的质量浓度按公式(1)计算：
C＝98×VSO3／（80×VSO3＋18×VH2O)＝
98×0.907/(80×0.907+18×10)＝
35.2(%)
烟气中水蒸汽和三氧化硫分压之和按公式(2)计算：
PH2O＋SO3＝
9.8(b-Pr/13.6)(VSO3＋VH2O）／100＝
9.8(760-30/13.6)(0.907+10)/100=
810Pa
根据C＝35.2%及PH2O＋SO3＝810Pa可从图1查出酸露点温度为：
Tld＝214℃
按Tld=214℃查饱和蒸汽表，可知锅炉最低运行压力应为2.0MPa。
4 结 论
由于影响低温腐蚀的因素很多，为了安全起见，国内外对于存在低温腐蚀的余热锅炉，一般将运行压力选定在2.5MPa以上，并与用户用汽要求或余热发电机组要求的热力参数配合起来综合考虑。
作者简介：辛曲珍，1961年生，助理工程师，一直从事工业锅炉
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
开发工作，曾参加过CPC锅炉、角管式锅炉的设计开发工作。
作者单位：辛曲珍 康英姬 哈锅炉有限责任公司工业锅炉开发中心；王东浩 哈尔滨第三发电厂
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