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基于热风逆流的回转式空气预热器防堵塞技术的应用分析

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：单佩通

[导读] 摘要：超低排放改造后，空预器堵塞问题成为燃煤机组普遍问题，各种传统防堵方案存在明显弊端，本文提出了治理回转式空预器堵塞的新方案，利用高温高流速的热风逆流通过空预器解决其堵塞问题，并在实际应用中取得了显著的效果。

        （阳城国际发电有限责任公司山西晋城 048000）
        摘要：超低排放改造后，空预器堵塞问题成为燃煤机组普遍问题，各种传统防堵方案存在明显弊端，本文提出了治理回转式空预器堵塞的新方案，利用高温高流速的热风逆流通过空预器解决其堵塞问题，并在实际应用中取得了显著的效果。
        关键词：空气预热器；堵塞；防堵；热风逆流
        1 概述
        据调研，近年来随着脱硝装置投运，尤其超低排放改造后，燃煤机组的空气预热器普遍存在堵塞问题。空气预热器堵塞后，不仅严重影响机组的安全运行，同时还会影响空气预热器的换热效果，使锅炉排烟温度升高、锅炉效率下降，影响机组的经济运行。
        目前业界公认，引起空气预热器堵塞的主要原因是脱硝系统逃逸的氨（NH3）与烟气中的三氧化硫或硫酸（SO3或H2SO4）反应生成硫酸氢铵（NH4HSO4），NH4HSO4在146~207℃温度范围内为熔融状态，且具有非常强的粘性，极易捕捉烟气中的飞灰，一起粘附在蓄热元件表面上，如不及时进行清理，就会发生硬化板结，造成常规的蒸汽吹灰难以有效清除的硬灰，最终形成空预器堵塞。同时，当排烟温度较低时，空预器冷端的硫酸溶液的沉积，进一步加速的空预器的堵塞程度和腐蚀程度。
        2堵塞机理分析
        2.1 低温腐蚀
        由于燃料中含硫，硫在燃烧过程中生成大量的二氧化硫（SO2）与少量三氧化硫（SO3），同时，部分SO2在催化剂的作用下进一步氧化生成SO3，SO3与烟气中的水蒸汽生成硫酸蒸汽（H2SO4）。当排烟温度低于酸露点时，硫酸蒸汽将凝结，硫酸液滴与飞灰一同附着在冷端蓄热元件上，形成空预器堵塞，并腐蚀蓄热元件。
        烟气的酸露点随着烟气中SO3浓度的升高而提高（见图1），一般达130~160℃。由于脱硝系统增加了SO2向SO3的转化率，即提高了烟气中SO3的浓度，且为控制发电成本，电厂实际燃用煤种的硫份普遍高于设计煤种，从而导致烟气酸露点升高，低温积灰腐蚀（酸露点腐蚀）加剧。

        图1 烟气中SO3浓度与酸露点的关系
        2.2 ABS沉积
        采用脱硝工艺后，尤其是超低排放改造后，脱硝效率要求大于90%，致使脱硝系统存在不可避免的氨逃逸现象。同时，烟气中的部分SO2将被脱硝催化剂氧化成SO3，也增加了烟气中SO3的体积浓度。逃逸的氨与烟气中的SO3或H2SO4蒸汽反应，生成硫酸氢铵（NH4HSO4）等副产物，硫酸氢铵（NH4HSO4）在温度为146~207 ℃范围内，呈熔融状，会牢固粘附在空预器蓄热元件表面，使蓄热元件发生腐蚀和积灰，由于积灰在低温段中上部（见图2），常规蒸汽难以有效清除，最终易引发严重堵塞，给机组的安全运行造成极大隐患。国内已有部分电厂因无法解决或缓解此问题而导致机组限负荷，甚至被迫停机。

        图2 硫酸氢铵在蓄热元件内的沉积区间
        3 传统防堵塞技术
        3.1 技术特点对比
        3.1.1 热风再循环
        热风再循环技术是通过热风整体提高空预器冷端进口空气温度和冷端壁温，在冷端提温的过程中，也提高了锅炉的排烟温度，故该设备以牺牲经济性（提高排烟温度）来保证机组运行的安全性，所以该设备仅在环境温度低或低负荷阶段投运，由于提温空间有限，故只能缓解硫酸造成的低温腐蚀，而不能缓解硫酸氢铵的沉积问题，甚至会因硫酸氢铵沉积带上移而加剧堵塞。
        3.1.2 暖风器
        暖风器也是通过提高空预器冷端进口空气温度和冷端壁温的方式防止低温腐蚀，以牺牲经济性（提高排烟温度）来保证机组运行的安全性，也仅在环境温度低或低负荷阶段投运，且自身易堵，若不设旁路，不投用时还会增加锅炉风侧阻力。该设备维护费用高，一旦泄漏会加剧空预器堵塞，由于提温空间有限，也仅能缓解硫酸造成的低温腐蚀问题，对硫酸氢铵沉积问题无能为力。
        3.1.3蒸汽吹灰
        采用高压蒸汽吹扫蓄热元件，需要损耗大量高品质蒸汽。一般采用定期吹灰的运行方式，吹灰存在死角，不易吹扫干净，且一旦堵塞形成并结成硬块，很难清除。同时，吹灰易折损蓄热元件寿命，蒸汽参数控制不当会造成蓄热元件卷边甚至破损。
        3.1.4蓄热元件镀搪瓷
        在普通蓄热元件表面镀一层搪瓷，起到防腐和抑制飞灰粘附的作用，该方法仅能缓解但不能解决空预器堵塞问题。同时，同普通蓄热元件相比，搪瓷元件传热系数较低，且搪瓷工艺复杂，故投资成本显著增加。
        3.2 新形势下防堵塞技术难点
        随着国家环保要求的进一步提高，对脱硝效率的要求也进一步提高，一般需达到90%以上才能满足超低排放标准要求，氨氮摩尔比的均匀性难以保证，极易出现局部氨氮摩尔比超过1.0的情况，导致氨逃逸率大的现象普遍存在，使得空预器的堵塞现象进一步凸显。同时，为了提高锅炉效率或降低机组运行成本，部分机组对空预器蓄热元件进行了加高或开始掺烧高硫煤，这都使得空预器的堵塞问题进一步加剧。上述传统防堵灰技术多以牺牲经济性为前提，故在保证锅炉效率的同时彻底解决空预器堵塞问题就显得尤为重要。
        4 热风逆流防堵的技术思路
        4.1 理论基础
        根据硫酸氢铵的特性可知，其在146~207℃时呈熔融状态，具有很强的粘性，而在其他温度范围内不具有该特性。同时，根据大量运行经验可知，短期内粘附在蓄热元件上的积灰可以通过加热等方法清除掉，而长期积灰会进一步反应、硬化，形成不可逆的堵塞。部分电厂在空预器堵塞后，对空预器进行整体升温试验，将排烟温度提升至170℃以上时，空预器阻力有明显下降趋势，但不能降至最初投运时的阻力水平。
        通过上述分析可知，高温可以实现空预器防堵，及时清理蓄热元件上的积灰对空预器防堵十分重要。故在冷端通过一股高温高流速的热风，通过高温气化和高流速携带的共同作用，将刚刚粘附的积灰清除，可以空预器的堵灰，实现其长期安全稳定运行。
        4.2 热风逆流位置选择
        热风逆流位置即防堵分仓通过改造冷端一/二次风扇形板实现，在靠近二次风侧延伸一块7.5~10°的扇形板，与原扇形板之间形成1.5~2.5°的喷风口。改造后冷端扇形板布置结构如图3所示。

        图3 冷端扇形板布置结构
        防堵分仓放置在该位置的优点是：该处不存在热风漏至烟气中而导致排烟损失增大的现象；同时，一/二次风扇形板下方离空预器主梁较远，在该位置通过热风不会导致主梁受热变形。
        4.3 热风的来源分析
        防堵热风可取自空预器热端漏风、热一次风母管或热二次风母管。采用热端漏风时，可以回收绝大部分的热端扇形板下的直接漏风，降低空预器漏风率，提高锅炉效率，但该系统较为复杂，需要对热端扇形板进行改造，并增加抽漏风风机；采用热一次风时，通过热一次风与二次风之间的压差形成自流防堵，该防堵系统简单，投资低，但需要一次风机有一定的裕量；采用热二次风防堵时，需要增加循环风机，但该风机较抽漏风风机能耗少，且不需要改造热端扇形板，系统复杂程度介于上述两个方案之间。
        5 应用案例分析
        5.1 应用机组概况
        某电厂4号机组采用美国福斯特•惠勒能源公司（FWEC）设计制造的350MW亚临界、一次中间再热、双拱型单炉膛W型火焰、平衡通风、固态排渣、露天布置、自然循环汽包型燃煤锅炉。机组设计燃用无烟煤，电厂投入商业运行后，运行过程中NOx排放浓度达到了1200~2100mg/Nm3。为满足超低排放要求，机组在常规SCR上游还配备了SNCR，脱硝效率需达到90%以上，氨逃逸率较大，空预器堵塞严重。
        防堵灰改造前，4号炉每次停炉期间进行高压水冲洗，空预器烟气侧压差可恢复至1.7kPa左右，但投运半个月后，满负荷烟气侧阻力即上升至2.5kPa以上，一般一个月后烟气侧阻力上升至3.5kPa，之后维持稳定。由于空预器阻力的大幅上升，不得不持续投运冷端蒸汽吹灰装置，冷端蓄热元件损坏严重。同时，由于空预器堵塞严重，风烟系统整体阻力增大，三大风机电流合计上升200A以上，炉膛供氧不足，引风机压头裕量不足，机组出力受限，满发时仅能达到320MW，已对4号机组的安全与经济运行造成了较大影响。
        5.2 系统与结构设计
        4号机组防堵灰改造逆流热风取自热一次风母管，本工程改造方案设计如图4所示。把热一次风直接引至冷端防堵分仓，热一次风从冷端由下而上独立流经蓄热元件，通过高温气化酸液和增强气体携带作用，清除蓄热元件积灰。
        由于考虑到热一次风引至二次风防堵，相当于把高压头的一次风降压使用，增加了一次风机和送风机的总电耗，因此，当空预器暂无堵灰倾向时，建议切断引入防堵灰分仓中的热一次风。为了充分利用防堵灰分仓所占蓄热元件的换热能力，切断热一次风时，在防堵灰分仓中直接通入冷二次风，即相当于恢复改造前的状态。

        图4 空预器防堵灰改造方案示意图
        5.3 主要设计参数
        热风取自热一次风母管，防堵分仓进口热风温度在300℃左右。为了保证防堵分仓内的热风有足够的流速携带走蓄热元件上粘附的硫酸氢铵与飞灰，防堵分仓进口热风流速设计值较高，在40m/s以上。
        5.4 投运效果分析
        热风逆流防堵灰系统投运后，4号炉空预器蒸汽吹灰频次明显下降，热端由原来的每天三次吹灰降至一次，冷端由原来的连续出吹降至每班一次吹灰，空预器阻力长期维持在高压水冲洗后刚投运时的水平上，没有出现明显增长现象。运行两个月后停机检查发现，冷端蓄热元件干净，能清楚看见原金属色泽，蓄热元件中间未见明显积灰，该系统防堵灰效果显著。
        6 小结
        超低排放改造后，空预器堵塞问题已成为燃煤机组的普遍问题，作为锅炉的重要辅机系统，空预器的安全经济运行直接影响机组的安全经济运行。采用热风逆流防堵技术，可以在较小的经济损失下，实现空预器的长期安全、稳定、经济运行。
        参考文献：
        [1] 李云东基于硫酸氢铵造成的空预器堵塞治理对策[J]。产业与科技论坛，2015，14：18