尹 進(jìn)

(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院 廣東 廣州 510663)

0 概述

燃煤機(jī)組對(duì)環(huán)境排放的污染物主要有二氧化碳（CO2）、硫的氧化物（主要是 SO2，少量SO3）、氮氧化物（主要是 NO、NO2以及少量的N2O）、粉塵。其中二氧化碳是所有石化燃料燃燒都會(huì)產(chǎn)生的廢氣，目前工業(yè)上還不能大規(guī)模收集和處理。而煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、粉塵已經(jīng)有成熟的工業(yè)技術(shù)可以進(jìn)行處理，其中二氧化硫可以通過(guò)吸收劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)固化，粉塵可以通過(guò)靜電、過(guò)濾等技術(shù)收集，氮氧化物可以通過(guò)催化劑的作用與反應(yīng)劑反應(yīng)，生成無(wú)害的氮?dú)猓∟2）和水（H2O）。

按照目前國(guó)內(nèi)正在報(bào)批的新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（二次征求意見(jiàn)稿），新建燃煤機(jī)組必須同步設(shè)置除塵、脫硫設(shè)備和脫硝裝置，NOx的排放濃度不得高于100mg/Nm3。新建燃煤機(jī)組的脫硝采用高含塵SCR工藝，減少機(jī)組的NOx排放量，達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。脫硝裝置布置在空氣預(yù)熱器上方，鍋爐煙氣從省煤器出來(lái)后進(jìn)入SCR裝置，經(jīng)過(guò)脫硝反應(yīng)器后再進(jìn)入空預(yù)器。

1 煙氣脫硝對(duì)空氣預(yù)熱器的主要影響

1.1 脫硝工藝中的主要化學(xué)反應(yīng)

氮氧化物在脫硝裝置內(nèi)主要有以下反應(yīng)：

在氮氧化物的還原反應(yīng)同時(shí)，煙氣中的SO2在催化劑的作用下，與煙氣中的O2、NH3發(fā)生以下反應(yīng)：

同時(shí)，煙氣中的SO3還和煙氣中的H2O發(fā)生以下反應(yīng)：

在脫硝的催化反應(yīng)器內(nèi)，希望催化劑能盡量提高（A1）～（A4）的反應(yīng)效率，以提高脫硝效率，但是催化劑效率提高的同時(shí)，也會(huì)提高（B1）～（B3）的反應(yīng)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成不良影響。

1.2 脫硝副產(chǎn)品的影響

在脫硝反應(yīng)器中，主要副產(chǎn)品是把煙氣中的SO2氧化為SO3，催化劑活性越強(qiáng)，產(chǎn)生的SO3副產(chǎn)品量越多。

在燃燒過(guò)程中燃料中的可燃硫大部分氧化成SO2，未脫硝前，SO3在煙氣含量極少。進(jìn)入脫硝催化反應(yīng)器后，在催化劑的作用下，SO2被煙氣中的O2氧化成SO3。雖然SCR工藝中整個(gè)反應(yīng)過(guò)程氨的摩爾比例是不過(guò)量的，但是在氨噴入反應(yīng)器后，在局部區(qū)域氨是過(guò)量的，煙氣中的SO3便與過(guò)量的氨發(fā)生（B2）和（B3）的反應(yīng)生成硫酸氫 銨（NH4HSO4）和 硫酸銨（（NH4）2SO4）。 其中硫酸氫銨（NH4HSO4）在溫度 180～230°C 時(shí)開始凝固，形成粘性極大的產(chǎn)物，在空預(yù)器的換熱元件上積聚，并且導(dǎo)致煙氣中的粉塵的附著在換熱元件上，形成嚴(yán)重的堵灰。由于硫酸氫銨粘性大，附著在換熱元件上后，一般的吹灰器無(wú)法清除，如果不采取有效措施，1～3個(gè)月后機(jī)組就會(huì)因?yàn)榭疹A(yù)器的阻力增加過(guò)大，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)的壓頭不足以克服而停機(jī)。

除了空預(yù)器阻力大幅度增加以外，由于積灰中含有硫酸氫銨（NH4HSO4）、硫酸銨（（NH4）2SO4），這兩種物質(zhì)都有極強(qiáng)的吸潮性，在空預(yù)器的低溫段會(huì)吸附水蒸氣和硫酸（H2SO4），在金屬表面上形成酸性的環(huán)境，對(duì)空預(yù)器造成嚴(yán)重的腐蝕而導(dǎo)致報(bào)廢。

2 空預(yù)器設(shè)計(jì)的優(yōu)化

雖然機(jī)組帶脫硝運(yùn)行會(huì)引起一系列的新問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)實(shí)踐摸索，電力行業(yè)內(nèi)已經(jīng)具有一定的經(jīng)驗(yàn)，采用一定的措施應(yīng)對(duì)這些新問(wèn)題。

由于機(jī)組帶脫硝裝置以后對(duì)空氣預(yù)熱器的運(yùn)行影響很大，因此必須對(duì)傳統(tǒng)的空氣預(yù)熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使空氣預(yù)熱器能適應(yīng)新的運(yùn)行工況。

2.1 空預(yù)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

脫硝反應(yīng)中的副產(chǎn)品是不可避免的，目前只能控制副產(chǎn)品的反應(yīng)率或生成量，空預(yù)器中銨鹽的積聚只是時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題。銨鹽在180～230℃時(shí)開始凝固，在溫度低于180℃的區(qū)域積灰最為嚴(yán)重，而這段區(qū)域處于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的中溫段和低溫段之間。即使是高壓的吹灰器，吹灰射流在通過(guò)低溫段以后，在中溫段和低溫段之間的檢修空間中壓力迅速衰減，射流到達(dá)中溫段時(shí)已經(jīng)沒(méi)有吹灰效果。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，采取的措施是重新設(shè)計(jì)空氣預(yù)熱器及其換熱元件的結(jié)構(gòu)，達(dá)到控制銨鹽積聚區(qū)和強(qiáng)化吹灰效果的目的。

2.1.1 增加低溫段高度

重新分配空氣預(yù)熱器各段受熱面，適當(dāng)加高低溫段的高度，減少中溫段的高度甚至取消中溫段，使低溫段入口的煙氣溫度盡量提高。這樣可以防止中溫段以及低溫段入口處銨鹽的積聚，控制銨鹽只在低溫段區(qū)域積聚，避免了問(wèn)題的復(fù)雜化。每個(gè)鍋爐廠的受熱面分配方案不完全相同，因此同樣的條件下，不同鍋爐廠的空氣預(yù)熱器的入口溫度都不完全相同，但是排煙溫度是基本相同的，所以可以從空氣預(yù)熱器的出口排煙溫度反向核算，得出低溫段的最小高度。空氣預(yù)熱器的低溫段高度至少要在1000mm左右，才能在大部分運(yùn)行負(fù)荷區(qū)域避免銨鹽在低溫段以上積聚。但是低溫段高度超過(guò)1.2～1.6m以后，受鍋爐鋼架以及檢修空間的限制，低溫段換熱元件更換時(shí)非常不方便。因此低溫段的高度需有一個(gè)合適的范圍，要兼顧檢修的要求。

對(duì)于一個(gè)具體工程，帶SCR脫硝裝置運(yùn)行的機(jī)組，在低溫段高度已經(jīng)滿足的前提下，空氣預(yù)熱器內(nèi)部采用2段式(高溫段、低溫段)還是3段式(高溫段、中溫段、低溫段)，要根據(jù)空氣預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度的要求，計(jì)算出需要的換熱面積再?zèng)Q定。

2.1.2 優(yōu)化換熱元件的板型

調(diào)整空氣預(yù)熱器各段的換熱元件高度，是銨鹽只在低溫段沉積，空氣預(yù)熱器的高溫段和中溫段都可以采用常規(guī)成熟的設(shè)計(jì)方案。低溫段由于存在銨鹽沉積區(qū)，不能再采用以前的設(shè)計(jì)方案，而要重新設(shè)計(jì)換熱元件的板型，以便于吹灰。

以往常規(guī)設(shè)計(jì)的低溫段換熱元件采用預(yù)壓有波形的鋼板，煙氣流過(guò)波形板的時(shí)候產(chǎn)生紊流，強(qiáng)化換熱效果，減少材料的消耗量。當(dāng)空氣預(yù)熱器存在銨鹽沉積區(qū)后，低溫段要采用平板形元件，煙氣流過(guò)的時(shí)候?yàn)閷恿鳎瑴p輕積灰的工況。而且換熱元件每個(gè)煙氣流通單元要封閉，這樣的板型吹灰介質(zhì)流過(guò)的時(shí)候壓力衰減最小，可以保證吹灰射流貫通整個(gè)低溫元件，強(qiáng)化吹灰效果。

低溫段換熱元件的板型采用平板形后，換熱效果有一定程度的下降，鍋爐的排煙溫度會(huì)提高，導(dǎo)致鍋爐效率下降。如要保證鍋爐的效率不變，空氣預(yù)熱器的換熱面積要增加。雖然設(shè)備的制造成本有一定的增加，但是在保證鍋爐效率不變的前提下明顯的減輕空預(yù)器堵灰的情況，有利于機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 低溫段采用搪瓷防腐蝕

通過(guò)改進(jìn)空預(yù)器的結(jié)構(gòu)可以控制銨鹽的沉積區(qū)只發(fā)生在低溫段，減輕銨鹽沉積所帶來(lái)的影響。但是銨鹽在低溫段的沉積還是客觀存在的現(xiàn)實(shí)，在沉積區(qū)還是會(huì)發(fā)生金屬腐蝕。為了減輕腐蝕，空氣預(yù)熱器的低溫段要采取有效的防腐措施。以往燃用硫分較高煤種的機(jī)組低溫段一般采用耐侯鋼(如考頓鋼等)作為防腐措施，而且效果很明顯。當(dāng)機(jī)組帶脫硝運(yùn)行后，由于硫酸類銨鹽和微量濃硫酸(主要由煙氣中的SO3生成)的作用，腐蝕機(jī)理和腐蝕速度已經(jīng)不同，一般的耐侯鋼已經(jīng)不能滿足要求。

為了減輕腐蝕，帶脫硝裝置運(yùn)行的機(jī)組目前最有效的辦法就是對(duì)低溫段換熱元件進(jìn)行鍍搪瓷處理。經(jīng)過(guò)鍍搪瓷后，一方面把金屬和腐蝕性物質(zhì)隔離，另一方面搪瓷光滑的表面可以減少積灰并有利于吹掃。

空氣預(yù)熱器的低溫元件工作條件比較惡劣，在負(fù)荷變化時(shí)有熱應(yīng)力的存在，另外還要接受粉塵和吹灰介質(zhì)的沖刷和磨損，所以搪瓷的工藝要求較高，搪瓷層要有一定的厚度保證使用壽命，還要控制搪瓷層的微孔和裂紋。如果搪瓷層的微孔和裂紋達(dá)不到控制的工藝要求，一旦煙氣從這些地方滲入，腐蝕低溫?fù)Q熱元件的金屬基材，會(huì)引起附近的搪瓷層開裂或者脫落，引起連鎖反應(yīng)。本文建議采用質(zhì)量較好的搪瓷材料（歐美或日本進(jìn)口），嚴(yán)格控制搪瓷的工藝。

2.3 采用新式吹灰器

由于硫酸氫銨有較強(qiáng)的粘性，一般的蒸汽吹灰器或者壓縮空氣吹灰器不能有效的吹掃，所以空氣預(yù)熱器的冷端吹灰器要采用雙介質(zhì)吹灰器，平時(shí)運(yùn)行時(shí)采用蒸汽噴吹進(jìn)行清掃，當(dāng)空氣預(yù)熱器進(jìn)出口的差壓增加，積灰情況開始嚴(yán)重，蒸汽吹掃已經(jīng)不能有效清除的時(shí)候，就要采用高壓水噴吹進(jìn)行在線清洗。一般經(jīng)過(guò)高壓水在線清洗后，空預(yù)器的阻力可以迅速回落到正常的水平。

3 建議運(yùn)行中采取的措施

通過(guò)對(duì)空氣預(yù)熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以最大限度的減輕脫硝反應(yīng)副產(chǎn)品對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響，在運(yùn)行過(guò)程中還可以采取措施進(jìn)一步減輕空預(yù)器堵灰的情況。

首先，要控制硫酸氫銨的生成，從源頭上控制空氣預(yù)熱器堵灰。在機(jī)組調(diào)試時(shí)要盡量使氨噴射格柵分配均勻，減輕局部氨過(guò)量的情況。在運(yùn)行過(guò)程中要注意氨逃逸率的控制，當(dāng)裝置的脫硝效率明顯下降的時(shí)候，及時(shí)更換催化劑，而不能增加噴氨量來(lái)提高脫硝效率。

第二，空氣預(yù)熱器要定時(shí)吹掃。積灰過(guò)程是一個(gè)逐步加劇的過(guò)程，在積灰剛發(fā)生還沒(méi)有擴(kuò)大的時(shí)，及時(shí)的吹掃可以控制積灰情況的惡化。

4 結(jié)論

4.1 通過(guò)優(yōu)化空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)，可以從設(shè)計(jì)上減輕機(jī)組帶脫硝運(yùn)行時(shí)堵灰的情況。

4.2 空氣預(yù)熱器的低溫段要采用高質(zhì)量的搪瓷工藝，減輕腐蝕情況。

4.3 采用雙介質(zhì)吹灰器，在堵灰嚴(yán)重的情況下采用高壓水在線沖洗，可以使空預(yù)器煙側(cè)的阻力迅速降低到正常水平。

4.4 合理的運(yùn)行方式可以減少硫酸氫銨的生成，減緩空預(yù)器堵灰。