王忠寶

(廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 臺山 529200)

0 引言

國家環(huán)保要求日益嚴格，火力發(fā)電廠脫硫脫硝面臨著更加嚴格的要求。但伴隨著各火力電廠相繼加裝脫硝裝置以后，空氣預熱器(回轉式)堵塞的問題變得更加突出。而空氣預熱器堵塞給各火力發(fā)電廠帶來了極大的安全隱患及經濟損失。因此，空氣預熱器的防堵問題成為火電廠迫切需要解決的實際問題。但空預器堵塞過程受很多因素共同影響，因此，針對空氣預熱器運行過程發(fā)生堵塞這一問題的關鍵在于研究和分析空氣預熱器的堵塞機理。

本文通過對比某電廠的空氣預熱器堵塞積灰前后相應的數據變化，分析堵塞后從數據上表現(xiàn)出的現(xiàn)象，結合對換熱元件灰垢的取樣分析，深層次的分析了空氣預熱器堵塞的機理和帶來的后果，并且基于對機理和現(xiàn)象的分析得出了應對空氣預熱器堵塞問題的幾種解決方案，并分別對每種方案進行分析，對比各種方案的利弊。結果表明：空氣預熱器循環(huán)風防堵的方案更可行、可靠。

1 某電廠空氣預熱器運行狀況

相比較其他空氣預熱器，回轉式空預器由于結構緊湊，換熱效率較高，所以大型火電廠通常采用回轉式空預器。但是，回轉式空氣預熱器堵灰問題是各大火電廠自從加裝脫硝裝置以后所面臨的普遍存在問題，某電廠3號機組自2015年1月經過SCR脫硝改造后，僅運行3個月，該機組的空氣預熱器產生較為明顯地堵塞，這直接引發(fā)以下幾點連鎖反應：

(1)流道阻力上升，風機耗功增加

該電廠3號機組在1月份完成脫硝系統(tǒng)改造，加裝脫硝裝置后，從2015年1月底機組開始正常運行，從1月至4月運行這期間，空預器在570 MW負荷時，A側的一次風差壓從1.15 kPa升高到2.30 kPa，二次風壓差從1.4 kPa升高至1.9 kPa；而B側一次風壓差從0.9 kPa升高至1.9 kPa，二次風壓差從1.50 kPa升高至1.95 kPa。從以上數據可以明顯看出一、二次風壓差都有明顯升高，反映出空預器流道阻力上升，這會影響機組帶負荷能力，而風機為滿足風量也必然提高風機出力，導致風機耗功增加。分析其原因是由于空預器發(fā)生了堵灰現(xiàn)象，增加了流道的阻力。對比3號機組不同負荷時三大風機電流變化情況見表1。

空器預熱器堵塞后3號機組負荷最大帶至420 MW，若再增加機組負荷則風機出力已無法滿足爐內穩(wěn)定燃燒要求。

(2)換熱惡化，排溫升高

當空氣預熱器換熱元件表面覆蓋一層灰后，使得換熱元件的換熱系數急劇降低，導致煙風和空預器內換熱元件換熱惡化，甚至在堵塞嚴重區(qū)域，換熱遠近幾乎不參與換熱，相當于縮小了空預器整體換熱面積，這大大降低了空預器的換熱能力，偏離原本的設計要求，最后還會導致出口排溫升高。詳見表2。

表1 2015年3號機組空預器堵塞前后三大風機電流對比表

項目空預器堵塞前空預器堵塞后3.27 16:403.21 22:523.30 6:184.15 11:385.4 16:004.28 5:55負荷/MW550450300550450300一次風機A電流/A130121100128116105一次風機B電流/A132124103130118107送風機A電流/A9071581059163送風機B電流/A9073601079061引風機A電流/A290243207306258230引風機B電流/A294247207313266209增壓風機電流/A417311260433428284

表2 空氣預熱器堵塞前后排煙溫度對比表

(3)鍋爐壓力波動較大

空氣預熱器在不斷旋轉中，堵灰區(qū)域的位置不斷移動，造成風道的阻力不斷變化，從而導致了鍋爐爐膛內的壓力波動，正常情況下，爐膛內處于負壓燃燒狀態(tài)，一旦波動到正壓，就會直接影響爐膛內的安全燃燒。3號機組空氣預熱器發(fā)生堵塞前爐膛負壓波動幅值遠小于空氣預熱器堵塞后。在前后對比中，空氣預熱器堵塞前爐膛負壓波動頻率明顯小于空氣預熱器堵塞后?？諝忸A熱器堵塞前爐膛負壓波動一般在-50～200 Pa間，空氣預熱器堵塞后負壓波動范圍在-100～500 Pa，這會嚴重危及爐內燃燒安全。

(4)漏風量增加

當3號機組空氣預熱器發(fā)生堵灰之后，由于阻力的增大，若想維持原有的送風量，必須提高送一次風機的出口壓頭，也必須對應地降低引風機的入口壓頭，導致空氣側的壓力愈高，煙氣側壓力愈低，兩側的壓差變大，使得空氣預熱器的漏風更加嚴重。3號機組自1月空氣預熱器柔性密封改造完成，測試漏風率A側2.69%、B側5.49%，平均漏風率4.09%。運行至4月后空氣預熱器漏風率A側10.40%,、B側12.75%,平均漏風率11.58%。前后對比空氣預熱器漏風率增大7.49%，空氣預熱器漏風率明顯增大。

2 空氣預熱器堵塞機理分析

我們對該電廠3號機組空氣預熱器冷端換熱元件灰垢進行了取樣分析，分析如下：

2.1 灰垢取樣成分分析

提取一定量的灰樣于容器中，使灰樣放置于干燥箱中干燥2 h，冷卻到25℃，通過計算可得灰樣含水量為15.85%。然后繼續(xù)對灰樣以15℃/min的加熱速率加熱，使灰樣溫度達到500℃，保持0.5 h，然后繼續(xù)以15℃/min的加熱速率加熱，使加熱溫度達到815℃，在此溫度下保持1 h，最后冷卻到25℃。經過上述的處理后，樣本從原來的灰黑色變成了土黃色。通過分析對比，樣品在干燥后平均燃燒損失率達到49.0%，灼燒的質量損失超過了59%。由此可知，原始灰樣在燃燒過程中所釋放的元素主要是由S、N、H和O元素構成。

通過使用Jade5.0，將初始灰樣與標準的礦物質卡片對比得出，灰樣的主要成分有硫酸銨、銨明礬、二氧化硅、硫酸鈣以及二水合硫酸鈣等晶體。除去N、H和S元素外，灰樣其他成分質量占比約78%，原始灰樣的XRD圖譜見下圖1所示。

圖1 空預器冷端換熱元件表面原始灰樣XRD圖譜

通過分析結渣位置，得出結論N元素主要來源于SCR反應器的出口處逸散出去的氨氣，發(fā)現(xiàn)這一問題，主要是通過分析灰樣中的硫酸銨的含量占比較高。NOx排放量的減少主要通過加入較高比例的還原劑，但是這樣卻會導致氨氣的大量逸散。

另外，增設催化劑的層數(第三層或者第四層)會導致煙氣中的SO3濃度上升。一般情況，銨鹽不會融化黏附，主要應為硫酸銨的熔點很高。但是如果煙氣的溫度驟降，其中的水蒸氣就會增加，硫酸銨溶于水就會容易附著于受熱壁。

硫酸鋁的形成是因為灰顆粒中的鋁結晶礦物質，在溫度驟降的情況下，硫酸霧濃度上升，兩者相互化學反應，然后這些硫酸鋁就黏附在了催化劑表面。然后因為水蒸氣的原因導致硫酸銨和硫酸鋁形成硫酸鹽二聚物，這就是灰樣中的銨明礬。硫酸鈣來源于燃燒過程。

2.2 灰樣的微觀形貌

通過對原始灰樣進行微觀分析，可以得到圖2，從圖中可以看到其中的亞微米球形顆粒被一些絮狀物包裹形成了更大的顆粒。這些絮狀物主要是硫酸鹽組成的，由于在煙氣溫度驟降的情況下，水蒸氣增加導致小顆粒灰分黏附在了壁面上，將圖2中所選取得區(qū)域進行DES元素分析，得到結果見圖3。通過圖3可以得出結論，圖2所分析的區(qū)域有S和N元素的存在，這一結果恰恰證明了硫酸鹽的存在。

圖2 原始灰樣顆粒微觀形貌

圖3 原始灰樣EDS元素分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，氨氣的逸散是導致分機葉片表面硫酸鹽積累的主要原因之一，造成氨氣逸散主要有以下幾個原因：

(1)進口煙氣中含有大量的NOx，為了降低出口煙氣中的NOx濃度從而增加噴氨量；

(2)常規(guī)空氣預熱器中硫酸氫銨沉降區(qū)；

(3)進口的煙氣中NOx含量分布不均勻，可能出現(xiàn)局部的NOx含量偏高，而偏高的NOx信號反饋至脫硝控制系統(tǒng)將會造成噴氨量增多；

(4)鍋爐運行出現(xiàn)變工況時，脫硝系統(tǒng)的噴氨量控制調節(jié)無法及時響應變工況，從而造成氨逃逸量增大；

(5)脫硝系統(tǒng)的噴氨格柵出現(xiàn)泄漏；

(6)催化劑的使用時間較長或已損壞、堵塞，導致其活性下降；

(7)不能準確及時的監(jiān)測氨氣逃逸率。

其次，由于空預器冷端管壁溫度范圍通常為60～70℃，低的可能在45～60℃，因此，當排煙溫度過低時將使得煙氣含水量提高，然后與SO3產生了硫酸酸霧，并附著在灰粒的表面，增加了灰粒的粘附力，加劇了灰粒在空預器冷端管壁的沉積，然后在長時間的運行過程中積累成較為嚴重的灰垢。

3 基于機理的空氣預熱器防堵對策

3.1 高低硫燃煤合理摻混保證硫含量

將不同硫含量的煤按一定比例購進，然后將不同硫含量的燃煤進行合理摻混，保證進入爐膛的燃煤硫含量保持在1.49%以下，再結合煙氣脫硫工藝，降低硫酸氫氨的生成量。

3.2 合理吹灰操作，保持空預器換熱元件清潔

通過監(jiān)測空氣預熱器的差壓變化情況，反映空預器的積灰程度，以此作為吹灰操作的依據，合理調整吹灰次數。當出現(xiàn)差壓較大時，可進行連續(xù)吹灰操作。另外，省煤器的吹灰裝置也應保持正常投運，可減少空預器末端積灰，降低流道阻力。

3.3 利用高壓水沖洗空氣預熱器

在遇到某些特殊情況，例如積灰明顯嚴重，差壓過大，影響機組帶負荷能力，電廠運行人員可考慮在停機檢修時利用高壓水對空預器進行沖洗操作。沖洗時要注意沖洗方向，先自下而上沖洗，然后自上而下沖洗，防止灰垢淤積在換熱元件間隙。當沖洗完成后保持自然晾干，或者強制通風吹干。在線使用高壓沖洗水系統(tǒng)，一般設定壓力不低于25 MPa，在如此高的壓力下對空預器蓄熱元件及密封損壞較大。

通過某廠在線高壓沖洗的調研中得知：頻繁使用在線高壓水沖洗直接導致蓄熱元件損壞、徑向密封失效，元件損壞形成碎片堵塞空預器流通通道，導致密封失效，從而使得空預器漏風率急劇增大?？疹A器漏風率的增大導致機組運行中爐膛負壓的波動變大，鍋爐燃燒不穩(wěn)，風量加大電耗增加，風機運行失速現(xiàn)象發(fā)生；同時頻繁投入高壓沖洗水，使得煙氣中帶水，煙道內部積灰板結及煙道腐蝕加劇，電除塵效率降低等問題，嚴重影響系統(tǒng)的安全、經濟運行。

3.4 進行空氣預熱器蓄熱元件改造

在對某廠空氣預熱器的換熱元件進行拆解查看空預器內部的部分換熱元件覆蓋了一層灰垢，另外，在一些倉格中可以發(fā)現(xiàn)傾斜倒伏的現(xiàn)象。因此，該電廠經過分析評估決定對空預器的換熱元件進行改造，選擇流通通道更大且為直道的波紋形式，并將冷端蓄熱元件全部采用鍍搪瓷工藝。機組啟動后，在額定工況下，空氣預熱器的煙氣側差壓下降至0.6 kPa，排煙溫度降低了20℃，引風機電流下降30 A，空預器出口一、二次風溫度也在合理的范圍內，但運行一段時間后空預器又再次出現(xiàn)堵灰現(xiàn)象，并未徹底解決空預器存在的堵灰問題。

3.5 冷風加裝暖風器

鍋爐暖風器的工作原理是利用汽輪機低壓抽汽來加熱空預器的進口空氣。鍋爐暖風器安裝在送風機的出口與空預器的入口之間，所以又可以稱其為前置式空預器。加裝暖風器之后，提高了進入空預器的空氣溫度，空預器壁溫升高，可以有效防止低溫腐蝕。采用鍋爐暖風器后，空預器的傳熱溫差減小，因此鍋爐排煙溫度升高，鍋爐熱效率下降。暖風機改造系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 暖風器改造系統(tǒng)示意圖

在機組啟動階段，暖風器的熱源是輔助蒸汽，對一二次風進行加熱，當處于常規(guī)運行過程中，將抽汽點切至汽輪機四級抽汽點。汽輪機四級抽汽點出來的蒸汽，通過進口調節(jié)閥進入暖風器的兩側，而蒸汽凝結的疏水排放至疏水箱，通過下面的疏水泵輸送至5號低壓加熱器或凝汽器中。

暖風器的加熱原理與傳統(tǒng)加熱器原理類似，在蒸汽凝結過程中通常會積聚部分難融氣體。為了防止這些氣體積聚對疏水正常的影響，通過加設包含節(jié)流孔板的排氣管路，使得凝汽器與排氣管路相連。當暖風器正常運行時保證排氣管路排氣順暢，來確保暖風器輸水正常，提升暖風器的運行效率。

整個暖風器的設備較為簡單，結構緊湊，不需另加煙道，可通過調節(jié)開度大小控制空預器冷空氣入口溫度。

由于暖風器加熱原理為利用熱蒸汽加熱冷空氣，運行時主要存在以下缺點：

(a)由于安裝在風道中，且結構緊湊，增加了風道的阻力，尤其是夏季暖風器不投入運行時，空氣也要流經暖風器，提高了一、二次風機的耗電量；

(b)暖風器容易發(fā)生漏泄，如果暖風器泄漏的汽、水帶入空預器之后，加速腐蝕和堵灰，更影響到鍋爐的燃燒效率。

(c)暖風器的加熱源為熱蒸汽，這使得機組耗費了用于做功的高溫蒸汽，并且投運暖風器后對排煙溫度有一定影響，使得整個機組的運行效率降低，造成一定的經濟損失。

3.6 空氣預熱器循環(huán)風防堵

在空預器的冷端選擇一個溫度較低位置，在該位置增設一個循環(huán)風分倉與循環(huán)風機，驅動熱風在風道內不斷循環(huán)。冷風在空預器熱端吸收熱量，變成大約290℃的熱風，然后通向空預器冷端進行換熱，加熱冷端溫度較低金屬，這相當于增加一個換熱過程來減少了空預器冷端金屬溫度分布不均。降低空預器局部溫度太低的現(xiàn)象。

風機調節(jié)采用變頻調節(jié)，可根據環(huán)境溫度及空預器冷端加裝的紅外測點所測得的元件溫度的高低進行風量調節(jié)，滿足冷端蓄熱元件加熱前提下盡量降低風機電耗。首先，熱量來源是自身產生的熱風，該方法不需要靠其他外部熱源來加熱局部蓄熱元件，滿足能量最優(yōu)使用；其次，被加熱的位置是連接煙氣側的蓄熱元件，該位置如果溫度較低很容易結露從而導致堵塞，專門提升該位置蓄熱元件的溫度，不僅能降低堵塞，也不需要使用過多的熱量去提升整個冷端溫度，間接地降低了對排煙溫度的影響，同時單獨的分倉格有利于熱量集中。

4 結論

綜合以上防堵對策分析得出以下結論：

(1)嚴格把控燃煤摻配環(huán)節(jié)，合理控制入爐煤的含硫量。由于現(xiàn)階段各電廠購煤緊張，嚴格控制來煤質量存在購不到煤的困難。

(2)加強空預器吹灰工作及加裝高壓沖洗水。兩者措施路線旨在通過機械方式去除已生成的灰垢，給機組運行帶來諸多負面影響直接危及機組安全、經濟的運行并屬于后期治理措施，未能從根本上進行防治。

(3)進行空預器蓄熱元件改造，空預器出口一、二次風溫度恢復至合理范圍內，但運行一段時間后空預器再次出現(xiàn)堵灰現(xiàn)象，并未徹底解決空預器堵灰問題。

(4)冷風加裝暖風器，增加了風道的阻力，尤其是夏季暖風器不投入運行時，空氣也要流經暖風器，提高了一、二次風機的耗電量；暖風器容易發(fā)生漏泄，如果暖風器泄漏的汽、水帶入空預器之后，加速腐蝕和堵灰，更影響到鍋爐的燃燒效率；暖風器的加入對排煙溫度影響較大，降低了整個機組的運行效率，造成大量的經濟損失。同時冷端溫度提升幅度較小，防治效果不明顯。

(5)空預器循環(huán)風防堵，此技術著實從堵灰機理著手，選擇冷端溫度最低點進行溫度提升，從本質上防止NH4HSO4形成；其次循環(huán)風機增壓后的熱風對元件本身具有一定沖刷作用，可以同時去除元件表面所形成的灰垢。通過某廠改造結果顯示，該技術已取得明顯成效，同時改造后帶來了可觀的經濟效益。相較其余五種措施技術，空氣預熱器循環(huán)風防堵更可行、可靠。