劉 康

（邢臺國泰發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邢臺054000）

隨著環(huán)保要求的提高，火力發(fā)電廠的電站鍋爐需要進(jìn)行脫硝設(shè)備改造，脫硝設(shè)備一般采用氨作為脫硝反應(yīng)劑，采用催化劑加速煙氣中的S 和NH3進(jìn)行反應(yīng)，為了保證脫硝效率，一般采用過量噴氨的方式，這就產(chǎn)生了過量的氨逃逸，逃逸的氨和鍋爐煙氣中的硫酸物質(zhì)反應(yīng)生成硫酸氫銨，在146~207℃范圍內(nèi)，硫酸氫銨一般為液態(tài)物質(zhì)，此溫度區(qū)域正處于鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）換熱元件部位，換熱元件由密密麻麻的波紋板軋制而成，而液態(tài)的硫酸氫氨容易沾附鍋爐煙氣中的飛灰形成粘性易堵物質(zhì)，該易堵物質(zhì)會沾附在換熱元件波紋板上，逐漸累積板結(jié)，形成頑固積灰導(dǎo)致回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的堵塞。此外SCR 脫硝裝置隨著脫硝催化劑的老化，會致使氨逃逸率升高，同樣會引起鍋爐尾部空氣預(yù)熱器設(shè)備的堵塞，給電廠的安全運行帶來影響。

1 空預(yù)器脫硝堵塞問題的原因

空預(yù)器堵塞在我國火電機組中不是一個新問題，與煙氣里的SO3關(guān)系很大。我國燃煤電站裝機容量較大，電站鍋爐燃用煤質(zhì)中含硫量0.3%~6%不等，燃煤在鍋爐內(nèi)燃燒過程中會產(chǎn)生SO3，所產(chǎn)生的SO3的量可以從低硫煤的幾個ppm 到高硫煤的30~40ppm，甚至更高，圖1 為某電廠實測的爐膛出口SO3濃度與燃煤含硫量的關(guān)系，煤種的含硫量越高，則SO3的生成量也越大。

圖1 燃煤含硫量與生成SO3 量關(guān)系

同時，受環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)控制，許多燃煤電廠安裝了SCR系統(tǒng)，用于對燃燒產(chǎn)生的NOx進(jìn)行脫除以滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對NOx排放濃度的要求。SCR 技術(shù)的投用也會增加煙氣中SO3的總量，催化劑催化NOx與NH3（氨）反應(yīng)被還原成氮氣和水的同時，一小部分的SO2會被氧化成為SO3。由于脫硝裝置所采用的催化劑不同，所以SO2被氧化的比例在0.4%~2.2%范圍內(nèi)變化。同樣，SO3的產(chǎn)生也和催化劑相關(guān)，根據(jù)美國燃煤火電廠國家實驗室數(shù)據(jù)來看，鍋爐煙氣中產(chǎn)生的SO2大約有2%會被繼續(xù)氧化生成SO3，而易于氧化的催化劑會使SO3的生成量加倍提高。圖2所示為煙氣流動過程中SO3的形成過程。

圖2 煙氣流動過程中SO3 的形成過程

煙氣中的SO3是導(dǎo)致空預(yù)器堵塞的主要原因，SO3和煙氣中的H2O 結(jié)合生成硫酸，硫酸進(jìn)一步和逃逸的氨結(jié)合生成硫酸氫氨，這兩種物質(zhì)在空預(yù)器中均呈現(xiàn)液態(tài)，易吸附飛灰，沾污空預(yù)器換熱元件波紋板，其生成反應(yīng)分為以下兩類。

（1）SO3和煙氣中的H2O 蒸汽生成H2SO4，當(dāng)空預(yù)器冷端換熱元件金屬溫度低于煙氣中H2SO4的露點溫度，就會出現(xiàn)了硫酸（H2SO4）結(jié)露的情況，結(jié)露的硫酸一方面腐蝕空預(yù)器蓄熱元件，使其不再光滑，容易沾灰；另一方面結(jié)露的硫酸呈液態(tài)附著在壁面上，使沾灰的情況加劇，造成空預(yù)器堵塞。針對這項問題，主機廠家經(jīng)驗較為豐富，在設(shè)計時已有考慮，一方面通過設(shè)計煤質(zhì)計算煙氣酸露點，通過換熱計算控制煙氣溫度高于酸露點之上，同時配有暖風(fēng)器，在風(fēng)溫較低時提升煙溫避免出現(xiàn)結(jié)露的情況；另一方面新建機組或近期改造空預(yù)器冷段多采用鍍搪瓷蓄熱元件，避免硫酸（H2SO4）結(jié)露后出現(xiàn)的腐蝕和沾灰的情況。硫酸（H2SO4）結(jié)露這種原因造成的空預(yù)器堵塞問題已基本被現(xiàn)有技術(shù)解決了。

（2）煙氣中SO3在生成硫酸后，硫酸進(jìn)一步和脫硝裝置逃逸的氨進(jìn)行反應(yīng)，生成硫酸氫氨（NH4HSO4，或稱ABS）。另一種因SO3造成的堵塞就和ABS 有關(guān)，它是SO3與NH3反應(yīng)生成的，這種形式的空預(yù)器堵塞在燃煤電廠進(jìn)行脫硝改造后才大范圍出現(xiàn)。如前面所述，為實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，降低NOx濃度，許多燃煤電廠裝設(shè)了SCR 系統(tǒng)，由于流場不均勻、反應(yīng)不充分等原因，SCR 系統(tǒng)的氨（NH3）逃逸是無法避免的，因此SCR 后煙氣中SO3和NH3是同時存在的，在不同的溫度區(qū)間和不同的濃度分布情況下可能存在的反應(yīng)如下：

由反應(yīng)式（1）~（5）可知，SO3和NH3反應(yīng)生成物主要有兩種：硫酸銨（（NH4）2SO4，或稱AS） 和硫酸氫銨（NH4HSO4），主要取決于NH3/SO3摩爾比。當(dāng)NH3/SO3摩爾比大于2.2 時，主要生成硫酸銨物質(zhì)，在空預(yù)器的運行溫度較高時，硫酸銨為干燥固體粉末，粉末可以隨煙氣直接帶走，這對空預(yù)器影響很小，而隨著運行溫度的降低，生成的硫酸氫氨呈現(xiàn)液態(tài)，液態(tài)硫酸氫銨是一種粘性很強的物質(zhì)，很容易在空預(yù)器沉積，它易于沾附鍋爐煙氣中的飛灰，形成粘結(jié)物，粘結(jié)物進(jìn)而沾污空預(yù)器蓄熱元件波紋板，逐層板結(jié)后形成頑固積灰，使空預(yù)器排煙溫度升高，阻力升高（最高可升至近4000Pa）造成空預(yù)器堵塞。目前設(shè)計要求是將氨逃逸控制在2~3ppm 以內(nèi)，而燃燒生成加上SCR 催化后煙氣中SO3的濃度普遍在10ppm 以上，因此SO3和NH3反應(yīng)生成物多為硫酸氫銨（NH4HSO4）。圖3 為NH3/SO3摩爾比對硫酸氫銨和硫酸銨形成的影響。

圖3 NH3/SO3 摩爾比對硫酸氫銨和硫酸銨形成的影響

逃逸的氨和煙氣中的三氧化硫反應(yīng)生成硫酸氫銨，硫酸氫銨在146~207℃范圍內(nèi)呈現(xiàn)液態(tài)，液態(tài)硫酸氫銨會粘結(jié)煙氣中的飛灰，沾污在空預(yù)器中下層元件處（如圖4 所示），空預(yù)器在運行一段時間后極易發(fā)生堵塞，目前國內(nèi)機組的實際使用情況表明，對于堵塞的空預(yù)器，在線很難將堵塞物完全清除（如圖5 所示），只能停爐清洗。在線主要依靠加強吹灰參數(shù)、吹灰頻率的措施來控制空預(yù)器阻力，這將引起送引風(fēng)機電流升高，排煙溫度升高，漏風(fēng)率升高，嚴(yán)重時影響機組帶負(fù)荷，所以空預(yù)器防堵問題是目前國內(nèi)機組普遍存在并急需解決的嚴(yán)重問題。

圖4 傳熱元件層邊緣積灰效應(yīng)

圖5 冷端蓄熱元件堵灰情況

2 熱風(fēng)清洗技術(shù)原理

硫酸氫銨是一種酸式鹽，是一種離子化合物，由硫酸氫根離子和銨根離子組成，英文名稱：Ammonium Hydrogen Sulfate。分子式：NH4HSO4，分子量：115.10。理化性質(zhì)：白色結(jié)晶，相對密度1.78，溶于水，微溶于乙醇，不溶于丙酮。硫酸氫銨：NH4HSO4，是酸式鹽，水溶液強酸性。硫酸氫銨受熱易分解的化學(xué)方程式：溫度不太高時，硫酸氫銨受熱分解為：NH3，H2SO4（若高溫400℃以上，H2SO4則分解為SO3和H2O）。所以硫酸氫銨受熱：NH4HSO4→加熱（200℃左右）→NH3H2SO4。

技術(shù)原理為：利用液態(tài)硫酸氫氨受熱易分解的特性，通過熱風(fēng)清洗管道將空預(yù)器出口熱一次風(fēng)引出，經(jīng)調(diào)節(jié)門調(diào)整至合適流量后從空預(yù)器二次風(fēng)冷端引入，在空預(yù)器冷端二次風(fēng)側(cè)新增一塊隔離扇形板，利用該隔離扇形板和空預(yù)器二次風(fēng)側(cè)與煙氣側(cè)之間的主扇形板形成清洗風(fēng)倉，將熱一次風(fēng)引入該風(fēng)倉內(nèi)，利用一次風(fēng)和二次風(fēng)之間的壓力差作為動力進(jìn)行循環(huán)，不需要新增風(fēng)機設(shè)備，使熱風(fēng)從下往上逆流吹掃空預(yù)器換熱元件波紋板。利用熱風(fēng)的高溫使該清洗分倉內(nèi)的溫度場迅速提高，蒸發(fā)清洗分倉內(nèi)的液態(tài)硫酸氫氨，同時利用熱風(fēng)的高流速對空預(yù)器換熱元件波紋板上攜帶的飛灰進(jìn)行24 小時不間斷地沖刷吹掃。通過蒸發(fā)液態(tài)硫酸氫氨和吹掃浮灰，實現(xiàn)防止空預(yù)器堵塞的效果。

3 熱風(fēng)清洗技術(shù)應(yīng)用方案

總體技術(shù)方案為：利用一次風(fēng)和二次風(fēng)之間的壓力差作為循環(huán)動力，在空預(yù)器冷端二次風(fēng)側(cè)新增隔離桁架和隔離扇形板，形成一個2.5°的清洗分倉，然后在空預(yù)器出口的熱一次風(fēng)管道上抽取熱風(fēng)，通過管道引入清洗分倉內(nèi)，提高清洗分倉內(nèi)的溫度到230℃（硫酸氫銨液態(tài)結(jié)露溫度為207℃，設(shè)計考慮23℃的溫度余量），使液態(tài)硫酸氫氨受熱分解，空預(yù)器熱端部位的殼體、桁架、扇形板、煙風(fēng)道接口等設(shè)備均無需改造?？梢岳靡淮物L(fēng)和二次風(fēng)之間的壓力差作為循環(huán)動力，因此不需要增設(shè)風(fēng)機設(shè)備。其設(shè)備布置如圖6 所示。

圖6 設(shè)備布置圖

以空預(yù)器旋轉(zhuǎn)方向為煙氣→二次風(fēng)→一次風(fēng)為例，換熱元件波紋板在空預(yù)器煙氣側(cè)受熱，當(dāng)換熱元件轉(zhuǎn)入二次風(fēng)側(cè)時，金屬波紋板被冷風(fēng)冷卻，波紋板上附著的液態(tài)硫酸氫氨和飛灰等易堵物會沾污波紋板更牢靠，逐步形成板結(jié)物。圖7 為實測的煙氣倉內(nèi)空預(yù)器換熱片溫度分布。

圖7 空預(yù)器煙氣分倉內(nèi)換熱片溫度分布

由圖7 可知，當(dāng)空預(yù)器加熱完冷風(fēng)重新返回?zé)煔鈧}時溫度是最低的，此時較低的溫度極易導(dǎo)致硫酸氫銨的凝結(jié)，高粘度的液態(tài)ABS 極易粘附煙氣中的飛灰，沾有飛灰的粘性混合物隨煙氣進(jìn)入下游低溫區(qū)時，使ABS 凝結(jié)成堅硬的固體附著在壁面無法被吹走從而造成堵塞，溫度越低ABS 凝固速度越快，因此越靠近空預(yù)器出口，固體堵塞物越多，空預(yù)器堵塞越嚴(yán)重。

利用液態(tài)硫酸氫氨受熱會分解的特性，將熱一次風(fēng)引至空預(yù)器冷端，在冷端二次風(fēng)側(cè)新增一個隔離清洗分倉，利用熱風(fēng)逆向加熱蓄熱元件波紋板，這樣一方面高溫?zé)犸L(fēng)可使液態(tài)的硫酸氫氨受熱分解，使堵塞物分解，另一方面還可以利用熱風(fēng)的高流速（比常規(guī)流速高4~6 倍）將清洗分倉內(nèi)的堵塞物吹離空預(yù)器。徹底解決堵塞物對空預(yù)器的影響，可有效解決空預(yù)器換熱面腐蝕及堵塞的問題。

以300MW 工程預(yù)熱器為例，初步計算如下：

空氣預(yù)熱器型號為29-VI（T）-QMR，立式倒置，三分式，一次風(fēng)開口50°、逆轉(zhuǎn)，36 分倉空氣預(yù)熱器，雙密封結(jié)構(gòu)。

計算方法：回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器基本上采用計算機有限單元法數(shù)值計算，這種算法能輸出全轉(zhuǎn)子金屬和流體溫度場，計算精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的計算傳熱系數(shù)方式的整體算法。本算法1983 年由美籍華人Li Chung-Hsiung 提出。目前這種算法已為各主要預(yù)熱器制造商廣泛采用，并已完成程序化，我國各預(yù)熱器廠家引進(jìn)的計算程序中也采用此算法。

對每個分倉中的每段蓄熱元件（物理參數(shù)不同）細(xì)分為一定數(shù)量的單元層（用i 表示，沿流體方向遞增編號），在回轉(zhuǎn)方向每個倉中都劃分為一定數(shù)量的單元列（用j表示，沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向編號）。微元層數(shù)和微元列數(shù)量范圍一般為5~25 個?？紤]計算方便，便于理解，通常將各煙氣和空氣分倉的某一段元件劃分為一個獨立的“大計算單元”，在這些“大計算單元”中，蓄熱元件的幾何參數(shù)相同，流體的屬性參數(shù)為簡化計算，取用該段內(nèi)部積分加權(quán)平均值。這樣的“大計算單元”如圖8 所示。對設(shè)有三段元件的四分倉預(yù)熱器，這樣的“大計算單元”共有3（段）×4（分倉）＝12 個。從預(yù)熱器結(jié)構(gòu)來看，在一個“大計算單元”內(nèi)部的換熱單元體可以理解為一個“楔型”物體，如圖9所示。

圖8 大計算單元

圖9 楔形換熱單元

以75%THA 工況，按照單臺預(yù)熱器，輸出其溫度場示意圖如圖10 所示。

需要改造的設(shè)備：

空預(yù)器熱端不需做任何改造。

圖10 溫度場計算示意圖

在空預(yù)器冷端二次風(fēng)側(cè)新增隔離桁架、隔離扇形板、隔離出清洗分倉，從熱一次風(fēng)管道引風(fēng)進(jìn)去清洗分倉內(nèi)，在管道上增設(shè)插板門，調(diào)節(jié)擋板門，新增相關(guān)就地壓力表、溫度計、流量計等熱控設(shè)備。

4 結(jié)束語

通過以上分析和論述，介紹一種熱風(fēng)吹掃防堵控制新結(jié)構(gòu)。對于防止空預(yù)器的堵塞，對目前國內(nèi)電廠常見的空預(yù)器堵塞問題，提出一種新型有效的解決方案。