任福春，任育杰，王 啟，張 新

(中節(jié)能工業(yè)節(jié)能有限公司，北京 100082)

空預器是電站鍋爐的重要設備，它利用鍋爐尾部煙氣余熱加熱燃燒所需要的空氣，以降低排煙損失，提高鍋爐熱效率。根據運行經驗，利用空預器將空氣升溫150～160℃，則排煙溫度將降低110～120℃，鍋爐熱效率將提升7%～7.5%，節(jié)約燃煤11%～12%，具有十分顯著的經濟效益。

燃煤電站鍋爐空預器主要有管式和回轉式兩種。由于現代大型電站鍋爐煙氣量巨大，而回轉式空預器具有占地少、重量輕的比較優(yōu)勢，因此，電站鍋爐大量使用回轉式空預器。

隨著生態(tài)文明建設的深入推進和綠色發(fā)展理念的切實貫徹，我國環(huán)境保護政策日趨嚴格，污染物排放濃度限值越來越低。2014年發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014～2020)》，更進一步提出了燃煤電站污染物超低排放限值，排放濃度低至煙塵<10 mg/m3，SO2<35 mg/m3，NOx<50 mg/m3。

由此，掀起了燃煤機組超低排放改造高潮。為了滿足超低排放要求，電站鍋爐廣泛采用技術成熟、脫硝效率高的選擇性催化還原(SCR)技術控制煙氣中氮氧化物濃度。隨著SCR系統(tǒng)的投運，空預器普遍出現了嚴重的堵塞[1-3]，導致風機出力不能滿足鍋爐穩(wěn)定燃燒需求、限制了機組帶負荷能力、增加了風機電耗，對機組安全性和經濟性帶來了嚴重影響。

我國能源的自然稟賦決定了在目前和今后相當長的時期內，煤電仍將是我國電力系統(tǒng)安全運行的壓艙石。截止2021年底，煤電超低排放機組總裝機容量達9.8億kW、占煤電總裝機88.3%[4-5]。謝和平等[6]指出，即使在2060年實現碳中和目標后，我國仍需保持3～4億kW煤電裝機。因此，在超低排放和“雙碳”目標下，保障空預器的穩(wěn)定運行對我國電力系統(tǒng)的安全和經濟具有重要的現實與長遠意義。

在總結和分析了現有防堵技術的局限后，利用國家重點研發(fā)計劃支持下開發(fā)的高溫除塵技術，構建了一種空預器防堵新方法，并分析和討論了在某410 t/h燃煤鍋爐上的應用效果。

1 SCR投運后空預器堵塞加劇的原因與目前的防堵措施及其局限

1.1 超低排放燃煤機組SCR布置

燃煤機組為了滿足超低排放要求，廣泛采用了SCR技術控制煙氣中氮氧化物的濃度。SCR技術利用還原劑(NH3)在催化劑的作用下選擇性地和煙氣中的NOx發(fā)生還原反應生成N2和水，從而降低煙氣中的NOx濃度。

催化劑是SCR的核心。由于性價比較高的催化劑，通常在280～420℃的溫度區(qū)間具有較高的反應效率。因此，目前超低排放機組SCR均布置在鍋爐和空預器之間，如圖1所示。

圖1 超低排放機組SCR位置

1.2 空預器堵塞加劇的危害及其原因

SCR投運后，確實滿足了煤電機組氮氧化物的超低排放要求。但是，隨著SCR的投運，普遍性地很快加劇了空預器的堵塞，給機組運行的安全性和經濟性帶來了嚴重影響。某電廠600 MW機組，在完成超低排放改造投運3個月后，空預器的堵塞就導致一側的一次風壓從1.13 kPa激增至2.30 kPa，負荷最大只能帶至70%。再增加負荷時，爐膛負壓波動范圍由-50～200 Pa擴大到-100～500 Pa，風機出力已不能滿足鍋爐穩(wěn)定燃燒要求[1-2]；根據對某600 MW機組的測算，空預器煙氣側阻力增加1.5 kPa，則引、送風機電耗增加0.2%。若電價以0.4元/kWh計，僅風機電耗增加每年就高達312萬元[3]。

對空預器堵塞加劇的主要原因及其影響因素已經有了較為深入的分析[1,7-9]。SCR投運后，未參與脫硝反應的逃逸氨NH3與煙氣中的SO3和水蒸氣反應生成硫酸氫銨NH4HSO4(ABS)，其沸點為350℃，熔點為147℃。大型燃煤機組空預器的冷端溫度通常為120～230℃，在此區(qū)間ABS將由液態(tài)轉為固態(tài)。具有很強黏性的ABS粘附大量的飛灰顆粒，堆積粘附在空預器的換熱元件壁面，從而加劇空預器的堵塞。

決定堵塞速度和程度的主要因素有空預器冷端溫度和煙氣中NH3、SO3、飛灰的含量。長期低負荷運行，空預器溫度較低，堵塞較快程度較大。NH3、SO3、飛灰的含量越高，堵塞越嚴重。某機組的空預器，煙氣中NH3小于1 μL/L時，堵塞較輕；2 μL/L時，運行半年阻力增加30%；3 μL/L時，運行半年阻力增加50%[10]。由此可見，氨逃逸生成的NH4HSO4是根本原因[12]，飛灰則加快和加劇了堵塞。

1.3 目前的防堵措施及其局限

因硫酸氫銨導致的空預器堵塞對超低排放機組的安全經濟運行帶來了嚴重影響，因此，已發(fā)展出許多防堵措施。文獻[1]總結了空預器防堵的6種措施，認為循環(huán)風防堵效果較明顯；文獻[2]介紹了循環(huán)風防堵措施的改造內容及其效果；文獻[11]對常見防堵措施的應用情況進行了對比分析，認為風量分切防堵的實際效果較好；文獻[12]通過分區(qū)控制格柵式噴氨系統(tǒng)來提高煙氣中氨分布的均勻性以減少氨逃逸，進而減輕硫酸氫銨堵塞。

實際運行發(fā)現，上述措施或在經濟性方面或在安全性方面均存在一定局限。一些常見措施如高壓在線水沖洗，因冷端溫度變化大易導致空預器變形和卡澀、換熱元件產生裂紋或搪瓷脫落；增大冷端鍍搪瓷面積，會降低空預器換熱能力，則需增加換熱面積；增大吹灰的蒸汽壓力和吹灰的頻次，則導致換熱元件疲勞破損甚至吹損；進行熱風再循環(huán)，則導致風機進口葉片的磨損加重；配置暖風器則導致鍋爐效率下降，某660 MW機組實際運行表明，進口風溫升至60℃，則供電煤耗上升1.68 g/kWh[11]；風量分切防堵技術在氨逃逸量較大的機組上達不到預期效果[11]；分區(qū)控制格柵式噴氨系統(tǒng)需要加裝數百個噴氨噴嘴，增加了噴氨系統(tǒng)結構復雜性和控制難度[12]。

2 高溫袋式除塵技術

2.1 超低排放燃煤機組除塵技術

靜電除塵器因其設備阻力小、易于維護等優(yōu)點，在燃煤電站得到廣泛應用[13]，其排放濃度一般在20～30 mg/m3。在進行超低排放改造時，有的在脫硫塔后增加1套濕式電除塵，有的將靜電除塵器的后部電場改為袋式除塵以構成電袋復合除塵。

超低排放改造后，由于硫酸氫銨的生成，導致靜電除塵器容易出現極線裹灰和板結，極大地影響了靜電除塵效率。

2.2 高溫袋式除塵

袋式除塵具有比靜電除塵更高的效率，且不受燃煤成分、負荷變化的影響。一方面，近年來可再生能源發(fā)電迅猛發(fā)展，煤電機組參與調峰的數量越來越多、程度越來越深，另一方面電站實際燃煤來源越來越不穩(wěn)定，燃煤成分變化頻繁，二者均使得袋式除塵的優(yōu)勢更加突出。袋式除塵可采用分室結構, 在發(fā)生故障時可分室檢修, 不影響機組的正常運行。

(1)普通高溫濾料

袋式除塵的關鍵是濾料的性能。經過多年的技術發(fā)展，我國濾料生產已有長足進步。在高溫濾料方面，工程上實際使用的濾料主要有Nomex(芳綸)、P84(聚酰亞胺纖維)、玻璃纖維、PTFE(聚四氟乙烯纖維)等，其工作溫度見表1。

表1 濾料的工作溫度

(2)金屬間化合物膜高溫濾料

為了研究低成本的污染物深度脫除，在國家重點研發(fā)計劃支持下，開發(fā)了一種全新的高溫濾料。它是一種由氣體過濾要求所決定的多種金屬粉末、通過粉末冶金工藝在真空電爐內燒結生成的金屬間化合物膜多孔材料，微觀結構和成品如圖2和圖3所示。

圖2 濾料微觀結構

圖3 濾料成品

金屬間化合物膜高溫濾料，由于通過燒結反應成孔，所生成的孔隙曲折因子小、孔壁光滑，因此具有過濾精度高、不易堵孔和阻力低等特點。在燒結反應過程中，金屬間通過共價鍵形成了更加穩(wěn)定的混鍵結構，因此具有更高的耐溫性和更強的抗腐蝕能力。

表2 金屬膜高溫濾料主要參數

將金屬間化合物膜高溫濾料成品按照袋籠的尺寸剪裁后，通過縫焊工藝將濾料和袋籠焊接在一起形成金屬膜高溫濾袋。金屬膜高溫濾袋的安裝、使用方法與PPS濾袋等完全相同。

3 空預器防堵新方法及應用效果

通過1.3的分析可知，目前主要的防堵措施，幾乎都是圍繞硫酸氫銨生成后如何避免其與飛灰黏附在換熱元件表面以減輕空預器堵塞的思路來展開。已有研究表明[12]，硫酸氫銨的生成量與氨逃逸量和煙氣中SO3含量成正相關。因此，若能降低SCR的氨逃逸和SO3生成量、同時減少進入空預器的飛灰含量，則能從根本上消除空預器的堵塞。

3.1 空預器防堵新方法

圖4 新方法SCR位置

3.2 在某410 t/h燃煤鍋爐上的應用及其效果

某在役燃煤鍋爐型式為無中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風、固體排渣、燃燒器四角切圓布置，額定蒸發(fā)量410 t/h、壓力10 MPa、溫度540℃，利用新方法工藝進行了改造。

(1)高溫除塵器主要參數

采用金屬間化合物膜材料作濾袋，進行優(yōu)化設計后[13]，主要參數見表3。

表3 高溫除塵器主要參數

(2)空預器及其運行狀況

空預器為三分倉回轉式、型號為2-24.5VI(50°)-1700(76″)SMCR。設置4個蒸汽吹灰器和1套壓力水(0.49 MPa、60℃)清洗裝置、1套暖風裝置。

投運前對空預器進行了常規(guī)檢修和維護，未對結構進行任何改變。改造投運后，蒸汽吹掃由原來的每班1次、每天3班、每次15 min改為每月1次、每次15 min。

由圖3可知，感官評分隨著菜籽油添加量的增加呈先增大后減小的變化。菜籽油為棕黃色液體，有濃郁菜籽香氣，適當的菜籽油賦予“貢椒魚”火鍋良好的風味口感，且適量的菜籽油與貢椒中的滋味成分、香氣成分以及色素有機結合，賦予“貢椒魚”火鍋油層良好的香氣、麻味以及顏色。過量的菜籽油，稀釋了油中麻味成分及香氣成分的含量，從而對“貢椒魚”火鍋的風味產生不利的影響。因此，菜籽油添加量在600～700 g之間時，“貢椒魚”火鍋油層呈淺綠色，油量適中且均勻，椒麻風味濃郁，口感最佳。

運行期間，機組CEMS和第三方獨立機構抽樣檢測數據顯示，O2含量6%下，污染物排放濃度值一直穩(wěn)定在煙塵<2.5 mg/m3，SO2<10 mg/m3，NOx<30 mg/m3，優(yōu)于目前執(zhí)行的煤電超低排放標準。

CEMS顯示，全負荷下空預器阻力均有所降低，當鍋爐蒸發(fā)量為310 t/h時，阻力如圖5所示。

圖5 空預器煙氣側壓差

對空預器的內部進行了停機檢查，發(fā)現空預器煙氣入口面沒有積灰、換熱元件表面沒有明顯的硫酸氫銨沉積或飛灰沉積。新方法應用前后空預器內部狀況對比如圖6所示。

圖6 空預器內部狀況

3.3 結果分析與討論

無論是從空預器的阻力數值還是從空預器換熱元件的實際狀況均可發(fā)現，即使將污染物排放濃度控制在低于超低排放要求限值的情況下，新方法的應用使超低排放機組空預器換熱元件表面沒有出現硫酸氫銨沉積、空預器沒有出現堵塞、阻力有所降低。其原因主要是：

(1)SCR氨逃逸量減少

一方面，除塵后進入SCR的飛灰含量由20 g/m3級降低到10 mg/m3級，極大減輕甚至幾乎消除了SCR通道的堵塞和催化劑中毒[14]，保證了脫硝效率。另一方面，噴氨柵格布置在除塵器前，氨氣和煙氣在除塵器的大空間內進行充分混合，顯著提升了進入SCR的均勻性，進一步提升了脫硝效率[15]。

脫硝效率的提高，避免了運行中常常發(fā)生的過量噴氨現象，從根源上減少了氨逃逸。第三方機構進行抽樣檢測，SCR出口氨含量1.72 mg/m3，對應的歷史數據則是3.4 mg/m3，減少了約50%，如圖7所示。

圖7 舊系統(tǒng)和新方法氨逃逸

(2)SO3轉化量減少

煙氣中SO3主要來自脫硝催化劑對SO2的轉化。電廠實際運行經驗表明[16]，SO2向SO3的轉化率沿煙氣流程呈現出加速趨勢，如圖8所示。

圖8 SO2向SO3的轉化率

由于新方法保證了SCR具有更高的效率，因此僅使用了2層催化劑，減少了一層催化劑。從而SO2在SCR中向SO3的轉化量僅為舊系統(tǒng)約37%。

氨逃逸和SO3的減少，顯著地減少了硫酸氫銨的生成量，從根本上減輕了由此導致的堵塞。

(3)進入空預器飛灰含量減少

第三方機構進行了現場抽樣檢測，空預器入口飛灰濃度僅為6.6 mg/m3，對應的歷史數據則為20 g/m3，如圖9所示。

圖9 進入空預器飛灰含量

硫酸氫銨的減少消除了空預器冷端可能發(fā)生的堵塞，飛灰含量的減少則減輕了飛灰沉積，不僅降低了空預器的運行阻力，而且提升了空預器換熱效率。

(4)低負荷效應

負荷越低則進入空預器的煙溫越低，空預器冷端面積擴大，舊系統(tǒng)硫酸氫銨沉積面積越大，堵塞越嚴重。因此，負荷越低新方法的效果越突出。

4 結論

利用金屬膜過濾材料將超低排放燃煤機組除塵器移至SCR前，構建的空預器防堵新方法可實現：

(1)消除脫硝催化劑堵塞、磨損和中毒、提高氨氣和煙氣混合均勻性，提升脫硝效率，既降低NOx排放濃度又減少了氨逃逸。

(2)可減少脫硝催化劑使用量，既降低建設和運維成本又減少了SO3和硫酸氫銨的生成。

(3)進入空預器的飛灰含量減少，既降低了空預器的運行阻力又提高了空預器的換熱效率。

(4)隨著可再生能源發(fā)電快速發(fā)展，參與深度調峰的煤電機組越來越多，新方法的低負荷效應將會更具意義。

空預器堵塞的消除和運行阻力的降低、SCR建設和運維成本的降低，較大程度提高了超低排放燃煤機組運行的安全性和經濟性。因此，新方法具有一定的推廣價值。