1000MW超超临界机组同步脱硝空气预热器优化

尹 进

(广东省电力设计研究院 广东 广州 510663)

0 概述

燃煤机组对环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）、粉尘。其中二氧化碳是所有石化燃料燃烧都会产生的废气，目前工业上还不能大规模收集和处理。而烟气中的二氧化硫、氮氧化物、粉尘已经有成熟的工业技术可以进行处理，其中二氧化硫可以通过吸收剂进行化学反应固化，粉尘可以通过静电、过滤等技术收集，氮氧化物可以通过催化剂的作用与反应剂反应，生成无害的氮气（N2）和水（H2O）。

按照目前国内正在报批的新环保标准《火电厂大气污染物排放标准》（二次征求意见稿），新建燃煤机组必须同步设置除尘、脱硫设备和脱硝装置，NOx的排放浓度不得高于100mg/Nm3。新建燃煤机组的脱硝采用高含尘SCR工艺，减少机组的NOx排放量，达到环保标准的要求。脱硝装置布置在空气预热器上方，锅炉烟气从省煤器出来后进入SCR装置，经过脱硝反应器后再进入空预器。

1 烟气脱硝对空气预热器的主要影响

1.1 脱硝工艺中的主要化学反应

氮氧化物在脱硝装置内主要有以下反应：

在氮氧化物的还原反应同时，烟气中的SO2在催化剂的作用下，与烟气中的O2、NH3发生以下反应：

同时，烟气中的SO3还和烟气中的H2O发生以下反应：

在脱硝的催化反应器内，希望催化剂能尽量提高（A1）～（A4）的反应效率，以提高脱硝效率，但是催化剂效率提高的同时，也会提高（B1）～（B3）的反应，对机组运行造成不良影响。

1.2 脱硝副产品的影响

在脱硝反应器中，主要副产品是把烟气中的SO2氧化为SO3，催化剂活性越强，产生的SO3副产品量越多。

在燃烧过程中燃料中的可燃硫大部分氧化成SO2，未脱硝前，SO3在烟气含量极少。进入脱硝催化反应器后，在催化剂的作用下，SO2被烟气中的O2氧化成SO3。虽然SCR工艺中整个反应过程氨的摩尔比例是不过量的，但是在氨喷入反应器后，在局部区域氨是过量的，烟气中的SO3便与过量的氨发生（B2）和（B3）的反应生成硫酸氢 铵（NH4HSO4）和 硫酸铵（（NH4）2SO4）。 其中硫酸氢铵（NH4HSO4）在温度 180～230°C 时开始凝固，形成粘性极大的产物，在空预器的换热元件上积聚，并且导致烟气中的粉尘的附着在换热元件上，形成严重的堵灰。由于硫酸氢铵粘性大，附着在换热元件上后，一般的吹灰器无法清除，如果不采取有效措施，1～3个月后机组就会因为空预器的阻力增加过大，导致引风机的压头不足以克服而停机。

除了空预器阻力大幅度增加以外，由于积灰中含有硫酸氢铵（NH4HSO4）、硫酸铵（（NH4）2SO4），这两种物质都有极强的吸潮性，在空预器的低温段会吸附水蒸气和硫酸（H2SO4），在金属表面上形成酸性的环境，对空预器造成严重的腐蚀而导致报废。

2 空预器设计的优化

虽然机组带脱硝运行会引起一系列的新问题，但是经过实践摸索，电力行业内已经具有一定的经验，采用一定的措施应对这些新问题。

由于机组带脱硝装置以后对空气预热器的运行影响很大，因此必须对传统的空气预热器进行优化设计，以使空气预热器能适应新的运行工况。

2.1 空预器结构的优化

脱硝反应中的副产品是不可避免的，目前只能控制副产品的反应率或生成量，空预器中铵盐的积聚只是时间长短的问题。铵盐在180～230℃时开始凝固，在温度低于180℃的区域积灰最为严重，而这段区域处于传统回转式空预器的中温段和低温段之间。即使是高压的吹灰器，吹灰射流在通过低温段以后，在中温段和低温段之间的检修空间中压力迅速衰减，射流到达中温段时已经没有吹灰效果。针对这个问题，采取的措施是重新设计空气预热器及其换热元件的结构，达到控制铵盐积聚区和强化吹灰效果的目的。

2.1.1 增加低温段高度

重新分配空气预热器各段受热面，适当加高低温段的高度，减少中温段的高度甚至取消中温段，使低温段入口的烟气温度尽量提高。这样可以防止中温段以及低温段入口处铵盐的积聚，控制铵盐只在低温段区域积聚，避免了问题的复杂化。每个锅炉厂的受热面分配方案不完全相同，因此同样的条件下，不同锅炉厂的空气预热器的入口温度都不完全相同，但是排烟温度是基本相同的，所以可以从空气预热器的出口排烟温度反向核算，得出低温段的最小高度。空气预热器的低温段高度至少要在1000mm左右，才能在大部分运行负荷区域避免铵盐在低温段以上积聚。但是低温段高度超过1.2～1.6m以后，受锅炉钢架以及检修空间的限制，低温段换热元件更换时非常不方便。因此低温段的高度需有一个合适的范围，要兼顾检修的要求。

对于一个具体工程，带SCR脱硝装置运行的机组，在低温段高度已经满足的前提下，空气预热器内部采用2段式(高温段、低温段)还是3段式(高温段、中温段、低温段)，要根据空气预热器出口热风温度的要求，计算出需要的换热面积再决定。

2.1.2 优化换热元件的板型

调整空气预热器各段的换热元件高度，是铵盐只在低温段沉积，空气预热器的高温段和中温段都可以采用常规成熟的设计方案。低温段由于存在铵盐沉积区，不能再采用以前的设计方案，而要重新设计换热元件的板型，以便于吹灰。

以往常规设计的低温段换热元件采用预压有波形的钢板，烟气流过波形板的时候产生紊流，强化换热效果，减少材料的消耗量。当空气预热器存在铵盐沉积区后，低温段要采用平板形元件，烟气流过的时候为层流，减轻积灰的工况。而且换热元件每个烟气流通单元要封闭，这样的板型吹灰介质流过的时候压力衰减最小，可以保证吹灰射流贯通整个低温元件，强化吹灰效果。

低温段换热元件的板型采用平板形后，换热效果有一定程度的下降，锅炉的排烟温度会提高，导致锅炉效率下降。如要保证锅炉的效率不变，空气预热器的换热面积要增加。虽然设备的制造成本有一定的增加，但是在保证锅炉效率不变的前提下明显的减轻空预器堵灰的情况，有利于机组的安全、稳定运行。

2.2 低温段采用搪瓷防腐蚀

通过改进空预器的结构可以控制铵盐的沉积区只发生在低温段，减轻铵盐沉积所带来的影响。但是铵盐在低温段的沉积还是客观存在的现实，在沉积区还是会发生金属腐蚀。为了减轻腐蚀，空气预热器的低温段要采取有效的防腐措施。以往燃用硫分较高煤种的机组低温段一般采用耐侯钢(如考顿钢等)作为防腐措施，而且效果很明显。当机组带脱硝运行后，由于硫酸类铵盐和微量浓硫酸(主要由烟气中的SO3生成)的作用，腐蚀机理和腐蚀速度已经不同，一般的耐侯钢已经不能满足要求。

为了减轻腐蚀，带脱硝装置运行的机组目前最有效的办法就是对低温段换热元件进行镀搪瓷处理。经过镀搪瓷后，一方面把金属和腐蚀性物质隔离，另一方面搪瓷光滑的表面可以减少积灰并有利于吹扫。

空气预热器的低温元件工作条件比较恶劣，在负荷变化时有热应力的存在，另外还要接受粉尘和吹灰介质的冲刷和磨损，所以搪瓷的工艺要求较高，搪瓷层要有一定的厚度保证使用寿命，还要控制搪瓷层的微孔和裂纹。如果搪瓷层的微孔和裂纹达不到控制的工艺要求，一旦烟气从这些地方渗入，腐蚀低温换热元件的金属基材，会引起附近的搪瓷层开裂或者脱落，引起连锁反应。本文建议采用质量较好的搪瓷材料（欧美或日本进口），严格控制搪瓷的工艺。

2.3 采用新式吹灰器

由于硫酸氢铵有较强的粘性，一般的蒸汽吹灰器或者压缩空气吹灰器不能有效的吹扫，所以空气预热器的冷端吹灰器要采用双介质吹灰器，平时运行时采用蒸汽喷吹进行清扫，当空气预热器进出口的差压增加，积灰情况开始严重，蒸汽吹扫已经不能有效清除的时候，就要采用高压水喷吹进行在线清洗。一般经过高压水在线清洗后，空预器的阻力可以迅速回落到正常的水平。

3 建议运行中采取的措施

通过对空气预热器的优化设计，可以最大限度的减轻脱硝反应副产品对机组运行的影响，在运行过程中还可以采取措施进一步减轻空预器堵灰的情况。

首先，要控制硫酸氢铵的生成，从源头上控制空气预热器堵灰。在机组调试时要尽量使氨喷射格栅分配均匀，减轻局部氨过量的情况。在运行过程中要注意氨逃逸率的控制，当装置的脱硝效率明显下降的时候，及时更换催化剂，而不能增加喷氨量来提高脱硝效率。

第二，空气预热器要定时吹扫。积灰过程是一个逐步加剧的过程，在积灰刚发生还没有扩大的时，及时的吹扫可以控制积灰情况的恶化。

4 结论

4.1 通过优化空气预热器的结构，可以从设计上减轻机组带脱硝运行时堵灰的情况。

4.2 空气预热器的低温段要采用高质量的搪瓷工艺，减轻腐蚀情况。

4.3 采用双介质吹灰器，在堵灰严重的情况下采用高压水在线冲洗，可以使空预器烟侧的阻力迅速降低到正常水平。

4.4 合理的运行方式可以减少硫酸氢铵的生成，减缓空预器堵灰。