机组加装SCR脱硝装置后的空气预热器改造

2014-07-05李建军何文峰景润利

电力安全技术 2014年10期

李建军，何文峰，景润利

（大唐略阳发电有限责任公司，陕西汉中 724300)

1 概述

为适应越来越严格的环保要求， 2013年某电厂对6号机组进行脱硝工程建设。根据以往经验,在进行SCR(selective catalytic reduction，选择性催化还原脱硝)改造后不久，位于SCR反应装置烟气系统下游的回转式空气预热器就会出现腐蚀、堵塞严重的现象，导致吸风机出力不足，热风温度降低，机组达不到额定出力。因此，该公司决定在脱硝工程建设期间，利用6号机组大修时机对回转式空气预热器进行改造，以增强空气预热器抗堵塞、抗腐蚀的能力，提高空气预热器换热效果，降低空气预热器的漏风率。

2 设备状况

2.1 设备现状

该公司6号锅炉为东方锅炉股份有限公司设计制造的DG1018/18.4-Ⅱ6型亚临界、一次中间再热、单炉膛、Π型露天布置、切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢架、自然循环汽包锅炉。

该锅炉配置2台容克式空气预热器，型号为LAP10320/883，是东方锅炉股份有限公司按C-E空气预热器公司转让技术设计和制造的，为立式、三分仓、烟气向下流动结构，其直径为10 320 mm，蓄热元件高度自上而下分别为800 mm，800 mm，300 mm。冷段300 mm蓄热元件材料为低合金耐腐蚀考登钢，其余热段蓄热元件材料为碳钢。2011年，将冷热段径向密封改为柔

性接触式密封，旁路轴向密封保持不变，使密封间隙维持在理想范围内，减少漏风量。目前，空气预热器的漏风率基本控制在设计值6 %内。

烟气和空气以逆流方式通过空气预热器。在空气预热器的回转过程中，被烟气加热后的蓄热元件依次通过二次风仓格、一次风仓格来加热二次风、一次风，放热后的蓄热元件重新回到烟气仓格吸收热量。为保持蓄热元件受热面的传热效率和避免积灰堵塞通道，空气预热器配置了蒸汽吹灰器。该型空气预热器还可使用清水清洗，同时可根据需要对冲洗水进行加热和加碱的预处理。

2.2 新增设备

新增脱硝系统采用SCR工艺，每台炉布置2台SCR反应器，采用高灰型SCR布置方式，即SCR反应器布置在锅炉省煤器出口和空气预热器之间，炉后空气预热器出口烟道的上方。此脱硝装置可处理100 %烟气量，入口NOx浓度为400 mg/Nm3，脱硝反应器与还原剂供应系统的脱硝效率不低于80 %，不设置SCR反应器烟气旁路。

新增脱硝系统按“2＋1”模式布置催化剂。当2层催化剂运行时，脱硝效率不低于80 %，NH3逃逸率不大于3 μL/L，SO2/SO3转化率小于1 %，脱硝系统阻力不大于1 kPa。最高喷氨烟气温度420 ℃，最低喷氨烟气温度300 ℃。

3 SCR脱硝装置对空气预热器的影响

3.1 硫酸铵盐的形成机理及其影响

不论是SCR还是SNCR脱硝工艺，都是向烟气中喷入氨水、液氨、尿素等物质，依靠其生成的NH3与烟气中的NOx反应，将NOx还原为N2。但是NH3难以完全参与反应，残余部分会与烟气中的SO3和水蒸气反应。

当NH3残余量很高时，可大量生成粉末状的固体(NH4)2SO4。一般情况下，较多地生成NH4HSO4，而(NH4)2SO4产生量很少，并且处于积灰中，对空气预热器几乎无影响。

在所有含NH3的燃煤锅炉烟气中，一般都存在NH4HSO4，而NH4HSO4从气态向液态转变的温区正好处于流经空气预热器部分的烟气温区。

3.2 对烟气灰分的影响

当烟气中灰分很少时，NH4HSO4以液滴形式存在。当燃料灰分/硫分比值小于7时，灰分只能吸附部分NH4HSO4液滴，但灰粒的黏性非常大，会和部分剩余的NH4HSO4液滴一起被吸附到换热元件表面上。当燃料灰分/硫分比值大于7时，同时烟气中灰尘均匀弥散分布，几乎可以吸附所有NH4HSO4液滴，此时灰分的黏性也比无NH4HSO4液滴时大得多。

因此，当燃料灰分/硫分比值大于7时，可适当降低空气预热器冷端的传热元件入口温度，通常降低22 ℃左右。

3.3 对空气预热器腐蚀的影响

目前，常见的SCR催化剂是氧化钛和氧化钒，它们可大幅提高脱硝效率，但部分SO2将被催化转化成SO3。按排烟温度130℃设计，常规空气预热器冷端腐蚀区仅在冷端100～200 mm范围内，当SO2/SO3转化率增大后，H2SO4露点会上升5～10 ℃，空气预热器冷端受H2SO4腐蚀的区段将增长至250～450 mm，原空气预热器的冷段300 mm的长度就明显不够。因此，一些空气预热器转子的冷端构件和密封构件(处在H2SO4腐蚀区的)必须使用考登钢、NS1之类的材料，其传热元件则应使用搪瓷表面。

与H2SO4相比，NH4HSO4的腐蚀性较弱，通常表现为电化学腐蚀，一般为点状腐蚀，分布在空气预热器冷端上方600～900 mm的范围内。

3.4 对烟气温度的影响

SCR催化剂提高了SO2/SO3转化率，加剧了空气预热器冷端腐蚀。为保护空气预热器后面的设备(如静电除尘器、烟道等)，应适当提高锅炉排烟温度。当锅炉处于低负荷工况时，烟气温度降低，NH3逃逸率上升，导致NH4HSO4沉积带向空气预热器热端漂移，引起空气预热器热端堵塞。

3.5 SCR催化剂各投运阶段对空气预热器的影响

目前，SCR催化剂使用寿命一般为3年。在SCR投运的初始阶段，由于催化介质活性好，NH3逃逸率控制良好(小于2 μL/L)，但也提高了SO2/SO3转化率。此时，空气预热器运行面临的主要任务是控制冷端H2SO4腐蚀。

在催化剂使用15 000～20 000 h后，其活性通常约降低1/3。如果要提高NOx转化率，只有增大NH3注入量，但这又会带来较高的NH3逃逸水平(大于5 μL/L)，生成大量的NH4HSO4。因此，通常采取预留催化剂将来层的方法来控制NH3逃逸率，其具体做法是：在SCR投运的初始阶段，投用2层或3层催化剂；2年后，新增1层催化剂；3年后，更换已到工作寿命的催化剂，确保NH3逃逸率始终控制在3 μL/L以下。

3.6 对空气预热器漏风指标的影响

采用SCR装置通常会导致空气预热器烟气侧负压增大约1 kPa。当使用换热系数低的传热元件作为冷端元件时，为达到同常规空气预热器相近的排烟温度，需增加空气预热器换热元件的高度，这会导致空气预热器烟、空气阻力略有增加。空气预热器烟、空气压力差增大，将造成空气预热器漏风率上升，一般300 MW等级锅炉空气预热器的漏风率将增大0.5 %～0.8 %。

3.7 对转子内传热元件布置方式的影响

目前，国内多数无SCR锅炉的空气预热器采用从国外引进的3层布置方式，即冷端采用易吹灰疏通的NF波形，中温和高温段采用高效换热波形。

H2SO4腐蚀区超过了传统的300 mm冷端高度，必须将冷端高度加高至500～600 mm，而NH4HSO4沉积带通常位于距冷端上方600～900 mm处，这样H2SO4腐蚀区和NH4HSO4积灰带出现叠加甚至重叠，这将大大提高对吹灰的要求，而传统吹灰器不能同时除去中间层和冷段层内的积灰。

在跨层区域(普通空气预热器的热段层和中温段层之间)出现NH4HSO4沉积的情况时，由于传热元件钢板的边缘效应，形成的灰垢层特别厚(见图1)，在分层处形成的堵灰非常明显。因为空气预热器冷端框架的构件会阻挡吹灰和清洗介质进入传热元件，所以应尽量避免使用传热元件支承栅架，可改用横向隔板固定传热元件。

图1 传热元件层边缘积灰效应示意

3.8 对传热元件波形的影响

各空气预热器生产厂家使用的传热元件为DNF波形，采用封闭流道，即元件内部各小气流通道互相隔开，如同相互封闭的小管道，以保证吹灰介质有足够的动能移去堵灰。同时，还采用小波峰高度、交叉排列表面波形以提高换热效率，使其达到或接近传统使用的空气预热器热段DU波形换热效果，保证气流吹灰的效果可以提高数倍。这种波形同样用在完全湿态工况的烟气换热器中。

采用搪瓷保护冷端传热元件，不仅可有效隔离H2SO4腐蚀物、NH4HSO4与传热元件金属的直接接触，还可使传热元件表面更易清洗。通常情况下，搪瓷表面元件的使用寿命高达8年，这就有效地延长了空气预热器的检修期。

3.9 对吹灰和清洗方式的影响

通过提高吹灰压力和吹灰频次来解决积灰问题是不可取的，因为吹灰蒸汽压力(大于2 MPa)会使元件开裂、弯曲变形，进而形成碎片堵塞通道，导致吹灰效果完全丧失。

目前，空气预热器的清洗方式是使用双介质(蒸汽和高压水)吹灰器(半伸缩或全伸缩)，通常冷端和热端各布置1台。正常使用时，用蒸汽吹灰清除位于传热元件上、下端面的积灰。当空气预热器阻力上升50 %～60 %时，用高压水冲洗。高压水冲洗可在空气预热器单台隔离状态下使用，但仅限于冷端，且高压水冲洗的喷嘴是精心选择的。当停机检修时，由于NH4HSO4易溶于水，预先采用低压水冲洗装置浸泡转子可大大提高清洗效果。

锅炉加装脱硝设备后，增大了空气预热器堵灰的可能性。为此，需对空气预热器转子作相应的设计修改，即采用高冷段层、搪瓷表面传热元件来缓解堵灰程度，并采用高压水冲洗来清洗转子的内换热面，而控制NH3逃逸率是改善空气预热器堵灰程度的最直接手段。

4 改造方案

4.1 改造的基本原则

充分考虑原有空气预热器的结构、运行方式及辅助设备，在保证原空气预热器安全运行及性能参数的情况下，尽可能减少对原空气预热器传动方式、支撑形式、空气预热器壳体、烟风道接口等的改造。

4.2 改造措施

4.2.1 传热元件的改造

为满足锅炉经济效益最大化，确保改造后空气预热器的性能优异，根据热力性能计算结果，同时考虑到投运SCR后NH4HSO4对空气预热器冷端传热元件沉积范围的影响，最终确定传热元件的改造方案如下。

目前，开发设计的TC-1～TC-3型专用搪瓷传热元件如图2所示。其中，TC-1型为强化换热型，TC-3型为抗堵灰型，TC-2型换热和抗堵性能折中。改造后的元件为2层设计，热端使用1 100 mm高传热元件；冷端为具有封闭流道的脱硝空气预热器专用版型TC-1传热元件，高1 000 mm，厚度0.8 mm，它包含大波纹通灰槽，具有防止堵灰、便于清洁等优点。对冷端元件表面采取搪瓷工艺处理，以防止冷段元件被腐蚀。

图2 传热元件波形

4.2.2 转子的改造

脱硝改造后，空气预热器冷端传热元件的高度从300 mm增大至1 000 mm，冷端传热元件的更换方式改为竖直方向吊装。为确保空气预热器外形密闭，对原冷端传热元件更换门进行焊接密封，同时全部拆除原栅架以减轻转子重量，并减少对传热元件换热面积的阻挡，改善吹灰和清洗效果。转子横向隔板通过现场拼接全部延伸至冷端，并在冷端下方焊接支撑扁钢。加高后的冷端传热元件，在竖直方向可直接吊装、安放至冷端支撑扁钢上。

4.2.3 密封系统的改造

在空气预热器冷端增设软密封装置。软密封片为磨耗型密封，一般采用低硬度材料(如铝合金、铜合金等)或柔性结构钢材(如钢丝、大折角薄钢板等)，在密封板上拖曳运行时，密封板表面磨损较轻。装在冷端的密封片应具有耐腐蚀性，并可承受20 kPa的压力差。

优化后的软密封结构如图3所示。厚密封片后部配置双道消隙阻流片，兼具迷宫效应，起到减小漏风、延长软密封寿命、方便维护调整的作用。

图3 优化后的软密封结构

密封系统的改造方案具有以下特点：

(1)结构简单，成本低；

(2)软密封片上的调节开孔可保证反复调整间隙4～5次，一旦出现磨损过大可再次调整位置(每年只需调整1次)无需频繁更换密封片；

(3)软密封片的使用寿命不低于厚密封片的使用寿命(4年)，可和厚密封片同步更换。

4.2.4 吹灰器的改造

新增高压清洗水系统，以实现对空气预热器的最优吹灰效果。在原空气预热器烟气侧冷端配置1根固定水冲洗管，冲洗管上每隔1段距离布置有1个对应口径的水喷嘴，一般采用小口径(约1.5 mm，水压约10～20 MPa)，数个喷嘴集中布置，确保冲洗水可覆盖整个换热面。

在锅炉停机或锅炉带60 %负荷时，可采用固定水冲洗管对空气预热器进行离线冲洗。在离线状态下，工作人员可进入空气预热器内部，通过观察换热元件表面情况判断换热元件是否清洁干净。若工作人员无法进入空气预热器内部，可根据空气预热器烟气阻力大小判断换热元件是否清洁干净。经过固定水冲洗后，为保证换热元件的干燥，需启动空气预热器，并往空气预热器内部通冷风直至换热元件干燥为止。

为保证积水能够正常排出，要求在空气预热器尾部烟道下方设置排水口。

5 现场实施

5.1 具体改造内容

(1)转子部分：取消原转子栅架，将原转子横向隔板接长，篮子搁条下移，密封原转子冷端篮子吊换门。

(2)传热元件部分：更换热段传热元件和冷段涂搪瓷传热元件，转子重量由540 t增大至555 t。

(3)密封系统部分:增设软密封装置。

(4)吹灰器部分：增加冷端高压水冲洗的枪管和喷嘴等系统。

5.2 注意事项

(1)安装前，必须仔细研究图纸和改造方案及有关资料，并根据现场条件制订有效的、切实可行的安装工序。

(2)改造方案上所列的安装要求仅为一般要求，具体安装时还应严格执行图纸上技术要求中有关安装部分的规定，图纸上凡注有现场焊接符号的均需在现场按图纸规定进行焊接。

(3)备品、材料运至现场后，应仔细检查其有无损坏、变形或遗失，并合理堆放。

5.3 改造步骤

5.3.1 准备阶段

(1)清理积灰。

(2)在空气预热器冷端连接板下合适处搭建检修平台。

(3)在烟风道合适处开传热元件吊换门孔，其高度应满足起吊最高元件篮子包。

(4)准备传热元件更换堆放场地和防雨水措施。

(5)保存好拆下的保温和外护板，以备回装。

5.3.2 施工阶段

(1)打开检修门，拆除径向、旁路、轴向密封片。

(2)打开外壳传热元件检修门、转子篮子调换门，拉出冷端传热元件包，对称吊出。

(3)吊出转子热段和热段中间层的传热元件。

(4)拆去转子栅架和横向隔板下端的扁钢。

(5)按转子改造图纸要求密封焊接原转子上的篮子调换门孔。

(6)按转子改造图纸要求焊接横向隔板的延长部分。

(7)转子改造完成后逐点检查、消缺。车削冷段扇形板，找出安装密封片的平面。

(8)按图纸要求对称吊入涂搪瓷的冷段传热元件，以同样方法吊入热段传热元件。

(9)按图纸要求安装所有三向密封片，记录、调整所有密封副的预留间隙。

(10)安装冷端高压水冲洗的枪管和喷嘴。

(11)对运行前的冷态检查项目进行检查、消缺。

(12)冷态试运行后如无异常，便可封门、恢复保温及其外护板，拆除检修平台等。

6 改造后的检查、运行及效果

6.1 启动前检查

(1)转子水平度在允许范围内。

(2)支承轴承座和导向轴承座内润滑油的油位在规定范围内。

(3)吹灰器调试正常，喷嘴的行程及角度正确。

(4)检修门都已恢复原状并密封完好。

(5)拆除一切临时支撑，将设备周围及内部的杂物和垃圾清扫干净。

(6)安装工作结束后，手动盘车一周，确保无异常。

(7)封闭人孔门。

6.2 试运行阶段

在全部项目检查完毕后，可进入冷态试运行阶段，试运6 h后无异音、振动合格且电流处于规定范围内，同时机组无“跑冒滴漏”等现象，方可进行热态试运。

采用软密封后，在锅炉机组初次启动时，空气预热器电机电流变化不大(烟温低于205 ℃或更低)。随着烟气温度升高，空气预热器电机电流增加，当主电机电流达到70 %额定电流时，控制烟气进口温度增大速率小于20 ℃/h；当主电机电流达到90 %额定电流时，停止进口烟温上升，待电流降到70 %额定电流时，再按20 ℃/h的速率上升，直至达到满负荷。在达到满负荷48～96 h后，空气预热器的软密封磨合即可完成，运行电流和未装软密封空气预热器时的电流基本一致，仅存在微小偏差(小于1 A)。正常运行后，空气预热器的启动速度就不受软密封的影响。