ABSHS 空预器加热防堵系统改造研究
2018-11-14王赫妍
王赫妍,李 忱
(1.国网辽宁省电力有限公司计量中心,辽宁 沈阳 110168;2.国网沈阳供电公司,辽宁 沈阳 110400)
1 NH4HSO4特性
1.1 ABS物理特性
硫酸氢铵又称酸式硫酸铵(ammonium acid sulfate),为无色斜方结晶体,密度为1.78 g/cm³,熔点为147℃,易溶于热水,微溶于醇,不溶于丙酮,有潮解性,可由硫酸铵在空气中加热制得,亦可用硫酸铵溶于热浓硫酸,由溶液冷却结晶制得,用作有机反应催化剂、卷发药剂、分析试剂等。
表1 ABS的物理性质
1.2 ABS形成热力特性
NH4HSO4是选择性催化还原法脱硝的副反应产物,与煤种硫分和未反应完全的NH3有直接关系。而烟气中的SO3进一步同烟气中逃逸的NH3反应,生成NH4HSO4和(NH4)2SO4,其反应方程式如下:
NH4HSO4的熔点温度为147℃,沸点温度为350℃,汽化开始温度为174℃,在323℃汽化速率达到最大值。空预器烟气侧热端温度为300℃~320℃,冷端温度为120℃~150℃。NH4HSO4在空预器中温段时,正是液态向固态转变阶段,具有极强的吸附性,造成大量灰分在空预器沉降,引起空预器堵塞并使阻力快速上升。另外,在高粉尘环境中发生结垢的金属壁温比NH4HSO4的露点温度低4.4℃,实际运行中经过空预器的NH4HSO4大部分沉积在灰粒上,随烟气带走。
1.3 ABS形成动力特性
从动力学角度来讲,ABS形成速率要比AB形成速率高很多。锅炉空预器冷端到热端温度变化范围一般在120℃~300℃,NH4HSO4的物理性质决定了空预器中低温区域沉积情况,未沉积的NH4HSO4吸附在烟尘上,在电除尘中进行除去。
公式(1)和(2)定性地说明了ABS的形成与温度和反应物体积分数是正相关的关系。通过Radian可以大体估计下允许的氨逃逸量。
1.4 ABS对空预器的影响
140℃~230℃之间的温区位于空预器常规设计的冷段层上方和中间层下方,由于NH4HSO4在此温区为液态向固态转变阶段,具有极强的吸附性,会造成大量灰分在空预器沉降,烟气中还存在其他酸性颗粒,这些颗粒也会被液态ABS捕捉,在空预器传热元件上形成融盐状积灰,造成空预器被腐蚀、堵灰等情况,严重时将迫使机组停炉以清理空预器,影响机组正常运行。
图1为某电厂在特定环境下氨逃逸与空预器压差变化情况。
图1 氨逃逸对空预器烟气阻力的影响
1.5 空预器ABS沉积解决思路
NH4HSO4在不同温度下呈现不同的物理状态:在147℃以下,呈现坚固的固态;在147℃~250℃范围内,呈现液体黏稠状态。在这两种状态下,NH4HSO4很难以常规的蒸汽吹灰和激波吹灰方式去除,在174℃以上受热挥发,在323℃以上时开始大量挥发,变成气相状态。由于空预器烟气侧冷端温度在120℃~150℃,这使得NH4HSO4极易吸附并粘结沉积在空预器换热元件的中部和下部。由于这种相变是可逆的,通过空预器冷端热风加热技术将部分冷一次或二次风加热到300℃,加热后的热风通过空预器冷段和中温段,将NH4HSO4完全汽化并随风带走,从而解决了因NH4HSO4造成的空预器堵塞问题。
通过解体空预器蓄热元件发现,堵塞情况主要集中在冷段蓄热元件约350 mm以下的部位,且堵塞物较硬。空预器蓄热片为普通碳钢,变形温度为420℃。因此,升温对蓄热片无影响。
2 ABSHS汽化加热技术
在空预器冷端风道加装热风速热通道,该通道加热面积为1个格仓。通道内安装导流栅格、高效加热油枪、点火装置,通道外安装助燃风管道、图像火检、火焰检测、快速关断电磁阀等设备,布置就地控制柜及远程控制信号线。
加热热源可以选择油或天然气。以油系统为例,燃烧用油来自于炉前油系统,通过减压阀回油降压法,将母管油压降至1.0 MPa~1.2 MPa,经过过滤后,送至高效燃烧油枪。
通过在空预器冷端一、二次风部分风道增加燃烧加热装置,冷风加热温度300℃~350℃(宽幅可调),使空预器冷段和中温段的NH4HSO4完全汽化。不减少一、二次风通流面积,阻力可忽略不计,该燃烧加热装置体积紧凑,占用面积极小,设备投入时间为30 min/d。
图2 风道加热结构
3 ABSHS汽化加热技术经济效益分析
3.1 节能费用
节能费用主要包含风机节能费用、节约清洗费用、吹灰节能费用。
3.2 风机节能费用
在风量一定的情况下,烟气阻力的降低可以使风机功率下降,从而达到节省电能的效果。对比没有进行改造的SCR机组,空预器烟气阻力差值为0.8 kPa~1.5 kPa,空预器引、送风机电流各下降20 A(保守统计)。上网电价为0.38元/(kW·h),机组年运行约5 000 h,则机组年节约费用:
年节约费用=风机节能功率×运行时间×上网电价= 3×6.3 kV×20 A×2×5 000 h×0.38元/(kW·h)=829 281元。
3.3 节约清洗费用
对于SCR机组空预器堵灰严重的,每3个月要进行人工高压水清洗,费用为8万元~10万元。小修期间甚至需要空预器解体清洗,费用更是高达数十万。对于在线清洗费用及频率,按各厂实际运行情况进行估计。
3.4 吹灰节能费用
ABSHS汽化加热技术将大量减少吹灰蒸汽损耗及电能损耗,具体数值要参考各厂运行情况。
3.5 运行成本
按燃油方式计算,对于不同机组容量,该套系统的年运行费用为15万元~25万元,比其他方式要节约近二分之一的成本。
4 NH4HSO4加热汽化实验结论
通过试验模拟了空预器含NH4HSO4黏灰情况,采用加热汽化方法让NH4HSO4汽化,从而解决了因NH4HSO4沉积造成的积灰问题,如图3所示。
图3 试验平台及NH4HSO4对空预器压差影响曲线
4.1 记录数据
模拟试验数据如表2所示。
表2 试验数据
4.2 试验图片对比
图4 样板对比
图4 为加热前、后的样板对比,左侧是未加热前带有NH4HSO4的样板,右侧为加热至300℃后样板。
5 结论
锅炉空预器积灰性质特殊,粘性较大,难以清除,经常造成烟气通道堵塞而被迫停炉,影响生产。如何有效地清除锅炉积灰,保证系统的正常运行,一直是发电行业难以解决的问题。传统的清灰方式效果不佳,而改造的ABSHS空预器加热防堵系统通过实践证明了其优异的清灰效果。
通过充分利用燃料热值,空预器冷端送风侧部分仓格温度提升至300℃,经过固定时间运行,可将空预器中温端及冷端沉积的NH4HSO4完全汽化并随风带走,从而保证机组空预器检修清洗后运行1年内,烟气压差增加值不大于500 Pa,提高了电厂的经济效益。