高硫煤机组尾部烟道中灰硫分布规律研究

张知翔，徐党旗，车宏伟，贾兆鹏，李文锋，邹小刚，李 楠

（1.西安西热锅炉环保工程有限公司，陕西 西安 710054；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

燃煤锅炉空气预热器出口排烟温度实际运行一般比设计值高出20~50 ℃[1]，排烟温度高会导致机组热效率降低、静电除尘器效率降低、湿法脱硫系统水耗增加等一系列问题[2]。为了更充分地回收排烟余热，以低低温省煤器为核心的烟气余热利用技术得到了快速发展，低低温省煤器联合暖风器技术既提高了排烟余热利用率，又改善了空气预热器的运行环境，在中低硫煤机组上得到了广泛应用[2-6]。但高硫煤机组由于存在严重的低温腐蚀和黏性积灰风险，低低温省煤器技术尚未得到推广。

低低温省煤器出口排烟温度低于烟气酸露点，受到SO3低温腐蚀的威胁。日本三菱重工试验研究表明，灰硫比大于10时，可避免低温腐蚀。美国南方电力公司研究认为当含硫量低于2.5%时，灰硫比在50~100以上可避免低温腐蚀；当含硫量高于2.5%时，灰硫比在200以上可避免低温腐蚀[5-7]。我国典型煤种的灰硫比均大于100[7]，实际运行时，发生低温腐蚀的现象较少。

文献[8]研究了低温腐蚀与黏性积灰之间的耦合机理，认为积灰速率与换热管壁温成反比，黏性积灰分为内中外3层，并给出了黏性积灰层中温度和SO3质量浓度的分布模型。文献[9]研究了颗粒物吸附硫酸酸雾后的团聚现象，认为吸附反应后单个颗粒物存在4种表面形态，颗粒物间存在4种团聚形态。文献[10]通过试验和数值模拟研究了中低温烟气换热器气侧积灰、磨损及腐蚀机理。文献[11]通过高硫煤低低温省煤器中试试验台，研究了低低温省煤器对SO3的协同脱除。文献[12]介绍了高硫高灰低温烟气环境下SO3的行为特性，认为低低温省煤器后SO3的质量浓度主要受烟气温度的影响。

现有研究均以烟道中SO3和灰分均匀分布为前提，未对烟道中SO3和灰分的分布规律进行研究。高硫煤机组尾部烟气中SO3质量浓度可能达到，烟道中SO3和灰分的不均匀分布容易造成局部灰硫比低于100。因此有必要对烟道中灰、硫的分布规律进行研究，推荐适合的灰硫比，以保障低低温省煤器本体的安全。

本文在某高硫煤燃煤机组上搭建低低温省煤器试验台，对低低温省煤器前后不同烟道截面的SO3及飞灰质量浓度进行了测试，研究灰、硫在尾部烟道中的沿程分布规律，提出适用于高硫煤机组的安全灰硫比，以期对高硫煤机组低低温省煤器的应用提供指导。

1 试验方法

1.1 试验系统

某电厂锅炉为亚临界、倒“U”型布置、中间一次再热、平衡通风、露天布置、全钢结构、固态排渣、W型火焰锅炉。尾部配有2台双室四电场静电除尘器。2016年进行了WGGH系统改造，在静电除尘器入口加装低低温省煤器，将静电除尘器入口烟温降低至100 ℃左右，提高机组热效率和静电除尘器效率，减少脱硫塔水耗。

机组设计煤种的收到基硫分为4.06%，2016—2018年期间燃煤收到基全硫的平均值大于3.14%，属典型高硫煤机组。

高硫煤机组低低温省煤器试验系统如图1所示。从锅炉空气预热器出口尾部烟道抽取10 000 m3/h（标态）烟气，烟气经低低温省煤器、静电除尘器和引风机后回到静电除尘器入口的尾部烟道取风口下游[12]。其中前3组模块布置在水平烟道，用于研究水平烟道不同截面上灰、硫的分布规律；后2组模块布置在竖直烟道，用于研究竖直烟道上不同截面灰、硫的分布规律。每2组模块中间布置有声波吹灰器。

图1 高硫煤机组低低温省煤器试验台Fig.1 The ultra low temperature economizer test bed for high sulfur coal-fired unit

1.2 测试方法

试验测点布置在换热模块入口水平烟道上中下，第3组模块出口水平烟道上中下，第5组模块出口竖直烟道内中外，每处在烟道的不同截面测试烟气中的SO3及飞灰质量浓度3组数据。

采用控制冷凝法对烟气中的SO3质量浓度进行测试，具体试验方法及系统见文献[12]。

2 尾部烟道内灰硫比分布

2.1 低低温省煤器前分布规律

表1为低低温省煤器入口水平烟道不同断面的飞灰和SO3质量浓度测试结果。

表1 低低温省煤器进口水平烟道灰硫比测试结果Tab.1 The test result of ash-sulfur ratio in horizontal flue at inlet of the ultra low temperature economzier

由表1可见：水平烟道内飞灰质量浓度在不同断面下高上低，SO3质量浓度下低上高，灰硫比下高上低。这主要是由于重力作用，飞灰在水平烟道内存在分层现象，而在酸露点以上飞灰对SO3有物理吸附作用，飞灰质量浓度高吸附作用强，因此飞灰与SO3质量浓度呈现出相反的规律。

2.2 低低温省煤器后分布规律

表2为低低温省煤器后垂直烟道和水平烟道不同断面的SO3质量浓度测试结果。水平烟道测孔位于第3个模块后，垂直烟道测孔位于第5个模块后。由表2可以看出：

1）低低温省煤器后水平烟道内SO3质量浓度在不同断面上无明显差别。主要原因是虽然在水平烟道不同断面上飞灰含量有所不同，但根据酸露点以下灰硫比对SO3脱除率的影响可以看出，当灰硫比超过100时SO3脱除率受灰硫比的影响较小，而水平烟道上层截面的灰硫比也超过100，因此在低低温省煤器中降温后，不同断面上SO3质量浓度均较小，无明显变化。

2）低低温省煤器后垂直烟道内SO3质量浓度呈现外高内低的规律。主要原因是SO3在低温状态下以飞灰为核心凝结成硫酸液滴，其质量大大增加，与飞灰同一量级，因此遇到弯头，会出现分层现象。

表2 低低温省煤器出口烟道SO3质量浓度测试结果Tab.2 The test results of SO3 mass concentration in flue at outlet of the ultra low temperature ecnomizer

3 数据分析

3.1 最小安全灰硫比确定

水平烟道的主要问题是飞灰在重力作用下的沉降，水平烟道灰硫比均匀度分析见表3。由表3可见，同一个烟道内飞灰质量浓度、SO3质量浓度以及灰硫比的最大最小比值分别在1.48、1.13、1.67左右。

文献[11]试验条件下烟气灰硫比在105.2~436.7之间变化，低低温省煤器出口SO3质量浓度在7.4~20.6 mg/m3变化，平均值为13.4 mg/m3，出口残余SO3量较小。另外，结合高硫煤机组低低温省煤器实炉运行3年，未发生腐蚀，认为灰硫比在100以上比较安全。根据文献[11]的研究成果，当低低温省煤器水平布置时，考虑到灰硫比的不均匀性最高达到1.76，推荐水平布置的安全灰硫比为150。竖直布置的低低温省煤器需要做流场优化，确保烟道截面上飞灰的不均匀性小于10%，因此灰硫比较为均匀，可以认为安全灰硫比为100。

表3 水平烟道灰硫比均匀度分析Tab.3 Analysis result of the uniformity of ash-sulfur ratio in horizontal flue

3.2 灰分对SO3的物理吸附

低低温省煤器进口烟道飞灰对SO3的物理吸附率测试结果见表4。根据测试结果，可以得出水平烟道下部最大飞灰质量浓度与水平烟道上部最小飞灰质量浓度的差值，同时可以得出水平烟道上部最大SO3质量浓度与水平烟道下部最小SO3质量浓度的差值。此时SO3质量浓度的降低值是由于飞灰质量浓度的提高值引起的，由于烟气温度处于酸露点以上，因此引起SO3质量浓度降低的主要因素是飞灰的物理吸附。

定义飞灰对SO3的物理吸附比为吸附单位质量的SO3所需要的飞灰质量，则利用同一工况下不同截面处飞灰质量浓度的提高值除以SO3质量浓度的降低值便可以得出飞灰对SO3的物理吸附比，通过不同测点处的飞灰质量浓度乘以该工况下的物理吸附比，便可以得出不同测点处飞灰对SO3的物理吸附量，由此得出总的SO3质量浓度和飞灰对SO3的物理吸附率。从计算结果可以看出，同一工况下不同烟道截面测点处总的SO3质量浓度基本相同，从侧面证实本文算法的正确性，也证实了测量数据的准确性。

飞灰对SO3的物理吸附率在15.69%~32.45%，同一工况下飞灰对SO3的物理吸附率与飞灰的质量浓度成正比，水平烟道下方测点处的吸附率高于水平烟道上方测点处的吸附率，主要是因为飞灰质量浓度高，则吸附面积大，吸附量也大。

不同工况下，飞灰对SO3的物理吸附量与飞灰的质量浓度总体上成正比，但相关性不强。主要是由于不同工况煤质差别较大，飞灰颗粒的粒径及表面孔隙率有差异，导致其物理吸附能力有差异。总的SO3质量浓度越高，飞灰对SO3的物理吸附率越低，主要是因为总的SO3质量浓度越高，分母越大，则吸附率越低。

表4 低低温省煤器进口烟道飞灰对SO3的物理吸附率测试结果Tab.4 The physical adsorption ratios of fly ash to SO3 at inlet flue of the ultra low temperature economizer

3.3 烟道内灰、硫迁移模型

根据测试结果提出了烟道内灰、硫的迁移分布模型，即水平烟道和竖直烟道内加装低低温省煤器前后灰分、硫分以及灰硫比在不同烟道截面上的分布规律，结果如图2所示。

图2 烟道内灰、硫的迁移分布模型Fig.2 The migration and distribution model of ash and sulfur in flue duct

低低温省煤器前SO3为气相，飞灰对其仅为物理吸附，因此其质量浓度与飞灰质量浓度成反比。飞灰由于重力作用其质量浓度在水平烟道内的分布是上低下高，因此SO3的质量浓度分布为上高下低，灰硫比的分布为上低下高。

低低温省煤器后烟气温度降低至酸露点以下，SO3为雾状，与飞灰的反应为化学反应，且残余质量浓度在15 mg/m3以下，飞灰对其物理吸附差异不明显，因此在水平烟道截面上分布较均匀，而飞灰由于重力作用其质量浓度在水平烟道内的分布是上低下高，因此灰硫比为上低下高，由此计算的灰硫比分布同样为上低下高。遇到弯头后分布规律受惯性力的影响，飞灰质量浓度外高内低，SO3质量浓度也是外高内低，但是SO3由于雾滴颗粒非常细小，受惯性力影响较小，其质量浓度内外差异不大，因此相应的灰硫比为外高内低。

4 结 论

1）低低温省煤器前水平烟道内飞灰质量浓度在不同断面下高上低，SO3质量浓度下低上高，灰硫比下高上低。

2）低低温省煤器后水平烟道内SO3质量浓度在不同断面上无明显差别，在垂直烟道内外高内低。

3）当低低温省煤器水平布置时，推荐安全灰硫比为150。当低低温省煤器竖直布置时，推荐安全灰硫比为100。

4）飞灰对SO3的物理吸附率在15.69%~32.45%，飞灰对SO3的物理吸附率与飞灰的质量浓度成正比，总的SO3质量浓度越高，飞灰对SO3的物理吸附率越低。