回转式空气预热器热风吹扫防堵控制技术探析

2022-01-14刘康

科技创新与应用 2022年2期

刘康

（邢台国泰发电有限责任公司，河北邢台054000）

随着环保要求的提高，火力发电厂的电站锅炉需要进行脱硝设备改造，脱硝设备一般采用氨作为脱硝反应剂，采用催化剂加速烟气中的S 和NH3进行反应，为了保证脱硝效率，一般采用过量喷氨的方式，这就产生了过量的氨逃逸，逃逸的氨和锅炉烟气中的硫酸物质反应生成硫酸氢铵，在146~207℃范围内，硫酸氢铵一般为液态物质，此温度区域正处于锅炉回转式空气预热器（以下简称空预器）换热元件部位，换热元件由密密麻麻的波纹板轧制而成，而液态的硫酸氢氨容易沾附锅炉烟气中的飞灰形成粘性易堵物质，该易堵物质会沾附在换热元件波纹板上，逐渐累积板结，形成顽固积灰导致回转式空预器的堵塞。此外SCR 脱硝装置随着脱硝催化剂的老化，会致使氨逃逸率升高，同样会引起锅炉尾部空气预热器设备的堵塞，给电厂的安全运行带来影响。

1 空预器脱硝堵塞问题的原因

空预器堵塞在我国火电机组中不是一个新问题，与烟气里的SO3关系很大。我国燃煤电站装机容量较大，电站锅炉燃用煤质中含硫量0.3%~6%不等，燃煤在锅炉内燃烧过程中会产生SO3，所产生的SO3的量可以从低硫煤的几个ppm 到高硫煤的30~40ppm，甚至更高，图1 为某电厂实测的炉膛出口SO3浓度与燃煤含硫量的关系，煤种的含硫量越高，则SO3的生成量也越大。

图1 燃煤含硫量与生成SO3 量关系

同时，受环保标准控制，许多燃煤电厂安装了SCR系统，用于对燃烧产生的NOx进行脱除以满足环保标准对NOx排放浓度的要求。SCR 技术的投用也会增加烟气中SO3的总量，催化剂催化NOx与NH3（氨）反应被还原成氮气和水的同时，一小部分的SO2会被氧化成为SO3。由于脱硝装置所采用的催化剂不同，所以SO2被氧化的比例在0.4%~2.2%范围内变化。同样，SO3的产生也和催化剂相关，根据美国燃煤火电厂国家实验室数据来看，锅炉烟气中产生的SO2大约有2%会被继续氧化生成SO3，而易于氧化的催化剂会使SO3的生成量加倍提高。图2所示为烟气流动过程中SO3的形成过程。

图2 烟气流动过程中SO3 的形成过程

烟气中的SO3是导致空预器堵塞的主要原因，SO3和烟气中的H2O 结合生成硫酸，硫酸进一步和逃逸的氨结合生成硫酸氢氨，这两种物质在空预器中均呈现液态，易吸附飞灰，沾污空预器换热元件波纹板，其生成反应分为以下两类。

（1）SO3和烟气中的H2O 蒸汽生成H2SO4，当空预器冷端换热元件金属温度低于烟气中H2SO4的露点温度，就会出现了硫酸（H2SO4）结露的情况，结露的硫酸一方面腐蚀空预器蓄热元件，使其不再光滑，容易沾灰；另一方面结露的硫酸呈液态附着在壁面上，使沾灰的情况加剧，造成空预器堵塞。针对这项问题，主机厂家经验较为丰富，在设计时已有考虑，一方面通过设计煤质计算烟气酸露点，通过换热计算控制烟气温度高于酸露点之上，同时配有暖风器，在风温较低时提升烟温避免出现结露的情况；另一方面新建机组或近期改造空预器冷段多采用镀搪瓷蓄热元件，避免硫酸（H2SO4）结露后出现的腐蚀和沾灰的情况。硫酸（H2SO4）结露这种原因造成的空预器堵塞问题已基本被现有技术解决了。

（2）烟气中SO3在生成硫酸后，硫酸进一步和脱硝装置逃逸的氨进行反应，生成硫酸氢氨（NH4HSO4，或称ABS）。另一种因SO3造成的堵塞就和ABS 有关，它是SO3与NH3反应生成的，这种形式的空预器堵塞在燃煤电厂进行脱硝改造后才大范围出现。如前面所述，为实现达标排放，降低NOx浓度，许多燃煤电厂装设了SCR 系统，由于流场不均匀、反应不充分等原因，SCR 系统的氨（NH3）逃逸是无法避免的，因此SCR 后烟气中SO3和NH3是同时存在的，在不同的温度区间和不同的浓度分布情况下可能存在的反应如下：

由反应式（1）~（5）可知，SO3和NH3反应生成物主要有两种：硫酸铵（（NH4）2SO4，或称AS）和硫酸氢铵（NH4HSO4），主要取决于NH3/SO3摩尔比。当NH3/SO3摩尔比大于2.2 时，主要生成硫酸铵物质，在空预器的运行温度较高时，硫酸铵为干燥固体粉末，粉末可以随烟气直接带走，这对空预器影响很小，而随着运行温度的降低，生成的硫酸氢氨呈现液态，液态硫酸氢铵是一种粘性很强的物质，很容易在空预器沉积，它易于沾附锅炉烟气中的飞灰，形成粘结物，粘结物进而沾污空预器蓄热元件波纹板，逐层板结后形成顽固积灰，使空预器排烟温度升高，阻力升高（最高可升至近4000Pa）造成空预器堵塞。目前设计要求是将氨逃逸控制在2~3ppm 以内，而燃烧生成加上SCR 催化后烟气中SO3的浓度普遍在10ppm 以上，因此SO3和NH3反应生成物多为硫酸氢铵（NH4HSO4）。图3 为NH3/SO3摩尔比对硫酸氢铵和硫酸铵形成的影响。

图3 NH3/SO3 摩尔比对硫酸氢铵和硫酸铵形成的影响

逃逸的氨和烟气中的三氧化硫反应生成硫酸氢铵，硫酸氢铵在146~207℃范围内呈现液态，液态硫酸氢铵会粘结烟气中的飞灰，沾污在空预器中下层元件处（如图4 所示），空预器在运行一段时间后极易发生堵塞，目前国内机组的实际使用情况表明，对于堵塞的空预器，在线很难将堵塞物完全清除（如图5 所示），只能停炉清洗。在线主要依靠加强吹灰参数、吹灰频率的措施来控制空预器阻力，这将引起送引风机电流升高，排烟温度升高，漏风率升高，严重时影响机组带负荷，所以空预器防堵问题是目前国内机组普遍存在并急需解决的严重问题。

图4 传热元件层边缘积灰效应

图5 冷端蓄热元件堵灰情况

2 热风清洗技术原理

硫酸氢铵是一种酸式盐，是一种离子化合物，由硫酸氢根离子和铵根离子组成，英文名称：Ammonium Hydrogen Sulfate。分子式：NH4HSO4，分子量：115.10。理化性质：白色结晶，相对密度1.78，溶于水，微溶于乙醇，不溶于丙酮。硫酸氢铵：NH4HSO4，是酸式盐，水溶液强酸性。硫酸氢铵受热易分解的化学方程式：温度不太高时，硫酸氢铵受热分解为：NH3，H2SO4（若高温400℃以上，H2SO4则分解为SO3和H2O）。所以硫酸氢铵受热：NH4HSO4→加热（200℃左右）→NH3H2SO4。

技术原理为：利用液态硫酸氢氨受热易分解的特性，通过热风清洗管道将空预器出口热一次风引出，经调节门调整至合适流量后从空预器二次风冷端引入，在空预器冷端二次风侧新增一块隔离扇形板，利用该隔离扇形板和空预器二次风侧与烟气侧之间的主扇形板形成清洗风仓，将热一次风引入该风仓内，利用一次风和二次风之间的压力差作为动力进行循环，不需要新增风机设备，使热风从下往上逆流吹扫空预器换热元件波纹板。利用热风的高温使该清洗分仓内的温度场迅速提高，蒸发清洗分仓内的液态硫酸氢氨，同时利用热风的高流速对空预器换热元件波纹板上携带的飞灰进行24 小时不间断地冲刷吹扫。通过蒸发液态硫酸氢氨和吹扫浮灰，实现防止空预器堵塞的效果。

3 热风清洗技术应用方案

总体技术方案为：利用一次风和二次风之间的压力差作为循环动力，在空预器冷端二次风侧新增隔离桁架和隔离扇形板，形成一个2.5°的清洗分仓，然后在空预器出口的热一次风管道上抽取热风，通过管道引入清洗分仓内，提高清洗分仓内的温度到230℃（硫酸氢铵液态结露温度为207℃，设计考虑23℃的温度余量），使液态硫酸氢氨受热分解，空预器热端部位的壳体、桁架、扇形板、烟风道接口等设备均无需改造。可以利用一次风和二次风之间的压力差作为循环动力，因此不需要增设风机设备。其设备布置如图6 所示。

图6 设备布置图

以空预器旋转方向为烟气→二次风→一次风为例，换热元件波纹板在空预器烟气侧受热，当换热元件转入二次风侧时，金属波纹板被冷风冷却，波纹板上附着的液态硫酸氢氨和飞灰等易堵物会沾污波纹板更牢靠，逐步形成板结物。图7 为实测的烟气仓内空预器换热片温度分布。

图7 空预器烟气分仓内换热片温度分布

由图7 可知，当空预器加热完冷风重新返回烟气仓时温度是最低的，此时较低的温度极易导致硫酸氢铵的凝结，高粘度的液态ABS 极易粘附烟气中的飞灰，沾有飞灰的粘性混合物随烟气进入下游低温区时，使ABS 凝结成坚硬的固体附着在壁面无法被吹走从而造成堵塞，温度越低ABS 凝固速度越快，因此越靠近空预器出口，固体堵塞物越多，空预器堵塞越严重。

利用液态硫酸氢氨受热会分解的特性，将热一次风引至空预器冷端，在冷端二次风侧新增一个隔离清洗分仓，利用热风逆向加热蓄热元件波纹板，这样一方面高温热风可使液态的硫酸氢氨受热分解，使堵塞物分解，另一方面还可以利用热风的高流速（比常规流速高4~6 倍）将清洗分仓内的堵塞物吹离空预器。彻底解决堵塞物对空预器的影响，可有效解决空预器换热面腐蚀及堵塞的问题。

以300MW 工程预热器为例，初步计算如下：

空气预热器型号为29-VI（T）-QMR，立式倒置，三分式，一次风开口50°、逆转，36 分仓空气预热器，双密封结构。

计算方法：回转式预热器基本上采用计算机有限单元法数值计算，这种算法能输出全转子金属和流体温度场，计算精度远高于传统的计算传热系数方式的整体算法。本算法1983 年由美籍华人Li Chung-Hsiung 提出。目前这种算法已为各主要预热器制造商广泛采用，并已完成程序化，我国各预热器厂家引进的计算程序中也采用此算法。

对每个分仓中的每段蓄热元件（物理参数不同）细分为一定数量的单元层（用i 表示，沿流体方向递增编号），在回转方向每个仓中都划分为一定数量的单元列（用j表示，沿转子转向编号）。微元层数和微元列数量范围一般为5~25 个。考虑计算方便，便于理解，通常将各烟气和空气分仓的某一段元件划分为一个独立的“大计算单元”，在这些“大计算单元”中，蓄热元件的几何参数相同，流体的属性参数为简化计算，取用该段内部积分加权平均值。这样的“大计算单元”如图8 所示。对设有三段元件的四分仓预热器，这样的“大计算单元”共有3（段）×4（分仓）＝12 个。从预热器结构来看，在一个“大计算单元”内部的换热单元体可以理解为一个“楔型”物体，如图9所示。