空气预热器硫酸氢铵积灰特性实验研究

单鑫晨，雷健康，赵伶玲

(东南大学 能源与环境学院，南京 210096)

机组深度调峰后，空预器ABS积灰堵塞问题更加突出，不少机组空预器清洗后运行不到3个月，就会出现严重的空预器阻力上升、引风机抢风失速，甚至引发机组主燃料跳闸(MFT)。而目前火电机组的引风机多采用轴流式风机，这类风机在流量小、阻力大的工况下，特别容易超出驼峰曲线的安全区。深度调峰低负荷工况下，由于系统烟气流量小，空预器阻力上升会引起风机失速、抢风、喘振，严重威胁机组运行的安全性[4-5]。

笔者搭建小型模拟空预器实验台，配制不同ABS-飞灰质量比的实验灰样，分析ABS黏结性积灰的沉积特性(简称积灰特性)，研究烟气温度、烟气流速、飞灰颗粒粒径、ABS-飞灰质量比等参数对空预器蓄热板表面积灰特性的影响，可为空预器积灰预测和现场运行提供参考。

1 实验方法

1.1 实验设备

为研究ABS在空预器蓄热板上的积灰特性，自主设计并搭建了小型模拟空预器实验台(见图1和图2)。热风枪产生的热空气与配制好的实验灰样充分混合形成模拟烟气；模拟烟气进入实验段，灰分在蓄热板(见图3)表面沉积，其中含有ABS的飞灰会黏结在蓄热板表面。实验结束后，对蓄热板表面沉积的飞灰颗粒进行采集和数据处理。

1—热风枪；2—球阀；3—注灰器；4—蓄热板段；5—测温计；6—数据采集卡；7—计算机；8—灰样收集装置。

图2 小型模拟空预器实验台实物图

图3 蓄热板

主要实验设备介绍如下：

(1)热风枪。2 800 W大功率数显热风枪，温度和风量均可调，温度为60～600 ℃，风体积流量为300～600 L/min。

(2)注灰器。实验采用大容量手推式注射器和小型漏斗的组合作为注灰器，最大容量为500 mL，出灰口直径为5 mm。

考虑到ε≈vt/cp,cp为岩石介质中的纵波速度，依据流体弹塑性内摩擦侵彻理论,可以得到不同的岩石粒子速度下，岩石介质侵彻的阻抗函数[3，11]为

(3)测温计。实验采用了快速测温计，搭载高精度热敏传感器，测温精度为0.1 K，测温范围为-50～300 ℃。

(4)蓄热板积灰段。积灰段的外壳为定制的长方体密闭钢壳，尺寸为1 000 mm(长)×200 mm(宽)×10 mm(高)。

1.2 飞灰特性分析

对采集的飞灰分别进行了X射线荧光光谱分析(XRF)和粒径分布测试，以进一步探究所采集飞灰的特性，结果见表1。从表1可以看出：飞灰中含有大量的氧化物，SiO2和Al2O3分别占到氧化物总量的46.41%和43.23%，其他氧化物含量总占比为10.36%。高温下ABS液化(ABS的液化温度为220～493 K，空预器的运行温度为313～393 K)，会与金属氧化物发生化学反应，主要化学反应式为：

表1 飞灰XRF测试结果

Al2(SO4)3+3(NH4)2SO4+3H2O

(1)

1.3 数据处理

1.3.1 ABS黏附率

定义ABS黏附率为沉积在蓄热板表面的ABS黏结性积灰质量与总积灰质量之比，其计算表达式为：

(2)

式中：I为ABS黏附率；m1为表面清洁的蓄热板质量；m2为实验结束后，总积灰质量和蓄热板质量之和；m3为清理掉松散性积灰后，ABS黏结性积灰质量和蓄热板质量之和。

1.3.2 颗粒粒径分布

通过飞灰颗粒粒径分布可以研究ABS与飞灰颗粒的黏附机制。采用8411电动振筛机进行粒径的筛分，配备的标准套筛尺寸分别为150目(对应飞灰颗粒粒径为100 μm)、200目(对应飞灰颗粒粒径为76 μm)、300目(对应飞灰颗粒粒径为54 μm)、500目(对应飞灰颗粒粒径为30.8 μm)。实验表明，当飞灰质量小于100 g时，最佳筛分时间为10～15 min。由于每次实验沉积的飞灰质量较少，因此将相同实验条件下A板和B板表面的飞灰均匀混合后进行粒径分布的测量。取80 g待筛分灰样，进行15 min的筛分，以达到最好的筛分效果。

1.3.3 积灰强度

定义积灰强度为单位面积上的蓄热板表面沉积的飞灰颗粒的质量。通过积灰强度可以表征积灰的严重程度，其计算表达式为：

(3)

式中：O为积灰强度；A为蓄热板面积。

2 积灰特性影响分析

分别对蓄热板A板和B板表面积灰特性进行研究，从烟气温度、烟气流速、ABS-飞灰质量比、飞灰颗粒粒径分布4个方面开展了实验研究。

2.1 温度的影响

在温度为493 K、流速为8 m/s、ABS-飞灰质量比为1/25的条件下，实验所得A板和B板表面的总积灰图和ABS积灰图见图4。由图4(a)、图4(c)可以看出：蓄热板表面几乎完全被飞灰颗粒覆盖，在波纹的“凹谷”处积灰较多，而在波纹的“凸峰”处积灰较少。由图4(b)、图4(d)可以看出：ABS积灰主要出现在蓄热板波纹的“凹谷”处。ABS积灰颗粒粒径较大，并且能够黏结在蓄热板表面，这是由于液态的ABS具有强黏性，黏结周围的飞灰颗粒，并附着在蓄热板表面，从而形成了较难清除的ABS黏结性积灰。

图4 蓄热板表面积灰局部放大图

在流速为8 m/s、ABS-飞灰质量比为1/25条件下，蓄热板A板和B板表面ABS黏附率随温度变化的曲线见图5。由图5可以看出：随着温度的升高，蓄热板A板和B板表面ABS黏附率均先增大后减小。当温度为393 K时，A板和B板的ABS黏附率均为0；此时，ABS不具有黏性，无法黏结飞灰产生ABS积灰。当温度为493 K时，A板和B板的ABS黏附率均达到峰值，分别为31.7%和27.9%；此时ABS完全液化，ABS黏附在蓄热板表面并吸附周围的飞灰颗粒从而产生ABS黏结性积灰，而该温度也是造成空预器蓄热板ABS严重积灰堵塞的温度点。因此，烟气中液态ABS的存在是造成空预器积灰堵塞的关键原因，运行中调控烟气温度是减轻空预器ABS积灰堵塞的一种有效方法。

图5 ABS黏附率随温度变化的曲线

2.2 流速的影响

不同流速下蓄热板A板和B板表面ABS黏附率变化曲线见图6(温度为493 K，ABS-飞灰质量比为1/25)。由图6可以看出：随着流速的减小，蓄热板A板和B板表面的ABS黏附率均有所增大，分别增大了18.7%和23.4%，这说明流速对ABS黏附率的影响较大。主要原因为流速的变化导致ABS液化的可能性发生变化，流速越低，ABS液化的可能性越大，导致蓄热板表面ABS黏附率也越大。此外，相同流速下，A板表面ABS黏附率略大于B板。

图6 ABS黏附率随流速变化的曲线

分析图6中不同流速下ABS黏附率的变化率可知：随着流速的减小，蓄热板A板和B板ABS黏附率的增长率均增大，A板ABS黏附率的增长率由2.7%增长到12.2%，B板ABS黏附率的增长率由7.3%增长到11.3%，B板ABS黏附率的增长率变化比A板小。这是由于流速减小，总积灰强度大幅增加，沉积在蓄热板表面的飞灰在ABS液化(主要与温度相关)的条件下更容易积聚在一起，从而更容易产生ABS积灰，ABS黏附率及其增长率也因此有所增大。

2.3 ABS-飞灰质量比的影响

图7为不同ABS-飞灰质量比下蓄热板A板表面ABS积灰实验结果(ABS-飞灰质量比为0时表明无ABS)。由图7可以看出：随着ABS-飞灰质量比的减小，蓄热板表面的ABS积灰量明显减少，ABS积灰区域也相应减小；当ABS-飞灰质量比为1/150时，ABS积灰在蓄热板表面呈现斑状；当ABS-飞灰质量比为0时，蓄热板表面光滑，不存在ABS积灰。

图7 不同ABS-飞灰质量比下A板表面ABS积灰放大图

不同ABS-飞灰质量比下，蓄热板A板和B板表面ABS黏附率变化的曲线见图8。由图8可以看出：随着ABS-飞灰质量比的减小，蓄热板A板和B板表面ABS黏附率均逐渐减小。当ABS-飞灰质量比为0时，A板和B板表面ABS黏附率均减小至0，其中A板ABS黏附率从31.7%减小为0，B板ABS黏附率从27.9%减小至0。这是由于随着ABS-飞灰质量比的减小，飞灰中ABS含量减少，因此其黏附率也会降低。此外，相同ABS-飞灰质量比下，A板表面的总积灰强度和ABS积灰强度均比B板大，而A板的ABS黏附率也都大于B板。这说明积灰强度会影响ABS黏附率的变化，积灰强度越大，ABS黏附率也会相应增大。综上可知，飞灰中液态ABS的含量直接关系到ABS黏附率和ABS积灰强度。因此，可以从源头减少ABS的生成量，以预防或减轻空预器ABS积灰堵塞。

图8 ABS黏附率随ABS-飞灰质量比变化的曲线

2.4 飞灰颗粒粒径的影响

不同颗粒粒径下蓄热板A板和B板表面ABS黏附率变化的曲线见图9。由图9可以看出：随着飞灰颗粒粒径的增大，蓄热板A板和B板表面ABS黏附率均逐渐降低，并且B板表面ABS黏附率比A板降低得更快。当飞灰颗粒粒径<30.8 μm时，ABS黏附率接近60%；而当飞灰颗粒粒径≥100 μm时，A板和B板ABS飞灰颗粒黏附率分别降低了约43.9百分点和49.6百分点。主要原因为飞灰颗粒粒径较小时，其相互作用力较大，并且颗粒之间接触面积大，团聚效果更强，在ABS的黏性作用下更容易黏附在蓄热板表面。小粒径的飞灰颗粒ABS黏附率更高；飞灰颗粒较大时，颗粒之间距离大，分子间作用力小，导致其积灰层松散，难以黏附在蓄热板表面。因此，相比于小粒径的飞灰颗粒，大粒径的飞灰颗粒ABS黏附率低很多。

图9 ABS黏附率随颗粒粒径变化的曲线

此外，对不同温度下蓄热板表面飞灰颗粒进行了粒径分布测试，结果见图10。由图10可以看出：当温度小于418 K或大于493 K时，30.8～<54 μm的飞灰颗粒质量分数最大；当温度为418～493 K时，54～<76 μm的飞灰颗粒质量分数最大；温度为493 K时，54～<76 μm的飞灰颗粒质量分数达到43.8%。这说明随着ABS的逐渐液化，其黏附飞灰颗粒的能力逐渐增强，造成飞灰颗粒的粒径逐渐增大；当温度达到493 K时，ABS黏附率最大，此时飞灰颗粒的粒径也随之增大。

图10 不同温度下蓄热板表面飞灰颗粒粒径分布

3 结语

通过研究，可得出以下结论：

(1)烟气温度是引起空预器蓄热板ABS积灰堵塞的重要原因，在本实验条件下，随着烟气温度的升高，蓄热板表面ABS黏附率先增大后减小，在493 K时黏附率达到峰值。

(2)随着烟气流速的减小，空预器蓄热板A板和B板ABS黏附率的增长率均增大，总积灰强度大幅增加，沉积在蓄热板表面的飞灰在ABS液化的条件下更容易积聚在一起，更易产生ABS积灰。

(3)飞灰中液态ABS的含量直接关系到ABS黏附率，大粒径飞灰颗粒的ABS黏附率比小粒径飞灰颗粒的ABS黏附率低。