锅炉管式空预器积灰堵塞分析及在线清灰装置使用效果验证

南通江山新能科技有限公司 朴明龙 孙嘉成

1 设备基本情况

该厂本次改造的5#锅炉为无锡锅炉厂制造的UG-130/5.3-M8型次高温次高压循环流化床锅炉，单锅筒横置式、单炉膛、自然循环、全悬吊结构、全钢架π型布置。在省煤器后布置6组空气预热器，分别加热一次风和二次风，采用卧式顺列布置，每组之间均留有检修空间。每级空气预热器管子迎风面第一排及两侧各一根管子采用φ42×3.5的厚壁管，其余管束尺寸为φ40×1.5。每级空预器及相应的联通箱均采用全焊接的密封框架，以确保空预器的严密性。末级低温段空预器管子采用考登管。

2017年，由于环保要求对锅炉进行了脱硝系统改造，增加了SCR脱硝系统。改造后由于喷入氨水量控制不当，冷段空预器开始出现腐蚀、积灰、堵塞等问题，严重影响锅炉稳定运行，最严重时锅炉只运行45天就因空预器积灰堵塞而被迫停炉。为解决以上问题提高锅炉运行周期，2020年对锅炉空预器管箱进行整体更新改造，将空预器管材由考登管更新为外镀搪瓷管，尺寸不变。改造后腐蚀情况得到极大改善，但由于管排尺寸和间距未变，积灰堵塞问题没有得到解决。

目前，该电厂对氮氧化物的控制主要采用炉内低氮燃烧改造、选择性催化还原技术（SCR）和选择性非催化还原技术（SNCR）等手段。该厂的脱硝介质为浓度9～11%的氨水，5#炉氨水用量平均在402L/H。氨水和除盐水在锅炉7米层通过氨水分配模块混合后通过氨枪喷入炉膛。由于缺少氨水流量精确调整的手段、氨逃逸在线监测设备等，会出现氨逃逸率大的问题；且氨枪喷头在水平烟道磨损较为严重，影响氨水的雾化及脱硝效率。

地方环保排放指标要求NOx＜20mg/Nm3，为了达到环保要求，炉内SNCR脱硝系统喷氨量明显增加。此外，该厂入炉煤的收到基全硫与设计煤种0.33%相比较高，平均在0.6%左右，高时可达0.8%。硫在燃烧后生成SO2，有一部分进一步氧化成SO3，过量NH3与锅炉燃烧产生的SO3结合，在尾部烟道反应生成硫酸氢铵（NH4HSO4）。硫酸氢铵的露点为147℃，该厂5#炉低温段空预器排烟温度在130℃左右，低于硫酸氢氨的露点温度。硫酸氢氨在低温段以液态形式存在，液态条件下酸性和粘性极强，粘附在空预器管件上，在烟气中粘附飞灰附在管件表面，且由于长期氨腐蚀，空预器和烟道墙板均出现穿孔，导致冷空气进入烟气系统，近一步降低了烟气温度。

烟气中飞灰与硫酸氢铵结合后被快速冷却，在管排之间形成坚硬的铵盐堆积，造成空预器腐蚀和堵灰。运行中5#炉低温段空预器烟压最高增大至4000Pa，空预器压差增大会导致引风机能耗增加，锅炉带负荷能力降低，最终被迫停炉，严重影响该厂发电供热，给电厂运行经济性造成损失。同时由于积灰坚硬无比，每次停炉后清理难度极大，普通压缩空气吹扫等清理方式完全无效，必须使用10MPa高压水对管排间机会进行冲洗，增加运行和检修人员的工作强度，且冲洗还会产生大量高氨氮废水，不可直接排入雨水系统，还需要通过特殊手段进行集中回收和处置，极为不便。

该厂通过对空预器下管箱查漏、更换或封堵处理部分因低温腐蚀穿孔的管束、对尾部烟道空预器管排间积灰进行高压水冲洗等措施，基本能维持1～3个月的正常运行。但高频率的空预器高压水冲洗会导致搪瓷管表面破损严重，空气与低温段烟气混合，出口烟气温度进一步降低，加剧了空预器管腐蚀，造成恶性循环。且冲洗后的大量污水处理也较为繁琐，同时频繁的停炉检修也给连续生产造成的不小的影响。

2 导致空预器冷段频繁积灰的主要问题及解决措施

2.1 空预器管排间距过小

空预器管尺寸为φ40×1.5，节距65mm，相邻两管缝隙仅有20mm，对于黏性较高的飞灰通过性较差，极易在缝隙间形成堆积堵塞；该厂另一种炉型的锅炉空预器管排节距为80mm，在其他运行参数相同的情况下空预器堵灰的速度明显较慢。

2.2 SCR催化剂模块布置方式直接影响堵灰

由于锅炉尺寸以及占地面积的不同，该厂在2017年脱硝改造时对两种炉型设计了不同的SCR催化剂布置方式，1～3#锅炉由于占地较小，锅炉与除尘器之间空间充足，所以将SCR反应器布置在锅炉尾部烟道外侧，内设两侧催化剂模块和一层低温省煤器，并通过进出口烟道与锅炉链接；4～6#锅炉由于占地面积较大，锅炉与除尘器之间的空间狭小，无法布置SCR反应器，所以最终方案是将省煤器分级，并在中间空间内布置了两层催化剂。

通过几年的运行对比和氨逃逸人工比对，在锅炉均接近满负荷和低负荷两种工况时，1～3#炉通过反应器后烟气中的氨逃逸明显低于4～6#炉一体式布置反应器后的烟气。通过分析，原因是外置式反应器的入口烟道较长，且其内布置有烟气导流板，会使烟气更均匀的通过催化剂，提高其脱硝效率；而一体式布置由于烟道空间有限，没有布置均流板，烟气产生偏流的几率更高，所以其催化剂脱硝效率收到了影响。

2.3 锅炉燃料水分过大

入炉煤的全水波动较大，在8～22%之间。水分偏大的原因为码头煤场抑尘喷雾和梅雨季节有关。过大的水分会随着煤炭的燃烧汽化，并跟随烟气进入烟道中。然后在低温空预器中收到冷却，大大提高飞回含水量，为积灰堵塞提供有利条件。

2.4 氨水喷入过量

由于NOx排放要求提高，由原来的50mg/m3提高到20mg/m3，而现有SNCR+SCR脱硝系统的设计能力仅为50mg/m3，且由于原设计不合理和设备老旧裂化严重，现有安装在分离器入口水平烟道两侧的SNCR喷枪，下层喷枪由于安装位置过低，长期被积灰掩埋，无法发挥脱硝作用；SCR喷枪也因雾化喷头选取和安装位置不当，无法达到理想的脱硝效果，长期停用；脱硝供给与分配模块也因设备选型不合理，导致流量计失效、电动调节阀调整线性不好。

运行人员长期使用投退喷枪的方式来控制喷氨量，而退出单支喷枪又会导致喷氨不均匀，也会影响脱硝效率。按照脱硝系统设计的氨水喷入量已无法满足排放要求。为了达标排放，杜绝环保考核，在外部供汽压力较大，锅炉负荷无法降低的前提下，只能通过加大喷氨量的方式来降低NOx数值，用氨逃逸超标来换取NOx排放达标。但这样势必会使大量未反应的氨随烟气进入低温省煤器和空预器，随着烟气温度的下降形成硫酸氢氨，与飞灰一起附着在管壁上形成堵塞。

2.5 空预器漏风率增大、吹灰器失效

由于大量的硫酸氢氨形成，所以空预器冷段的管束和箱体在长期运行中会被严重腐蚀。管排之间以及管排与墙板之间由于积灰导致缝隙变小的时候还会使烟气流向改变、流速增加，无形中又加剧了管束和墙板的磨损。两方面共同作用下导致空预器管束和墙板出现穿孔漏风。空预器管束穿孔会使一次冷风窜入烟气中；空预器墙板穿孔会使环境空气吸入烟气。冷空气进入后会近一步降低烟气温度，加速硫酸氢氨的析出。同时大量的漏风还会导致引风机负荷增大，锅炉带负荷能力降低，锅炉排烟温度异常下降，加剧下游设备的腐蚀和铵盐结晶；锅炉配置的声波吹灰器只对松散的飞灰具有效果，对于黏性较大的飞灰和硬化后的硫酸氢氨无效。并且由于吹灰器使用周期已经10年以上，其吹灰效果本身也已经达不到设计效果，使空预器积灰速度进一步增加。

综合以上因素，该电厂130t/h人工清洗空预器并启动后平均运行周期在60天左右，最短时只有45天就因空预器冷段堵死，导致锅炉无负压停炉。

2.6 解决措施

要彻底解决低温段空预器堵塞问题，从化学角度需抑制NH4HSO4的生成，对氨水模块及喷枪进行改造，减少氨水用量；增加氨逃逸在线监测装置，运行人员及时调整；从物理角度对吹灰，器进行改型，提高对黏性较大积灰的吹灰效果。

由于企业生产需要，锅炉检修时间有限。所以如何采取最为直接有效的改造方案就成为重点。脱硝系统升级改造和吹灰器改型由于投资大、耗时长，不在考虑范围内。如可在锅炉运行中直接清除空预器管束之间的积灰，问题就会从另一方向上得到解决。通过对行业内进行调查和研究，最终寻到一种锅炉在线清灰装置可完美解决该问题。

该种装置由山东某公司研制并申请多项国家专利。主要原理是在空预器管排间安装一种可往返运动的梳齿装置，齿板通过定期在管排间往返运动来达到清理积灰的目的。此装置采用梳齿式结构，梳齿支撑在空预器上端轨道上，清灰元件是一根根特殊材质制成的梳齿板（2.5m长）。整体由连接支撑杆和若干金属板通过特殊的构件组成。工作时可设定动作频率，通过驱动连杆带动梳齿在管排间定期做往复运动，使飞灰不积堵在管排之间，达到清灰的作用。该设备的应用对象是生物质锅炉和垃圾焚烧锅炉，通过对多家使用单位的实地考察调研，设备清灰效果良好，完美解决了空预器积灰堵塞的问题，极大的提高了锅炉运行周期。

2021年7月，在充分调研后决定在5#炉尾部烟道安装3套在线清灰装置并开始试运行。该厂5#锅炉安装有3套清灰装置，并配置有3个就地控制柜，由3台2.2kW的伺服电机驱动。在锅炉启动时，投煤燃烧稳定后投入在线清灰器运行；在锅炉停炉时，引风机停止后退出在线清灰器运行，就地按下停止运行按钮，待梳齿归位后断开各控制柜电源。清灰器运行平稳顺畅，无明显卡涩异音。

根据以往经验，5#炉在对空预器进行水冲洗后，锅炉启动后空预器冷段差压一般在500Pa以下，随着运行时间的增加逐渐增大。一般在运行一个月后会增大至1000Pa以上，严重时直接超过2000Pa。在运行3个月后则增大至4000Pa以上，锅炉无法维持负压。安装在线清灰器后，5#炉运行两个月后，空预器冷段压差仍可维持在600Pa以内，无明显升高，说明该设备清灰效果良好，达到了改造设计预期。随后又分别在4#、6#炉进行了改装，也都取得了明显的效果。

3 需要注意在问题

由于该项技术仍处于研发阶段，所以设备本身仍存在不足。

清灰器的安装质量很重要。如果安装时梳齿板离相邻的空预器管排中心有偏差，在运行过程中空预器管束会与梳齿板摩擦，增加设备运行时的阻力，长时间会导致梳齿板掉落。因梳齿板为特殊材质制作，所以设备与梳齿板摩擦运行时不会对搪瓷管空预器造成损伤。在运行6个月后停炉对空预器进行了检查，未发现明显磨损现象，但部分梳齿出现过变形、扭转和卡涩的情况。后通过分析，主因是设计之初为保护空预器管束和控制梳齿重量，选用了铝合金作为梳齿材质。但使用中发现该型号梳齿对于垃圾焚烧锅炉和生物质锅炉产生的粘性积灰效果优良。但对于燃煤锅炉脱硝后产生的坚硬铵盐积灰其本身强度不足，会在推拉过程中变形断裂脱落或弯曲卡在缝隙中，导致设备无法正常运行。

锅炉运行过程中在线清灰器须保持持续运行状态，每10分钟/20分钟往返运动一次（该频率可与厂家沟通调整）。如设备运行过程中驱动电机、齿轮、链条或轴承等出现故障，会导致设备跳停并报警。若运行人员长时间未发现或发现了无法及时处理该问题，等低温段空预器管间出现轻微堵塞或板结现象后再启动在线清灰器，阻力太大可能会导致电机无法拖动清灰装置运行，造成链条拉断。

锅炉尾部烟道内的清灰机构与炉外的电机靠驱动支撑杆连接，驱动支撑杆穿过炉墙来回运动。驱动支撑杆与炉墙处的密封套件很重要，如密封材质不过关或长时间运行导致磨损严重，会引起低温段空预器漏风且运行过程中不易修复。厂家也尝试过使用液压装置驱动以及气动装置驱动，但由于现场环境恶劣也出现了各种各样的问题，没有实现长期稳定运行。

综上，管式空预器在线清灰装置的出现弥补了行业空白。虽然在设计方面仍有不足，但其投资较低、安装方便、操作简单、维护量小等优势也很明显，尤其是对于卧式管式空预器积灰的清理作用显著，对电厂锅炉、尤其是垃圾电厂和生物质电厂锅炉的安全经济运行产生了显著效果，具备推广应用的价值。