蓄热元件动态壁温控制技术解决空预器堵灰问题研究

石伟伟,申先念,韦红旗,王华志

(1.浙江兴核智拓科技有限公司，浙江 丽水 323000；2.东南大学，江苏 南京 210000)

1 引言

当前电力行业全面执行燃煤机组超低排放标准，要求NOx排放指标不高于50 mg/m3[1]；部分地区最新出台的深度减排政策要求NOx排放浓度不高于30 mg/m3；某些发电集团或地方管理部门甚至提出不高于20 mg/m3的环保领先指标要求。我国十四五规划中，生态环境部也明确把NOx减排作为空气质量改善关键指标之一。控制NOx排放技术主要包括低氮燃烧和烟气脱硝[2-3]，国内燃煤锅炉采用的NOx减排工艺主要是炉内低氮燃烧和选择性催化还原技术(SCR)或选择性非催化还原技术(SNCR)等的多技术联合使用方案[4-8]。然而燃煤机组脱硝装置在还原剂用量不精准、烟气流场不均以及氨氮混合不均匀等因素的影响下，产生大量氨逃逸并进入下游设备[9-12]。上述逃逸的氨与烟气中SO3、水蒸气等生成硫酸氢铵（ammonium hydrogen sulfate,ABS），烟气中SO3与水蒸气生成硫酸，两种物质在烟气流经下游回转式空预器蓄热元件降温过程中均会凝结，黏附飞灰，导致较为严重的空预器堵灰问题[13-17]。

应对回转式空预器堵灰难题，电厂常采用暖风器、热风再循环和空气循环风防堵等技术手段[18]，但仍不能很好解决此问题。此外，通过运行方式调整，采用单侧烟气升温法也在解决空预器堵灰问题中有应用实践，且应用效果显著。单侧烟气升温法可以通过机组运行方式调整提高ABS沉积区壁温，达到使积灰变松散的目的，因此其具有无需辅助设备、经济适用和耗时短等优点[19-21]。然而，排烟温度上升幅度较大不仅可能造成空预器动静碰磨，而且会对下游除尘器、引风机等设备的安全运行造成不利影响，一定程度上限制了该技术的广泛应用。

为突破常规单侧烟气升温法使用过程中存在的局限，提高空预器防堵性能，本文以某600 MW机组空预器为研究对象，提出一种防堵改造技术方案，即通过增加分环轮循升温模块达到分环提升蓄热元件壁温的目的，并进一步增加分环轮循吹扫模块巩固清灰效果。通过对空预器常规运行方式和分环轮循升温方式下壁温和气体温度场模拟计算结果的分析可知，分环轮循升温方式能够显著提高空预器冷端局部蓄热元件壁温，而平均排烟温度提升幅度较小。该技术方案可有效应对空预器堵灰难题，并为空预器防堵技术发展与应用提供理论依据与参考。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

本文以某600 MW燃煤机组两台对称分布的三分仓回转式空气预热器为研究对象，旋转方向为烟气-二次风-一次风-烟气，烟气/二次风、二次风/一次风和一次风/烟气扇形板这三者所占角度分别为22.5°、15°和22.5°，烟气、二次风和一次风分仓所占角度分别为 165°、135°和 22.5°。转子直径Φ14.235 m，热端和冷端蓄热元件高度均为1.1 m。该燃煤机组在超低排放改造完成后，空预器存在较为严重的堵灰问题。

2.2 防堵改造技术方案

2.2.1 防堵改造技术方案原理

为解决该空预器堵灰难题，提出空预器防堵改造技术方案，具体为增加“分环轮循升温模块”和“分环轮循吹扫模块”，提高空预器蓄热元件的持续清灰及防堵灰能力。

上述防堵改造技术方案是将空预器转子冷端端面分为多个环形区域，并同步将冷二次风道分隔为相应的多个环形独立进风通道，通过轮循控制进入各个环形通道的冷风量，控制该环形分区内蓄热元件的热交换量，提升该环蓄热元件壁温，气化粘附在蓄热元件内部的酸液，使积灰变得松散，同时在空预器冷端设置热风分环轮循吹扫分仓，对该环升温区域引入热一次风进行吹扫，提高蓄热元件的清洁度，强化防堵效果，并对非升温区域提供临时热风保护。

“分环轮循升温模块”和“分环轮循吹扫模块”两个功能模块相互配合，对空预器蓄热元件实现分环动态壁温控制的同时，配合分环强化吹扫，解决空预器堵灰难题，具体实现方式如图1所示。

图1 分环轮循升温模块+分环轮循吹扫模块防堵方案示意图Fig1.Schematic diagram of the scheme of the sub-cycle heating module combined with the sub-cycle purging module

“分环轮循升温模块”实现方式为：在空预器转子冷端端面设置周向隔板和密封，把蓄热元件冷端端面划分为3个独立的环形进风区间；同步将冷二次风道通过隔板划分为3个独立的进风风道，冷二次风的3个风道出口分别与冷端端面的3个环形进风口依次连通，从而使转子在冷端二次风分仓内部形成了3个环形的进风区间。每个独立的冷二次风风道进口分别设有调节门，以此控制进入蓄热元件各环的冷二次风风量。

“分环轮循吹扫模块”实现方式为：在空预器冷端一次风分仓和二次风分仓之间设置防堵灰吹扫分仓，防堵灰吹扫分仓进口与热一次风道相连通，在防堵灰吹扫分仓出口用隔板将防堵灰风道划分为3个独立的风道，且3个独立的风道出口分别与3个独立的环形进风口相对应。每个独立的防堵灰吹扫风道的进口分别设有调节门，以此控制热一次风进入防堵灰吹扫分仓3个分环出口的风量。

根据上述原理，当减小上述冷二次风风道上的某个冷二次风分环调节门开度，相应的该通道内的冷风流量减小，对应该环蓄热元件内的热交换量将减小，其覆盖流通的整环蓄热元件壁温将会上升，粘附在其壁面上的ABS逐步气化、积灰变得松散；同时可在该环对应的防堵灰吹扫风道中引入高压热一次风，实现对整环蓄热元件协同升温和吹扫，进而强化积灰清除效果。需要补充说明的是，为保证锅炉炉膛燃烧的空气量基本不变，非升温环流通的冷空气量增大，对应环排烟温度会降低，为了避免分环升温期间蓄热元件局部堵灰恶化，可以对非升温环引入热一次风吹扫，提供临时性热风保护。

2.2.2 防堵改造技术方案示意

为了实现上述方案，首先在空预器冷端一次风与二次风分仓之间建立一个防堵灰吹扫分仓；从热一次风母管引一股高压热风，分三个通道，自流至防堵灰吹扫分仓，每个吹扫通道上分别安装调节门；在转子冷端底部增加环向分隔板，将转子冷端分为三环，并新增周向和径向密封以减小空预器冷端的漏风及各环之间的窜风，如图2所示。

图2 防堵灰吹扫分仓及冷端分环实施方案示意图Fig.2 Schematic diagram of the implementation scheme of anti blocking soot blowing by bin and cold end by ring

其次需在二次风分仓内将空预器冷二次风道分隔为三个通道，入口均为矩形、出口均为扇形，矩形入口分别安装挡板式调节门，扇形通道出口与转子冷端端面的分环相对应，如图3所示。

图3 冷二次风道分环实施方案示意图Fig.3 Schematic diagram of loop separation implementation scheme for cold secondary air duct

以上主要机务改造工作均在空预器冷端二次风分仓及风道中进行，改造实施空间较大，施工难度较小；主要活动部件为挡板式调节门，制造技术成熟，设备可靠性高；冷二次风道较长，可以根据现场实际情况安装异形过渡风道；热一次风管道距离防堵灰吹扫分仓较近，风道较短，且走向设计灵活；整体实施方案较为紧凑，安全系数高。

2.3 建模分析方法

2.3.1 硫酸氢铵（ABS）物理特性

对于配备了SCR系统的燃煤机组，导致空预器堵灰的主要物质是ABS[22]。在空预器工作环境下，ABS的熔点为147℃、露点为200℃左右，所以ABS在空预器工作温度区间存在液态区间，尤其是在空预器中下部处于粘性液态。综合温度、反应物浓度和飞灰等因素的影响，可以认为ABS在空预器中的沉积温度区间为150～190℃[23]。

在一定时间周期内，ABS沉积过程是可逆的，可以通过提高蓄热元件壁面温度使固态或液态ABS重新转变为气态。根据ABS相变特性可知，随着温度的提升，其在烟气中的气态浓度迅速提高，烟气温度从190℃升高到230℃左右时，烟气中气态饱和硫酸氢铵浓度可提升三个数量级以上。

综上，只要能够大幅提升空预器排烟温度和蓄热元件金属壁温，就能够很好地解决ABS沉积导致的空预器堵灰问题。

2.3.2 温度场计算方法

根据回转式空预器的工作原理，以及稳态工况下空预器内受热面和流体之间换热关系与能量平衡原理建立转子的微元方程。如图4所示，微元体半径选取为转子半径，角度为dβ，高度为dl。由此得到受热面换热的微元体方程（1）、流体换热的微元体方程（2）：

图4 空预器转子微元体示意图Fig.4 Schematic diagram of air preheater rotor micro-unit

式（1）、（2）中：cm为受热面比热容；mm为单位高度、单位弧度下受热面质量；αf为流体与受热面的换热系数；h为单位高度、单位弧度下受热面换热面积；tm为受热面温度；tf为流体温度；cf为流体比热容；pf为流体密度；wf为流体流速；a为单位弧度下流体通流截面积；β为通道所占角度；n为转子转速。

在计算过程中，由于热端和冷端蓄热元件换热参数不同，应对热端和冷端分别进行计算。为了提高计算所得温度场的精确性，在此基础上将热端和冷端蓄热元件沿高度方向分别均分成4段，并将蓄热元件沿圆周方向分为3区，即烟气区、二次风区和一次风区，最终得到24个计算区域。忽略回转式空预器携带漏风对计算的影响，将直接漏风点设置在区域入口处，因此将各区域流量更新为包含漏风的流量，并同时考虑漏风温度对各区域温度影响。利用差分代替式（1）中的微分，进一步得到各区域传热与蓄热方程：

式（3）、（4）中：下标j=1,2,3分别表示烟气区、二次风区和一次风区；下标n=1,2,...,8，沿转子高度方向分别表示“热端1～热端4”和“冷端1～冷端4”；Hj,n表示第j区第n段换热面积；tj,n-1、tj,n分别表示第j区第n段流体进口平均温度和出口平均温度；tmj,n表示第j区第n段受热面竖直截面平均温度；Wfj,n表示第j区第n段速度；mj,n表示第j区第n段受热面总质量。

结合式（3）、（4），并利用计算程序进行假设和迭代计算可以得到空预器在采用常规运行方式和分环轮循升温运行方式下的蓄热元件壁面温度场和气体温度场。在对空预器采用分环轮循升温运行方式的计算中，选取第一环为升温环，假设该环的二次风进风量为初始进风量的50%，其余二次风量则平均分配至第二环与第三环。空预器设计参数和计算边界条件分别列于表1和表2。

表1 空预器设计条件Tab.1 Modeling conditions of air preheater

表2 空预器计算条件Tab.2 Modeling and calculation conditions of air preheater

3 结果与讨论

3.1 蓄热元件壁面温度场特征

根据表1中空预器设计参数以及表2中的边界条件，通过运行计算程序可以得到蓄热元件内部金属壁面温度场和气体温度场。其中蓄热元件壁面温度场分布如表3所示。

表3 蓄热元件壁面温度场分布Tab.3 Temperature field distribution on the wall of the thermal storage element

在计算过程中将热端和冷端蓄热元件沿高度方向分别均分成4段，分别对应表中“热端1～热端4”和“冷端1～冷端4”。根据常规运行方式下蓄热元件壁面温度分布可以看出，蓄热元件在“冷端1～冷端3”的高度区间内壁面温度为120～232℃，大部分处于ABS的沉积温度区间内，说明硫酸氢铵积灰发生在空预器蓄热元件中下部，与实际积灰情况一致。

常规运行方式和分环轮循升温运行方式下蓄热元件金属壁温随蓄热元件高度变化曲线如上图5所示。在分环轮循升温运行方式下，升温环的金属壁温有明显的提升，冷端端面平均壁温较常规运行方式提升了约115℃，并且整体冷端蓄热元件烟气侧金属壁温提升至200℃以上，此状态下ABS由固相或液相转化为气相，完成粘结性积灰的解吸附过程。虽然非升温环的ABS沉积区有上移趋势，但由于ABS的沉积与飞灰粘附是一个漫长的过程，在短时间的轮循升温过程中ABS沉积影响不大。因此，利用分环轮循升温方法提高金属壁温，可有效清除空预器蓄热元件积灰。

图5 金属壁温随蓄热元件高度变化曲线Fig.5 Variation curve of metal wall temperature with height of heat storage element

3.2 气体温度场特征

图6为常规运行方式和分环轮循升温运行方式下空预器出口烟气温度随蓄热元件高度变化曲线。

图6 出口烟气温度随蓄热元件高度变化曲线Fig.6 Variation curve of outlet flue gas temperature with height of heat storage element

常规运行方式下，各环烟气温度介于升温环和非升温环之间。当进行轮循升温时，升温环出口烟气温度可达到237℃左右，不过基于单侧空预器三环加权平均排烟温度仅为140℃左右（三环烟气在同一烟道内流动并充分掺混），较常规运行方式下的平均排烟温度仅提升16℃左右，对后续除尘器等设备的影响较小。

3.3 空预器防堵技术对比及讨论

为了进一步对上述防堵改造技术方案进行验证，本文结合现有空预器防堵技术方案进行对比分析[24-25]，见表 4。

表4 空预器防堵技术对比Tab.4 Comparison of air pre-heater anti-blocking technologies

基于以上对比分析，蓄热元件动态壁温控制技术不失为解决当下业内普遍存在的空预器堵灰难题的较佳选择，其改造工作量不大，运行能耗也不高，且基本无其它明显弊端。

4 结语

本文为解决空预器堵灰难题，以某600 MW燃煤机组回转式空预器为例，提出一种“分环轮循升温模块”与“分环轮循吹扫模块”联合的防堵改造技术方案，从而实现蓄热元件壁温的动态控制。通过建立空预器换热模型进行温度场模拟计算，对其在常规运行方式和分环轮循升温运行方式下的温度场分布进行了对比分析，同时对比讨论了现有的空预器防堵技术。

（1）采用空预器分环轮循升温进行堵灰治理时，单环冷端蓄热元件壁温可提升至200℃以上，高于ABS沉积温度区间，可有效清除积灰；配备分环轮循吹扫模块可进一步提高清灰效果。

（2）采用空预器分环轮循升温进行堵灰治理时，在本文计算案例中，三环加权平均排烟温度仅为140℃左右，较常规运行方式下的平均排烟温度仅提升16℃左右，对后续除尘器等设备的运行影响较小。

（3）该技术方案较常规的空预器堵灰治理方案，具有改造范围小、运行方式灵活、对锅炉燃烧稳定性和下游设备安全性影响较小等技术优势。