加熱爐引風(fēng)機(jī)葉片積灰及對(duì)策

丁明生

(中國(guó)石油化工股份有限公司揚(yáng)子石化分公司，江蘇 南京 210048)

C2102 引風(fēng)機(jī)處于常壓爐和二級(jí)減壓爐的聯(lián)合空氣預(yù)熱器系統(tǒng)中，引風(fēng)機(jī)的主要作用是依靠電機(jī)輸入的機(jī)械能來(lái)提高加熱爐燃燒產(chǎn)生的煙氣壓力，促進(jìn)煙氣流動(dòng)，進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。引風(fēng)機(jī)規(guī)格型號(hào)為Y4-73-NO18D 左180°，軸功率為220 kW，額定流量為121 830 Nm3/h，操作壓力與工作溫度分別為-70 Pa 和140 ℃，工作介質(zhì)為煙氣。2014 年2 月24 月發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)出現(xiàn)非正常振動(dòng)，停車(chē)檢查發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)葉片上存在積灰現(xiàn)象，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子失去平衡，振動(dòng)超標(biāo)被迫停機(jī)。之后利用高壓水槍和其它機(jī)械手段清垢，使引風(fēng)機(jī)恢復(fù)平衡正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2014 年3 月10 日，該引風(fēng)機(jī)再次出現(xiàn)非正常振動(dòng)，停車(chē)檢查發(fā)現(xiàn)葉片積灰仍是主要原因。文章就積灰形成原因及對(duì)此進(jìn)行了探討。

1 故障分析

1.1 宏觀分析及取樣

C2102 引風(fēng)機(jī)因非正常振動(dòng)停車(chē)后，對(duì)引風(fēng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn):引風(fēng)機(jī)葉片背面及葉片根部邊緣均存在積灰現(xiàn)象，葉片上積灰厚度分布不均勻，見(jiàn)圖1。

圖1 引風(fēng)機(jī)葉片上積灰現(xiàn)象

引風(fēng)機(jī)葉片上積灰具體分布情況，見(jiàn)圖2，圖2 中B 為葉片剖面圖。從圖2 中可看出葉片積灰大致可以分成3 部分:第一部分是葉根到葉片的大約處，這部分積灰較少，但厚度逐漸加大;第二部分是葉片的四分之一處至三分之一處之間，這部分積灰迅速增厚，達(dá)到最厚;第三部分是葉片的三分之一處至葉片頂部，積灰厚度緩慢變薄。

圖2 引風(fēng)機(jī)葉片上積灰分布

葉片上積灰的分布出現(xiàn)上述特點(diǎn)，主要是因?yàn)橐L(fēng)機(jī)在低于額定流量下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)煙氣并非平行于葉片進(jìn)入，而是與葉片存在一定角度。由于該角度的存在，煙氣在葉片背部會(huì)產(chǎn)生漩渦，見(jiàn)圖3。這部分煙氣和葉片背面的相對(duì)速度較低，煙氣中的帶水灰塵很容易黏附在葉片背面，造成積灰。因旋渦的位置大約在葉片的四分之一處，所以該位置的積灰最厚。而在葉片的頂部，由于葉片的高速旋轉(zhuǎn)，使旋渦的強(qiáng)度下降，煙氣流動(dòng)趨向平緩，且葉片與煙氣的相對(duì)速度增大，積灰情況逐漸減輕。而葉片根部邊緣處最先與煙氣接觸，且存在倒角，因此灰漿會(huì)在此處堆積，并很快脫水形成灰殼［1］。

圖3 實(shí)際中煙氣進(jìn)入葉片剖面示意

另外，在引風(fēng)機(jī)出口通道內(nèi)可見(jiàn)到大量積灰存在，因此對(duì)葉片背面、葉片根部邊緣及引風(fēng)機(jī)出口通道內(nèi)積灰分別進(jìn)行取樣，進(jìn)行成分分析。

在取樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)葉片背部積灰表面較軟且黏度較高，越靠近積灰內(nèi)部其硬度越高，而葉片根部邊緣積灰硬度較高，表面未存在軟化。

1.2 積灰垢污能譜分析(EDX)

將葉片背面、葉片根部邊緣及引風(fēng)機(jī)出口通道內(nèi)三個(gè)不同位置的積灰樣品進(jìn)行EDX 分析，其成分分析相似，葉片背面的分析數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn):葉片背面、葉片根部邊緣及引風(fēng)機(jī)出口通道內(nèi)三處積灰成分主要為S，O 和Fe，并含有少量的Ca，Zn，Mg 和Si 等元素，進(jìn)而可說(shuō)明煙氣中存在較高含量的S 和O，且含有金屬及非金屬組成的固體顆粒;葉片背部與葉根根部邊緣處積灰中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同，分別為24.03%和24.3%，其明顯高于通道內(nèi)積灰中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)(16.22%)，進(jìn)而推斷葉片背部及邊緣出現(xiàn)積灰是由于煙氣中的硫含量過(guò)高引起。

圖4 葉片背面積灰EDX 分析結(jié)果

1.3 垢污X 射線衍射(XRD)

通過(guò)能譜儀對(duì)葉片背面、葉片根部邊緣及引風(fēng)機(jī)出口通道內(nèi)3 個(gè)不同位置的積灰樣品進(jìn)行了成分分析。為進(jìn)一步說(shuō)明積灰的物相，又采用XRD 法對(duì)積灰樣品進(jìn)行定性分析，1 號(hào)式樣葉片背面積灰的成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 XRD 分析結(jié)果匯總

從表1 可以看出:1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)積灰樣品均檢測(cè)出ZnSO4，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e2(SO4)3，CaSO4和Al2(SO4)3;而1 號(hào)和3 號(hào)試樣還檢測(cè)出CaSO3;1號(hào)和2 號(hào)試樣還檢測(cè)出FeSO3。

通過(guò)上述XRD 分析結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)S 元素在積灰內(nèi)主要以?xún)煞N形式存在，即和由于氣體中的SO2溶于水形成H2SO3而產(chǎn)生。而一方面是氣體中的SO3溶于水形成的H2SO4而產(chǎn)生，另一方面是被氧化而生成，但該過(guò)程在無(wú)催化劑的情況下反應(yīng)較為緩慢，因此推斷主要是SO3直接溶于水產(chǎn)生的，其中有少量的是由于被氧化而生成。因此，可推斷出煙氣內(nèi)含有SO2和SO3。

積灰中陽(yáng)離子主要為Fe3+，F(xiàn)e2+，Zn2+，Ca2+和Al3+，結(jié)合能譜分析，積灰內(nèi)主要成分為鐵離子，推斷其可能為H2SO4或H2SO3與引風(fēng)機(jī)葉片、主軸或煙道等金屬反應(yīng)生成，但酸根離子是與哪部分反應(yīng)生成的金屬化合物無(wú)法判斷。另外，因積灰物相成分主要為酸根離子與金屬離子結(jié)合的化合物和金屬氧化物，進(jìn)而可排除積灰是由于襯里材料脫落而形成污垢堆積而成。

1.4 引風(fēng)機(jī)葉片積灰原因分析

1.4.1 引風(fēng)機(jī)葉片積灰原理

煙氣中SO3與O2含量偏高，使煙氣的露點(diǎn)溫度升高。當(dāng)煙氣進(jìn)入引風(fēng)機(jī)內(nèi)與葉片接觸時(shí)，煙氣因露點(diǎn)溫度升高，其中固體顆粒與空氣中的微小水滴在葉片表面發(fā)生凝結(jié)，形成黏度很大的灰漿，附著在葉片上。隨著引風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，灰漿中水分會(huì)逐漸蒸發(fā)，灰漿將轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕群艽蟮幕覛?。然后灰殼上再逐步積累灰漿，通過(guò)葉片旋轉(zhuǎn)脫水，逐漸使灰殼的厚度增大，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡被破壞，風(fēng)機(jī)整體出現(xiàn)非正常振動(dòng)。另外，在葉片上提取樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)，積灰表面較軟而黏度很大，越靠近積灰內(nèi)部硬度越大，其進(jìn)一步證明了積灰形成的過(guò)程。

1.4.2 引風(fēng)機(jī)葉片積灰的原因

(1)燃料中有一定硫含量。煙氣含硫會(huì)提高煙氣露點(diǎn)溫度，使煙氣更易在葉片上凝結(jié)形成灰漿;

(2)煙氣濕度較高。排出的煙氣一般會(huì)攜帶少量的水蒸氣。若煙氣中攜帶的水蒸氣較多(即煙氣濕度過(guò)高)時(shí)，這些水蒸氣更容易與煙氣中的小顆粒結(jié)合，形成黏稠性溶液黏附在葉片表面，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)葉片積灰現(xiàn)象越明顯。引風(fēng)機(jī)葉片第一次發(fā)生積灰現(xiàn)象后，利用高壓水槍進(jìn)行清洗。在清洗后一周再次出現(xiàn)葉片積灰現(xiàn)象，這次可能是因?yàn)榍逑春笠L(fēng)機(jī)內(nèi)存在水，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)水蒸發(fā)，導(dǎo)致煙氣濕度加大，進(jìn)而加快了積灰的形成速度。因此在清洗后一周再次出現(xiàn)積灰現(xiàn)象;

(3)煙道漏風(fēng)。煙道因長(zhǎng)期使用會(huì)存在漏風(fēng)，會(huì)降低通道內(nèi)煙氣溫度，導(dǎo)致煙氣中水分凝結(jié)，使煙氣濕度增大，進(jìn)而引起積灰現(xiàn)象。另外煙道漏風(fēng)也會(huì)使得煙氣系統(tǒng)流通阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致煙速降低、飛灰濃度升高，最終引起積灰現(xiàn)象發(fā)生;

(4)爐膛內(nèi)存在過(guò)剩的空氣。爐膛內(nèi)若存在過(guò)?？諝?，會(huì)增加煙氣中的粉塵和SO3含量，使煙氣露點(diǎn)溫度升高，在與葉片接觸時(shí)更易形成積灰現(xiàn)象。

2 煙氣成分對(duì)結(jié)垢的影響

在露點(diǎn)溫度以下，氣體會(huì)凝結(jié)為液體而沾在固體表面。燃料氣燃燒時(shí)先形成SO2，部分SO2再轉(zhuǎn)化為SO3。清華大學(xué)李彥等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在接近露點(diǎn)溫度時(shí)，SO2在煙氣中的濃度雖遠(yuǎn)大于SO3，但SO2在煙氣中極少溶解于H2O 而形成亞硫酸蒸汽，因此SO2不能提高煙氣的露點(diǎn)溫度。而SO3在煙氣中任何溫度下均能完全溶解于H2O 形成硫酸蒸氣，進(jìn)而提高煙氣的露點(diǎn)溫度［2］。SO3分壓是決定煙氣露點(diǎn)溫度的主要因素，進(jìn)一步說(shuō)明以SO2濃度來(lái)直接推斷煙氣的露點(diǎn)溫度是不準(zhǔn)確的，計(jì)算露點(diǎn)溫度必須以SO3為基礎(chǔ)。另外，煙氣中H2O 含量也能影響煙氣露點(diǎn)溫度。由于燃料氣燃燒后，水蒸氣含量較高，會(huì)加快SO2和SO3形成酸根離子的速度，進(jìn)而間接提高煙氣的露點(diǎn)溫度。

煙氣中SO3含量與酸露點(diǎn)溫度的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 煙氣中SO3含量與酸露點(diǎn)溫度的關(guān)系

從表2 中可看出，隨著SO3含量的升高，酸露點(diǎn)溫度逐漸升高。能譜分析結(jié)果中檢測(cè)到葉片背面及葉根邊緣處積灰硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)24.03%和24.3%，而通過(guò)XRD 分析可推斷出積灰是由于煙氣中SO2和SO3溶于水形成的酸根離子與金屬反應(yīng)生成，以上分析均間接說(shuō)明了煙氣中SO2和SO3含量偏高。而煙氣中SO2和SO3含量偏高，會(huì)提高煙氣的露點(diǎn)溫度［3］。綜上所述，該煙氣中SO2和SO3含量偏高，導(dǎo)致露點(diǎn)溫度偏高，當(dāng)煙氣與葉片接觸時(shí)更易沾在葉片上。

能譜分析結(jié)果中葉片背面與葉片根部邊緣積灰中硫含量高于通道內(nèi)積灰的硫含量高的原因可能是:煙氣因露點(diǎn)溫度偏高，在與葉片接觸時(shí)發(fā)生凝結(jié)進(jìn)而沾在葉片上，隨著葉片上出現(xiàn)積灰，煙氣中硫含量逐漸減少，進(jìn)而導(dǎo)致煙氣出口積灰中硫含量偏少。這進(jìn)一步說(shuō)明葉片上出現(xiàn)積灰是由于硫元素引起的。

三處位置積灰中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)30%以上，說(shuō)明煙氣中氧含量較高。煙氣中的氧含量偏高，可能是因?yàn)闋t膛中存在過(guò)剩空氣量。爐膛內(nèi)存在過(guò)?？諝饬?，會(huì)使燃燒產(chǎn)生的SO2轉(zhuǎn)化為SO3的量增加，進(jìn)而導(dǎo)致煙氣露點(diǎn)升高。煙氣露點(diǎn)溫度升高，會(huì)導(dǎo)致煙氣與葉片接觸時(shí)出現(xiàn)積灰現(xiàn)象。因此，煙氣中氧氣含量較高，將加快葉片上的積灰。另外，三處積灰中均檢測(cè)出含有ZnSO4，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e2(SO4)3和CaSO4等金屬氧化物或金屬間化合物，其來(lái)源主要是SO2和SO3溶于水形成的酸根離子與金屬反應(yīng)生成，而金屬離子可能是煙氣中含有的固體顆粒，也可能是酸根離子與葉片、煙道等金屬設(shè)備反應(yīng)生成。

3 結(jié)論及建議

(1)此次引風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)積灰現(xiàn)象導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失去平衡，引起設(shè)備發(fā)生非正常振動(dòng)的主要原因是煙氣中的SO3含量偏高，升高了煙氣的露點(diǎn)溫度，導(dǎo)致固體顆粒與空氣中的微小水滴在葉片表面發(fā)生凝結(jié)，形成黏度很大的灰漿，附著在葉片上。隨著引風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，灰漿中水分會(huì)逐漸蒸發(fā)，灰漿將轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕群艽蟮幕覛?。隨著灰殼的逐漸積累，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡被破壞，最終風(fēng)機(jī)整體出現(xiàn)非正常振動(dòng)。而煙氣中O2含量過(guò)高與煙氣濕度過(guò)大進(jìn)一步加快引風(fēng)機(jī)的失效;

(2)引風(fēng)機(jī)葉片積灰在清理后一周又出現(xiàn)積灰現(xiàn)象，可能是因?yàn)槔酶邏核畼屒逑春笠L(fēng)機(jī)內(nèi)存在殘留水。當(dāng)引風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)水蒸發(fā)，導(dǎo)致煙氣濕度加大，進(jìn)而加速的了積灰形成的速度;

(3)使用脫硫燃料氣，減少煙氣中的粉塵及SO2含量;

(4)適當(dāng)提高排煙溫度，保持煙氣的干燥性，降低露點(diǎn)腐蝕;

(5)保證爐膛各密封部位不漏風(fēng)，杜絕冷空氣進(jìn)入爐膛，定期檢查設(shè)備是否存在密封不良現(xiàn)象;

(6)采用噴嘴吹掃的方法防止葉片積灰;

(7)采用搪瓷葉輪等辦法，減少垢污的附著性。

［1］楊子軍.引風(fēng)機(jī)葉片積灰狀況及分析［J］.發(fā)電設(shè)備，1997 (5):22-23.

［2］李彥，武彬，徐旭常.SO2、SO3和H2O 對(duì)煙氣露點(diǎn)溫度影響的研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1997，17(1):126-130.

［3］李東.鍋爐空氣預(yù)熱器積灰和腐蝕的原因分析及預(yù)防措施［J］.化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2006，35(6):26-28.