燃煤電廠空預(yù)器結(jié)垢成因分析及處理措施

馬大衛(wèi)，黃齊順，查智明，李曉潔，程 靖，張其良

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601)

燃煤電廠空預(yù)器結(jié)垢成因分析及處理措施

馬大衛(wèi)，黃齊順，查智明，李曉潔，程 靖，張其良

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601)

對(duì)安徽省內(nèi)一臺(tái)660MW超超臨界機(jī)組的空預(yù)器冷段垢樣和飛灰進(jìn)行SEM微觀形貌分析和XRF、XRD成分分析，并對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度和氨逃逸分布進(jìn)行測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，該電廠空預(yù)器結(jié)垢主要是生成粘性液狀物硫酸氫銨粘附煙氣中的顆粒造成，且垢樣成分非常復(fù)雜，有一些新的晶體物生成。機(jī)組在490MW負(fù)荷下，A、B側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度分布分別為64.9%、66.2%，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值要求，氨逃逸濃度分別為3.47、6.36μL/L，均超過設(shè)計(jì)值要求。提出通過定期噴氨優(yōu)化是解決空預(yù)器堵塞的有效方法，對(duì)大型燃煤機(jī)組的脫硝運(yùn)行及機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有一定的指導(dǎo)作用。

空預(yù)器結(jié)垢；硫酸氫銨；氨逃逸超標(biāo)；NOx分布測(cè)試；形貌分析；噴氨優(yōu)化

0 引言

隨著我國(guó)火電建設(shè)步伐的加快，控制燃煤電廠NOx的排放已成為電力工業(yè)“十二五”環(huán)保工作的重中之重。《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》明確要求火電行業(yè)節(jié)能減排重點(diǎn)從“脫硫”轉(zhuǎn)向“脫硝”。新頒布實(shí)施的文件對(duì)火電廠NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)提出了≤50mg/m3的更嚴(yán)格要求[1]。截止2015年末，安裝脫硝設(shè)施的火電機(jī)組由0.8億kW增加到8.3億kW，NOx排放量得到了明顯的控制，火電行業(yè)NOx排放量累計(jì)下降50%左右[2]。

電廠鍋爐增加脫硝工段之后，無疑改變了下游空預(yù)器等設(shè)備的運(yùn)行工況：煙道阻力增加、煙氣側(cè)壓力減小和煙溫降低等。我國(guó)火電廠機(jī)組的脫硝集中改造時(shí)間在2012～2014年，脫硝改造在3年時(shí)間就走過了脫硫改造7年走過的道路[3]。由于時(shí)間短，任務(wù)重，大多數(shù)電廠在脫硝改造期間均未對(duì)改造后的工況進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算并制定切實(shí)可行的空預(yù)器改造方案，帶來了很大的問題，如空預(yù)器的堵灰、腐蝕，引風(fēng)機(jī)失速，甚至影響到整個(gè)鍋爐的運(yùn)行。當(dāng)前電廠對(duì)空預(yù)器結(jié)垢主要采用高壓水在線沖洗，效果一般，同時(shí)對(duì)垢樣的結(jié)構(gòu)和成分也鮮有研究。

本文對(duì)安徽省內(nèi)1臺(tái)660MW超超臨界機(jī)組的空預(yù)器冷段垢樣和飛灰進(jìn)行SEM微觀形貌分析和XRF、XRD成分分析，同時(shí)對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度和氨逃逸分布進(jìn)行測(cè)試。通過研究發(fā)現(xiàn)，該電廠空預(yù)器結(jié)垢主要是氨逃逸超標(biāo)生成粘性液狀物硫酸氫銨粘附煙氣中的顆粒造成的，提出通過定期噴氨優(yōu)化是解決空預(yù)器堵塞的有效方法，對(duì)大型燃煤機(jī)組的脫硝運(yùn)行有一定的指導(dǎo)作用。

1 SCR脫硝裝置及空預(yù)器設(shè)計(jì)參數(shù)

安徽地區(qū)W電廠2號(hào)機(jī)組為1臺(tái)660MW超超臨界機(jī)組，SCR煙氣脫硝裝置及空預(yù)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 W電廠2號(hào)機(jī)組SCR脫硝裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng) 目數(shù)值機(jī)組負(fù)荷/MW660MW脫硝效率(100%ECR)/%≥80SO2/SO3轉(zhuǎn)化率/%≤1系統(tǒng)阻力/Pa≤800氨逃逸(干基,6%O2)/μL·L-1≤3入口NOx(干基,6%O2)/mg·m-3≤400煙氣含塵量(干基,6%O2)/g·m-346.04

2號(hào)機(jī)組SCR脫硝裝置采用高塵型工藝，催化劑按“2+1”方式布置。脫硝設(shè)計(jì)入口NOx濃度為≤400mg/m3，備用層催化劑未投運(yùn)時(shí)的脫硝效率≥80%，脫硝還原劑為液氨，氨逃逸≤3μL/L，SCR脫硝裝置自2012年10月投運(yùn)近26000h。空預(yù)器為豪頓華工程有限公司VN三分倉(cāng)克容式空預(yù)器，外殼高度3190mm。換熱元件為三段式結(jié)構(gòu)：熱端(HS7，厚0.5mm，深1100mm，低碳鋼)；中溫端(HS7，厚0.5mm，深1000mm，低碳鋼)；冷段端(HS7，厚0.8mm，深300mm，等同考登鋼)，總傳熱面積為128676m2。空預(yù)器配置PS-AT型半伸縮式單槍蒸汽吹灰器，用于吹掃換熱元件中灰塵，過熱蒸汽閥前穩(wěn)定300～350℃，閥前壓力為1.5MPa。

2 空預(yù)器垢樣和飛灰成分及形貌分析

W電廠2號(hào)機(jī)組空預(yù)器為2009年5月投入運(yùn)行，機(jī)組在SCR脫硝改造時(shí)未對(duì)空預(yù)器進(jìn)行相應(yīng)的改造。在SCR脫硝裝置運(yùn)行三年多后，機(jī)組在滿負(fù)荷情況下空預(yù)器煙氣側(cè)差壓高達(dá)2kPa左右。2015年12月份對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行NOx“超低排放”改造，主要是備用層加裝一層催化劑，同時(shí)對(duì)堵塞的空預(yù)器冷段換熱元件進(jìn)行了拆除。

W電廠2號(hào)機(jī)組空預(yù)器冷段換熱元件上的黑色垢樣進(jìn)行剝離，在掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行形貌分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空預(yù)器垢樣在SEM下主要表現(xiàn)為不規(guī)則的球狀、半球狀煙塵顆粒在粘力作用下層層堆積凝固而成不規(guī)則聚集體群，垢狀物堆積很厚，大顆粒物煙塵彼此相粘，小顆粒物填充其中，煙塵顆粒的直徑大約在2～10μm(圖1)?？赡茉蚴强疹A(yù)器在長(zhǎng)期運(yùn)行中，冷段換熱元件上生成某種粘性液狀物，會(huì)使煙氣中的顆粒粘附在空預(yù)器的冷段換熱元件上，冷段換熱元件經(jīng)過高溫?zé)煔鈧?cè)和空氣側(cè)冷熱循環(huán)，最終板結(jié)成堅(jiān)硬的垢狀物。

圖1 W電廠2號(hào)機(jī)組空預(yù)器換熱元件垢樣掃描電鏡

2015年11月19日，對(duì)W電廠進(jìn)行NOx“超低排放”改造前進(jìn)行性能摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)期間采集SCR脫硝裝置出口煙氣中的顆粒物。利用X射線熒光光譜(XRF)對(duì)垢樣和煙氣中飛灰進(jìn)行元素分析，結(jié)果見表2。

表2 空預(yù)器垢樣和煙氣中飛灰X射線 熒光光譜分析 %

從表中可以看出，相比較于煙氣中飛灰，空預(yù)器垢樣成分較為復(fù)雜，14.47%的含量成分未知。垢樣中主要成分SiO2、Al2O3所在比例分別為45.54%、22.23%，相對(duì)于灰樣中兩者成分呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。垢樣中SO3為4.41%，換算成硫酸氫銨含量則高達(dá)6.34%，而在灰樣中SO3均值僅為0.32%，說明垢樣中硫酸氫銨主要來自于煙氣中。DCS數(shù)據(jù)顯示該機(jī)組近三年煤含硫量平均為0.4%左右，為低硫煤，燃燒產(chǎn)生的SO2濃度較低，機(jī)組168脫硝性能試驗(yàn)時(shí)SO2/SO3轉(zhuǎn)化率平均值為0.8%左右。此外，從表中還可以看出垢樣中氯含量為1.33%，我國(guó)煤中氯含量較低，平均為0.1%左右，少數(shù)煤中氯含量為0.2%～0.35%。垢樣中高含量氯與鈉有很強(qiáng)的相關(guān)性，煤種鈉多以氯化鈉的形式釋放[4]。

圖2 W電廠2號(hào)機(jī)組飛灰和空預(yù)器換熱元件垢樣X射線衍射

圖2為利用X-射線衍射分析(XRD)確定空預(yù)器垢樣和燃燒飛灰產(chǎn)物中的礦物成分，X-射線束在斜角度為0～90°與樣品相交。空預(yù)器垢樣、飛灰中主要成分為多鋁紅柱石(3Al2O3·2SiO2)[5]，這一成分的峰位置基本上在垢樣和灰樣中均很好地對(duì)應(yīng)，但在垢樣中峰的強(qiáng)度和面積低于灰樣中，這與XRF中顯示的Al2O3和SiO2含量較低一致。從圖中還可以看出空預(yù)器垢樣在10～35°之間出現(xiàn)一些較多的新衍射峰，除了幾個(gè)較強(qiáng)的峰鑒別出來主要是鈣氨、碳?xì)涓叻肿討B(tài)物質(zhì)外，其他均未鑒別出，顯示出空預(yù)器在長(zhǎng)期間運(yùn)行中換熱元件上灰樣沉積并發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，這與XRF中14.47%的含量成分未知很好地呼應(yīng)。根據(jù)XRF成分分析顯示垢樣中硫酸氫銨含量高達(dá)6.34%，換熱元件上液化的硫酸氫銨吸附飛灰后，換熱元件在高溫原煙氣和冷空氣間循環(huán)過程中加熱、板結(jié)、再結(jié)晶，可能是形成Ca(NH3)2.1C9過程。飛灰中的粉煤灰和不規(guī)則形狀的碳質(zhì)材料被廣泛研究，這些粉煤灰中燃燒的碳含量大約是0.3%～2.6%，可能在長(zhǎng)時(shí)間積累過程中形成 (C6H10O2)n高分子類復(fù)合物。

結(jié)合SEM、XRF和XRD可以判定該電廠空預(yù)器結(jié)垢是氨逃逸超標(biāo)生成硫酸氫銨造成的?？赡茉蚴窃摍C(jī)組SCR脫硝長(zhǎng)期噴氨不均造成氨氮摩爾混合性差，噴入脫硝反應(yīng)器的氨氣與NOx由于不完全反應(yīng)，少量逃逸的氨氣與煙氣中的SO3和H2O在150～230℃時(shí)，會(huì)在空預(yù)器冷段形成半液態(tài)NH4HSO4，具有強(qiáng)烈的腐蝕性和粘性，會(huì)使煙氣中的顆粒粘附在空預(yù)器的冷段換熱元件上。冷段換熱元件經(jīng)過高溫?zé)煔鈧?cè)和空氣側(cè)冷熱循環(huán)，最終板結(jié)成堅(jiān)硬的垢狀物，同時(shí)造成空預(yù)器積灰堵塞。硫酸氫銨的生成，化學(xué)反應(yīng)如下：

NH3+ SO3+ H2O → NH4HSO4

據(jù)日本AKK測(cè)試結(jié)果，氨逃逸率為1μL/L以下時(shí)，NH4HSO4生成量很少，堵塞不明顯，若氨逃逸率增加到2μL/L時(shí)，空預(yù)器運(yùn)行半年后其阻力增加約30%，若氨逃逸率增加到3μL/L時(shí)，空預(yù)器運(yùn)行半年后阻力增加約50%，對(duì)鍋爐和引風(fēng)機(jī)造成較大影響[5]。

3 SCR反應(yīng)器出口NOx及氨逃逸濃度分布

2015年11月19日，對(duì)W電廠進(jìn)行NOx“超低排放”改造前進(jìn)行性能摸底測(cè)試，在機(jī)組約75%BMCR運(yùn)行負(fù)荷下進(jìn)行SCR反應(yīng)器出口NOx及氨逃逸濃度分布測(cè)試。反應(yīng)器A至B方向的測(cè)孔位置依次編號(hào)為A1、A2……A5和B5、B4……B1，每個(gè)測(cè)孔內(nèi)煙氣取樣深度分別為0.6、1.2、1.8、2.4和3.0m，NOx測(cè)試采用德國(guó)MRUNOVAplus煙氣分析儀。氨逃逸測(cè)試選用加拿大優(yōu)勝M(fèi)-NH3氨逃逸分析儀，取樣深度為1.6m，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)間為15min左右。

圖3 W電廠2號(hào)機(jī)組SCR反應(yīng)器出口NOx分布

圖3為負(fù)荷490MW時(shí)脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度分布情況，A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值為71.8mg/m3，最小值為6.6mg/m3，平均值為38.7mg/m3，NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差64.9%。B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值58.4mg/m3，最小值8.5mg/m3，平均值為29.1mg/m3，NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為65.4%。兩個(gè)反應(yīng)器出口的NOx濃度均值為34.3mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為66.2%，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值的15%，CEMS測(cè)點(diǎn)(分別位于A、B反應(yīng)器中間)不能代表整個(gè)斷面的NOx濃度。NOx濃度沿反應(yīng)器寬度方向(反應(yīng)器外側(cè)至鍋爐中心線)明顯呈現(xiàn)外側(cè)高而內(nèi)側(cè)低的分布特點(diǎn)，煙道表面NOx濃度較煙道底部NOx濃度隨著深度加深濃度增加。 在負(fù)荷490MW時(shí)測(cè)試了脫硝反應(yīng)器出口氨逃逸情況，根據(jù)NOx測(cè)試結(jié)果選擇A2、A4、B4和B2點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了A2孔氨逃逸濃度不超標(biāo)外，其他3個(gè)孔均超標(biāo)。

試驗(yàn)期間脫硝入口噴氨量分配極其不均勻，局部存在過量噴氨現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以從NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(CV)上可以反映出來。DCS數(shù)據(jù)顯示，測(cè)試期間A、B反應(yīng)器噴氨支管流量分別為62.66kg/h、73.75kg/h，B側(cè)支管噴氨量大于A側(cè)，導(dǎo)致B側(cè)脫硝效率高于A側(cè)，同時(shí)導(dǎo)致B側(cè)出口NOx濃度低于A側(cè)。在實(shí)際運(yùn)行中長(zhǎng)期因?yàn)閲姲辈痪鶆蛟斐砂钡柋确峙洳痪?，外?cè)點(diǎn)噴氨相對(duì)較少，而內(nèi)側(cè)點(diǎn)噴氨過量造成出口NOx過低和氨逃逸超標(biāo)，為達(dá)到脫硝出口整體NOx濃度降低，SCR脫硝裝置長(zhǎng)期在過量噴氨條件下運(yùn)行，是造成空預(yù)器冷段換熱元件的硫酸氫銨堵塞的主要原因。這一方面影響系統(tǒng)整體的脫硝效率，同時(shí)也造成還原劑氨的浪費(fèi)和排放到大氣中造成二次污染。

通過定期噴氨優(yōu)化試驗(yàn)解決氨逃逸超標(biāo)和空預(yù)器結(jié)垢問題[6]。具體操作，在機(jī)組90%負(fù)荷下，對(duì)各噴氨支管的手動(dòng)氨閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)支管氨流量重新分配，具體是減小內(nèi)側(cè)NOx低濃度區(qū)域的噴氨量，同時(shí)增大外側(cè)NOx高濃度區(qū)域噴氨量。先進(jìn)行反應(yīng)器寬度方向的粗調(diào)，再進(jìn)行反應(yīng)器深度方向的細(xì)調(diào)，直到反應(yīng)器出口NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差< 15%。然后分別在機(jī)組75%負(fù)荷和50%負(fù)荷下，根據(jù)測(cè)量結(jié)果微調(diào)噴氨支管手動(dòng)氨閥開度，完成不同負(fù)荷下的優(yōu)化過程，以在最大程度上適應(yīng)鍋爐變負(fù)荷工況時(shí)煙氣的變化。

4 結(jié)語

通過對(duì)機(jī)組的空預(yù)器冷段垢樣和飛灰進(jìn)行SEM微觀形貌分析和XRF、XRD成分分析，和SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度和氨逃逸分布進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，該電廠空預(yù)器結(jié)垢主要是氨逃逸超標(biāo)生成粘性液狀物硫酸氫銨粘附煙氣中的顆粒造成，垢樣成分非常復(fù)雜且有一些新的晶體物生成。機(jī)組在490MW負(fù)荷下，A、B側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度分布和氨逃逸濃度均超過設(shè)計(jì)值要求，脫硝反應(yīng)器通過定期噴氨優(yōu)化是解決空預(yù)器堵塞的有效方法。

[1]國(guó)家環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家發(fā)改委,國(guó)家能源局.全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案(環(huán)發(fā)[2015]164)[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm?_sm_au_=iVVR2PCFSksVLj6H,2015-12-11.

[2]國(guó)家環(huán)境保護(hù)部. 2015年環(huán)境保護(hù)工作和2016年工作安排與中外媒體交流[EB/OL].http://www.wtoutiao.com/p/2c7GoMv.html,2016-02-18.

[3]火電廠脫硫脫硝瞄準(zhǔn)“超凈排放”[N].中國(guó)電力報(bào),2014-08-07.

[4]靳曉潔.石灰石-石膏濕法脫硫吸收塔中氯離子問題的探討[J].電力科技與環(huán)保,2013, 29(1): 46 - 47.

[5]梁 川,沈 越. 1000MW機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行[J]. 中國(guó)電力,2012, 45(1): 41 - 44.

[6]方朝君,金理鵬,余美玲.SCR脫硝噴氨優(yōu)化與運(yùn)行控制研究[J]. 電力科技與環(huán)保,2015, 31(6): 39 - 42.

Analysis and solution of air-preheater scaling in coal-fired power plants

The scale and fly ash samples of air preheater were analyzed by SEM, XRF and XRD from a 660MW supercritical unit of coal-fired power plant in Anhui province. The concentration of NOxandammoniaintheoutletoftheSCRreactorwerefieldtested.Theresultsshowthatthefoulinginairpreheaterofthepowerplantwasmainlygeneratedbytheadhesionofparticlesoffluegaswithviscousliquidammoniumhydrogensulfate.Thecompositionofscalesamplewasverycomplicatedandthereweresomenewcrystalgenerated.TheconcentrationsofNOxintheoutletofreactorAandBunderthe490MWunitwere64.9%and66.2%,respectively,whichweregreaterthandesignvalue.Theconcentrationsofammoniaescapewere3.47μL/Land6.36μL/L,respectively,whichwerealsolargerthandesignvalue.Themethodofsprayingammoniaregularlyisaneffectivewaytosolvetheairpreheaterclogging,whichcouldbehelpfulforthesafetyandstabilityofunitsinthecoal-firedpowerplants.

scaling in air pre-heater;ammonium bisulfate; excessive ammonia escape; distribution of NOxemissions;ammoniainjectionoptimization;morphologyanalysis

TK223.3

B

1674-8069(2017)02-056-04

2016-09-21；

2016-10-17

馬大衛(wèi)(1983-)，男，安徽廬江人，博士，工程師，從事燃煤電廠環(huán)保設(shè)施性能優(yōu)化工作。E-mail:dwma@mail.ustc.edu.cn.