配SCR的鍋爐空氣預(yù)熱器適應(yīng)性改造實踐

周建偉

（寶山鋼鐵股份有限公司電廠 上海 201900）

為進(jìn)一步滿足國家大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)（NOx質(zhì)量濃度 ＜ 100 mg·Nm?3）［1-2］，燃煤電廠主要考慮增設(shè)選擇性催化還原工藝煙氣脫硝裝置（簡稱SCR）［3-4］。脫硝化學(xué)反應(yīng)的溫度一般控制在300～400 ℃的范圍內(nèi)［5］，所以SCR系統(tǒng)大多布置在鍋爐省煤器出口和空氣預(yù)熱器（簡稱空預(yù)器）進(jìn)口之間。增設(shè)SCR裝置給鍋爐鋼架、尾部煙道、空預(yù)器、除塵器及引風(fēng)機等設(shè)備帶來了很多不利影響［6］。

SCR是以氨氣為還原劑，在與氮氧化物反應(yīng)過程中會有微量氨氣未參與反應(yīng)而逃逸，逃逸氨、水和三氧化硫結(jié)合生成的硫酸氫氨將對后續(xù)空預(yù)器產(chǎn)生負(fù)面影響［7-8］。 硫酸氫氨（ABS）是一種極其黏稠的物質(zhì)，在140～230 ℃范圍內(nèi)對金屬有強烈的腐蝕作用［9-10］。空預(yù)器冷段煙溫正處在該范圍，傳熱元件波紋板會被腐蝕并伴隨嚴(yán)重的積灰［11-12］。據(jù)統(tǒng)計［13-14］，氨逃逸率（體積分?jǐn)?shù)）低于1 × 10–6時，ABS生成量很少，空預(yù)器堵塞不明顯；若上升到2 × 10–6時，空預(yù)器運行半年后阻力約增加 30%；若再增加到 3 ×10–6時，空預(yù)器運行半年后阻力約增加50%，使得送、引風(fēng)機電耗明顯上升。

寶鋼電廠1、2號350 MW機組鍋爐為煤與高爐煤氣（BFG）混燒型。電廠考慮在完成低NOx燃燒系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)上在鍋爐尾部煙道上增設(shè)SCR裝置。鑒于上述原因，增設(shè)SCR裝置時必須同步考慮空預(yù)器的適應(yīng)性改造，以確保鍋爐與脫硝設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

1 原設(shè)備概況

寶鋼電廠1、2號機組每臺鍋爐各配兩臺兩分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，系日本GADELIUS生產(chǎn)的型號為30.5?VI?2150立式再生式空預(yù)器。其主要技術(shù)規(guī)格如表1所示。其主要特征為：

（1）空預(yù)器轉(zhuǎn)子直徑較大，以滿足混燒低熱值冶金高爐煤氣的需要。鍋爐燃煤熱值和燃料量、煙氣與空氣量設(shè)計數(shù)據(jù)分別如表2、3所示，其中：MCR表示最大連續(xù)出力工況；30%BFG表示高爐煤氣占摻混燃料總熱值的30%。從表3中可以看出，最大混燒煙氣量遠(yuǎn)大于全燒煤煙氣量，所以空預(yù)器轉(zhuǎn)子直徑比同容量燃煤鍋爐的大。

表3 煙氣與空氣量設(shè)計值Tab.3 Design values of flue gas volume and air volume

（2）漏風(fēng)率低，除考慮合理密封結(jié)構(gòu)之外，在密封區(qū)設(shè)計有一套密封間隙自動控制調(diào)節(jié)裝置（SDS），使在任何工況下保持最小密封間隙，常年運行漏風(fēng)系數(shù)小于8%。

（3）考慮到積灰腐蝕問題，空預(yù)器換熱元件采用高、中、低溫三層布置，并采用不同的板型、厚度及材料。低溫層傳熱元件采用槽口平板（NF型），而中溫、高溫層采用雙波形板（DU型）。采用這兩種板型的目的是增大傳熱面積，同時防止流體間渦流，使氣流流通阻力盡量降低。

2 確定改造條件與性能目標(biāo)

2.1 鍋爐燃煤品質(zhì)

根據(jù)近年來主要使用的燃煤煤質(zhì)對空預(yù)器相關(guān)熱力參數(shù)進(jìn)行校核計算。常用煤為神府東勝煤、大同混煤、兗州煤等，煤質(zhì)成分如表4所示。

表4 煤種成分Tab.4 Ultimate analysis of the coal as received basis

2.2 增設(shè) SCR 后參數(shù)變化

SCR裝置的煙氣流動阻力約為1 kPa，引風(fēng)機壓升必須在原有基礎(chǔ)上至少增加1 kPa以克服SCR的新增阻力，這就使得空預(yù)器空氣側(cè)與煙氣側(cè)同斷面的壓差提高1 kPa；另外，鍋爐省煤器出口煙氣經(jīng)過SCR處理后煙氣量會增加0.5%，其主要原因為噴氨須與適量空氣稀釋進(jìn)行；空預(yù)器進(jìn)口煙氣溫度會相應(yīng)降低（一般3 ℃左右）。

2.3 改造條件的確定

表5為改造設(shè)計條件。其計算條件為：鍋爐 BMCR 耗煤量為 147.3 t·h?1（設(shè)計煤種）；空預(yù)器出口過?？諝庀禂?shù)α = 1.35；爐膛漏風(fēng)率為5%（漏風(fēng)量占燃燒總風(fēng)量的比例）；冷風(fēng)比率為8%（未進(jìn)入空預(yù)器的冷風(fēng)量占總送風(fēng)量的比例）；空預(yù)器漏風(fēng)率為8%（按原設(shè)備性能指標(biāo)）；煙溫和風(fēng)溫取實際運行記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計值。

3 改造設(shè)計原則與技術(shù)方案

3.1 改造設(shè)計原則

（1）充分考慮原有空預(yù)器的結(jié)構(gòu)、運行方式及輔助設(shè)備狀態(tài)，在保證原空預(yù)器正常安全運行及性能參數(shù)的情況下，設(shè)計時盡可能減少對原空預(yù)器的改造。原空預(yù)器的傳動方式、支撐形式、空預(yù)器殼體、煙風(fēng)道接口等保持不變。

表5 改造設(shè)計條件Tab.5 Design conditions for the modification

（2）充分考慮空預(yù)器上游增設(shè)SCR投運后帶來的ABS粘結(jié)、堵塞以及腐蝕問題。

（3）改善空預(yù)器漏風(fēng)率?？疹A(yù)器改造投運后，漏風(fēng)率應(yīng)保證一年內(nèi)不超過5%，一年后一個大修期（6年）內(nèi)應(yīng)保證不超過6%。

（4）性能計算時考慮SCR投運后的影響，即：空預(yù)器空氣側(cè)與煙氣側(cè)同斷面的壓差增高1 kPa，導(dǎo)致空預(yù)器漏風(fēng)率會增加；空預(yù)器進(jìn)口煙氣量在鍋爐省煤器出口煙氣量的基礎(chǔ)上相應(yīng)增加0.5%；空預(yù)器進(jìn)口煙氣溫度會相應(yīng)降低3 ℃。

3.2 改造技術(shù)方案

（1）重新設(shè)計選型波紋板換熱元件

根據(jù)空預(yù)器換熱性能和ABS沉積特性，為確保ABS沉積僅發(fā)生在低溫段，從降低腐蝕和容易清洗的角度出發(fā)，按高/低兩段設(shè)計傳熱元件。低溫段考慮：①采用耐酸的搪瓷波紋板；②板型較容易清洗疏通。經(jīng)熱力計算得到空預(yù)器改造后運行參數(shù)設(shè)計值如表6所示。

表6 空預(yù)器改造后運行參數(shù)設(shè)計值Tab.6 Design value of the operation parameter of the modified air preheater

（2）低溫段波紋板采用L型大通道結(jié)構(gòu)并鍍搪瓷，主要是防止ABS粘結(jié)、堵塞、腐蝕。當(dāng)煙氣中有ABS附著在板面時，在煙氣流的沖刷下，通道不易堵塞和板結(jié)，可有效降低送、引風(fēng)機的電耗；運行狀態(tài)下，采用蒸汽吹灰器吹掃時動能衰減慢容易將附著在壁面上的積灰吹落；機組停役狀態(tài)下，采用高壓水吹灰容易將ABS清洗干凈。若采用緊湊型波紋板，則蒸汽和高壓水吹灰的清洗作用非常有限，導(dǎo)致的后果將是非常嚴(yán)重的。L型結(jié)構(gòu)的缺點是換熱效果略差些，所以可適當(dāng)增加傳熱元件的高度以增加換熱面積。原傳熱元件總高度為2 150 mm，改造設(shè)計后的總高度為2 180 mm。傳熱元件改造后規(guī)格如表7所示。

表7 傳熱元件改造后規(guī)格Tab.7 Modification scheme of the heat transfer elements

（3）對空預(yù)器轉(zhuǎn)子的改造主要有：①取消低溫段換熱元件側(cè)抽結(jié)構(gòu)，從而取消轉(zhuǎn)子內(nèi)部分格柵架，同時環(huán)向隔板延伸到冷端，封閉側(cè)抽開孔；②增設(shè)脫硝裝置后，煙氣側(cè)壓力降低了

1 kPa，煙氣與空氣壓差增大，漏風(fēng)率會有所增加，為維持原有的漏風(fēng)率，要對密封系統(tǒng)進(jìn)行針對性改造。在轉(zhuǎn)子圓周上進(jìn)行24分割，半徑上進(jìn)行7分割，在外三環(huán)分倉中增加“二次隔板”，

由原來的24分割增加到48分割的結(jié)構(gòu)。具體改造方案如圖1所示。

圖1 空預(yù)器轉(zhuǎn)子改造方案Fig.1 Modification scheme of the air preheater rotor

空預(yù)器的工作過程如圖2所示?？疹A(yù)器徑向密封的漏風(fēng)量可由伯努利方程得到，即

式中：K為泄漏系數(shù)；F為泄漏面積；ΔP為煙氣與空氣的壓差；Pk為空氣壓力；Py為煙氣壓力；V為進(jìn)氣量；ρ為煙氣密度；g為重力加速度；G為漏風(fēng)量。

圖2 空預(yù)器工作過程Fig.2 Working process of the air preheater

采用雙道密封片與扇形板接觸后可得

利用雙密封技術(shù)理論上可將泄漏系數(shù)K降低30%，即漏風(fēng)量降低30%。

（4）原空預(yù)器設(shè)備因使用年限較長，需更換全部密封部件，包括扇形板、弧形板、密封片、密封壓板及其固定連接件、轉(zhuǎn)子外緣角鋼、T型鋼、平面法蘭、轉(zhuǎn)子中心筒密封、旁路密封角鋼等。在改造施工過程中對密封自動跟蹤裝置（SDS）進(jìn)行檢查、檢修，保持SDS的靈活調(diào)節(jié)功能。這有利于在不同工況下（特別是摻燒BFG轉(zhuǎn)子熱變形量加大時）有效控制漏風(fēng)率。

（5）在保留原側(cè)部圍帶輪驅(qū)動裝置基礎(chǔ)上更換全部傳動齒輪和圍帶，具體尺寸及裝配間隙在裝配時進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。具體如圖3所示。

圖3 更換圍帶驅(qū)動系統(tǒng)的齒輪和圍帶Fig.3 Gear and shroud of the replaced shroud driving system

（6）為有效減少空預(yù)器元件表面的積灰，特別是低溫段ABS的粘結(jié)、堵塞，改造時重新配置空預(yù)器吹灰和清洗系統(tǒng)。①在空預(yù)器上部增設(shè)蒸汽介質(zhì)的伸縮式吹灰器，及時清除元件積灰及啟爐階段可能從爐膛帶來的油、未燃盡灰渣等；②在空預(yù)器底部安裝在線高壓水沖洗和蒸汽吹掃的雙介質(zhì)組合式吹灰清洗裝置，吹灰器形式為半伸縮形式，1爐2臺空預(yù)器配置一套高壓水泵系統(tǒng)。水源為電廠工業(yè)水，經(jīng)加壓后經(jīng)吹灰器組合噴嘴噴射至換熱元件的間隙內(nèi)，利用其動能清除ABS的粘結(jié)和堵塞物。

（7）增設(shè)火災(zāi)報警系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)，火災(zāi)溫度檢測采用熱電偶，配置獨立就地盤柜并送信號給機組DCS，滅火水源采用消防水。

改造后的性能參數(shù)如表8所示。

4 實施改造注意事項

（1）因增設(shè)SCR煙氣脫硝而進(jìn)行空預(yù)器改造時，首先確認(rèn)合理的邊界參數(shù)條件，特別是燃煤的多變性。應(yīng)根據(jù)當(dāng)前或可預(yù)期的經(jīng)常使用的一種或幾種煤種重新對鍋爐熱力計算條件進(jìn)行校核計算，不能簡單地沿用當(dāng)初設(shè)計資料［1］。

表8 改造后性能參數(shù)Tab.8 Performance after the modification

（2）立足于現(xiàn)有設(shè)備的基本情況與配置。①盡量保留情況較好的部件，如驅(qū)動方式不宜改動；②密封可調(diào)與否，可調(diào)密封系統(tǒng)在國內(nèi)有使用不良的情況，而改為采用固定密封或再加柔性密封等，從轉(zhuǎn)子冷熱變形的客觀情況分析，采用扇形板可調(diào)密封是比較合理的技術(shù)選擇。寶鋼電廠的空預(yù)器可調(diào)密封（SDS）多年來使用狀況保持良好，空預(yù)器漏風(fēng)率基本保持在6%左右。

在增設(shè)SCR改造后的調(diào)試、試運過程中發(fā)現(xiàn)可調(diào)密封扇形板不能順利下放，經(jīng)分析研究后采取逐步下調(diào)，即觀察驅(qū)動電機運行電流，每隔1～2周SDS下降1 cm，經(jīng)過2個月左右的熱態(tài)運行，恢復(fù)到正常運行可控最小間隙1～2 cm。究其原因，主要是轉(zhuǎn)子僅外三圈隔倉，雖增加了隔板但未實質(zhì)性改變其剛度，而施工焊接應(yīng)力導(dǎo)致轉(zhuǎn)子倉產(chǎn)生變形差異，通過一段時間的高溫?zé)煔夂婵?，相?dāng)于緩慢退火處理逐步消除了應(yīng)力。

（3）在保證設(shè)備結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上要充分利用現(xiàn)有轉(zhuǎn)子傳熱元件倉空間高度，盡量多充裝傳熱元件，彌補低溫段采用大通道元件而損失的換熱面積。

（4）根據(jù)實際運行經(jīng)驗，搪瓷元件的質(zhì)量對其壽命、換熱效率的影響非常大。質(zhì)量優(yōu)劣主要體現(xiàn)在三個方面：基材、附著力、壓緊力，以此作為判斷質(zhì)量的要點。僅將搪瓷厚度作為主要技術(shù)要求是不全面的，必須引入均勻度的概念。不均勻、過厚的搪瓷面，不僅在壓制組裝時容易剝落，而且會降低換熱效率；不恰當(dāng)?shù)幕暮痛煞鄄牧蠒?dǎo)致附著力不足，搪瓷在壓制時容易剝落。不恰當(dāng)?shù)幕暮蛪壕o力也會導(dǎo)致搪瓷剝落或過于松散。松散的元件在吹灰器等作用下會相對滑動，導(dǎo)致搪瓷面碎裂剝落而發(fā)生腐蝕。所以，業(yè)界正在制定“用于空氣—煙氣和煙氣—煙氣再生式熱交換器的搪瓷換熱元件”國家標(biāo)準(zhǔn)，用戶要以此作為考核驗收標(biāo)準(zhǔn)。

（5）從目前國內(nèi)增設(shè)SCR鍋爐的運行情況來看，空預(yù)器ABS積灰堵塞將不可避免。在日本業(yè)內(nèi)規(guī)定SCR逃逸率不超過1 × 10–6以期避免此問題。我國行業(yè)規(guī)定不超過3 × 10–6，加上國內(nèi)高灰高硫煤，預(yù)計空預(yù)器堵塞就如當(dāng)前脫硫系統(tǒng)GGH（煙氣—煙氣再生式熱交換器）堵塞一樣將成為常態(tài)化。

（6）空預(yù)器在線高壓水沖洗過程中會有大量的污水和泥漿聚集在空預(yù)器底部煙道，所以底部煙道一定要改造成可收集淤泥的形狀，并設(shè)疏浚的排放口。

5 結(jié) 語

經(jīng)過對電廠空預(yù)器的適應(yīng)性改造實踐，可以得到以下結(jié)論：

（1）鍋爐排煙溫度改造后下降了約5～8 ℃。平均漏風(fēng)率改造前為6%～7%，改造后為5%左右，空預(yù)器密封情況有所改善；

（2）投運2年多來，煙氣流動阻力基本維持在800 Pa以下，說明沒有明顯的積灰堵塞情況發(fā)生；

（3）此次改造提出的改造設(shè)計原則和技術(shù)注意事項為行業(yè)提供了成功的案例經(jīng)驗。