燃煤機(jī)組硫酸氫銨分區(qū)生成分析及空預(yù)器防黏結(jié)堵塞研究

龍遠(yuǎn)生，吳 凱，黃國(guó)輝

（國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司，江西 南昌 330017）

0 前言

空氣預(yù)熱器是燃煤機(jī)組通過(guò)回收省煤器后煙氣熱量來(lái)加熱一、二次風(fēng)，降低排煙溫度的重要設(shè)備。運(yùn)行阻力、漏風(fēng)率、排煙溫度是空預(yù)器運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性、安全性具有重要影響[1]。燃煤機(jī)組超低排放改造后，脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)不均及局部噴氨過(guò)量導(dǎo)致在空預(yù)器冷端生成硫酸氫銨[2]，硫酸氫銨黏結(jié)物難以通過(guò)吹灰有效清除，導(dǎo)致空預(yù)器壓差升高，換熱效率下降。通過(guò)空預(yù)器硫酸氫銨分區(qū)生成機(jī)理分析研究，提出加裝脫硝反應(yīng)器采樣全斷面監(jiān)測(cè)裝置，進(jìn)行空預(yù)器硫酸氫銨生成監(jiān)測(cè)以及空預(yù)器冷端黏結(jié)早期干預(yù)控制，有效防止空預(yù)器堵塞發(fā)生，提高機(jī)組運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)性。

1 硫酸氫銨分區(qū)生成原因分析

1.1 硫酸氫銨生成機(jī)理

鍋爐燃煤燃燒后煙氣中含有大量SO2氣體，脫硝催化劑中的活性組分釩在催化降解NOx的過(guò)程中，也會(huì)對(duì)SO2的氧化起到一定的催化作用，SO2的氧化率與V2O5含量相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，加裝SCR脫硝裝置的燃煤機(jī)組，煙氣中約1%的SO2將轉(zhuǎn)化為SO3，二者之間的轉(zhuǎn)化是溫度的函數(shù)，隨著溫度的升高SO2的氧化率增加。對(duì)于給定的SO2濃度和溫度，SO3的生成率幾乎不變[3]。

SCR系統(tǒng)脫硝過(guò)程中，需向煙氣中噴入大量的氨，為保證出口NOx濃度達(dá)標(biāo)，大多數(shù)脫硝機(jī)組存在多噴氨現(xiàn)象，NH3逃逸不同程度的存在，兩者在空氣預(yù)熱器中下層處煙氣溫度合適區(qū)域形成硫酸氫氨，脫硝反應(yīng)未完全耗盡的氨氣，與煙氣中的SO3、水蒸氣易發(fā)生下列反應(yīng)：

NH3+SO3+H2O=NH4HSO4

硫酸氫氨在不同的溫度下分別呈現(xiàn)氣態(tài)、液態(tài)、顆粒狀。對(duì)于燃煤鍋爐，煙氣中飛灰含量較高，硫酸氫氨在146℃～207℃溫度范圍內(nèi)為液態(tài)；對(duì)于燃油、燃?xì)忮仩t，煙氣中飛灰含量較低，硫酸氫氨在146℃～232℃溫度范圍內(nèi)為液態(tài)。液態(tài)硫酸氫氨捕捉飛灰能力極強(qiáng)，會(huì)與煙氣中的飛灰粒子相結(jié)合，附著于預(yù)熱器傳熱元件上形成融鹽狀的積灰，造成預(yù)熱器的腐蝕、堵灰等，進(jìn)而影響預(yù)熱器的換熱及鍋爐的正常運(yùn)行

燃煤機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和熱力學(xué)分析都表明，硫酸氫氨的反應(yīng)速率主要與溫度、煙氣中的NH3、SO3及H2O濃度有關(guān)，見(jiàn)圖1。硫酸氫銨的形成量隨NH3濃度的增加而增加，高SO3/NH3摩爾比將促進(jìn)硫酸氫銨的形成及其在空預(yù)器上的沉積[3]。硫酸氫銨的形成同時(shí)依賴(lài)于溫度，當(dāng)煙氣溫度略低于硫酸氫銨的初始形成溫度時(shí)，硫酸氫銨即開(kāi)始形成。當(dāng)煙氣溫度下降到比硫酸氫銨形成的初始溫度低25℃時(shí)，硫酸氫銨形成反應(yīng)可完成95%。硫酸氫銨的確切形成區(qū)域取決于初始形成溫度和空預(yù)器溫度，并在空預(yù)器軸向上、下波動(dòng)。硫酸氫銨的沉積受空預(yù)器冷段換熱元件結(jié)構(gòu)及溫度影響，對(duì)于三層換熱元件空預(yù)器，吹灰器可以將中間層換熱元件上的硫酸氫銨清除，使其難以在空預(yù)器中間層沉積[4]。

圖1 NH3與SO3濃度積、溫度對(duì)硫酸氫銨形成的影響

1.2 空預(yù)器硫酸氫銨分區(qū)生成影響因素

在催化劑、燃燒工況、空預(yù)器運(yùn)行工況、燃煤品質(zhì)等環(huán)境條件基本穩(wěn)定條件下，氨的局部過(guò)量造成的氨逃逸是影響硫酸氫銨生成的主要原因，影響機(jī)組運(yùn)行期間硫酸氫銨分區(qū)生成的主要因素有：脫硝出口煙氣取樣無(wú)代表性、脫硝反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)不均、機(jī)組工況變化、空預(yù)器設(shè)計(jì)工況等。

1）脫硝出口煙氣取樣無(wú)代表性。

脫硝機(jī)組CMES廠商設(shè)計(jì)的取樣探頭多為單點(diǎn)采樣探頭，在極易產(chǎn)生湍流及紊流的大截面、小直段的煙道中很難取到具有代表性的樣氣。部分電廠在脫硫及脫硝等處采用三點(diǎn)取樣方式對(duì)煙道煙氣進(jìn)行抽取，抽氣后的煙氣進(jìn)行混合測(cè)量，該方法在一定程度上是提高了樣氣的代表性，但煙囪入口與脫硝出口NOx測(cè)量偏差問(wèn)題也沒(méi)有得到根本解決，部分電廠偏差達(dá)到100%以上。

2）反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)的分布不均。

火電機(jī)組的鍋爐燃燒十分復(fù)雜，煙氣在脫硝的流場(chǎng)分布存在多樣性、變化性及不均勻性等多個(gè)特點(diǎn)。在SCR設(shè)計(jì)時(shí)，主要利用FLUENT進(jìn)行冷熱態(tài)模擬，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)手工取樣的NOX測(cè)量等進(jìn)行噴氨流場(chǎng)調(diào)整。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，脫硝催化劑發(fā)生局部積灰或堵塞，造成煙氣偏流，鍋爐從設(shè)計(jì)到長(zhǎng)期運(yùn)行后，不可避免經(jīng)過(guò)大小修理及相關(guān)設(shè)備改造，煙道的煙氣流場(chǎng)會(huì)變化較大。

3）機(jī)組運(yùn)行工況的變動(dòng)導(dǎo)致流場(chǎng)不均。

隨著電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)幅度增大，多數(shù)電廠的機(jī)組出力、效率下降較嚴(yán)重，機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)下降，低負(fù)荷工況增加，大容量機(jī)組也參與到靈性調(diào)峰。機(jī)組為適應(yīng)調(diào)度的負(fù)荷曲線(xiàn)，根據(jù)AGC指令要隨時(shí)調(diào)整負(fù)荷，在負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中，鍋爐燃燒工況變化較大，風(fēng)量、煤量及水量會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化。這些與燃燒直接相關(guān)的參數(shù)變化，對(duì)鍋爐煙道的流場(chǎng)分布帶來(lái)更大的不確定因素，氣流分布與設(shè)計(jì)值及模擬值易出現(xiàn)較大的偏差。

4）空預(yù)器結(jié)構(gòu)不良促進(jìn)硫酸氫銨生成。

氣態(tài)或顆粒狀液體狀硫酸氫氨會(huì)隨著煙氣流經(jīng)預(yù)熱器，不會(huì)對(duì)預(yù)熱器產(chǎn)生影響。硫酸氫氨的形成是有固定的溫度區(qū)域，在預(yù)熱器傳熱元件中該溫度區(qū)域?qū)?yīng)相應(yīng)的位置區(qū)域，此區(qū)域統(tǒng)稱(chēng)為ABS區(qū)域。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燃煤機(jī)組液態(tài)NH4HSO4形成的溫度區(qū)域在146℃～207℃，ABS區(qū)域?yàn)榫囝A(yù)熱器傳熱元件底部381mm-813mm位置之間[4]。傳統(tǒng)空預(yù)器元件分為高、中、低溫3段，采用致密的波紋板結(jié)構(gòu)，換熱冷段高度約300mm，主要為了防止煙氣產(chǎn)生的硫酸導(dǎo)致低溫腐蝕。當(dāng)硫酸氫氨溫度區(qū)間跨越2層換熱元件時(shí)，接縫處的硫酸氫氨吸附飛灰結(jié)垢搭橋現(xiàn)象更加嚴(yán)重[5]。

圖2 燃煤機(jī)組空預(yù)器ABS區(qū)域分布圖

2 脫硝反應(yīng)器全斷面硫酸氫銨生成趨勢(shì)采樣監(jiān)測(cè)

2.1 硫酸氫銨生成趨勢(shì)采樣監(jiān)測(cè)原理

NH3、SO3是硫酸氫銨生成的必要條件，控制其中一個(gè)因素即可有效控制硫酸氫銨的生成。脫硝反應(yīng)器進(jìn)出口煙道面積大，多數(shù)機(jī)組的煙道CEMS只監(jiān)測(cè)1～3個(gè)點(diǎn)，代表性不強(qiáng)，不能判別全斷面NOx分布情況，人工監(jiān)測(cè)難以及時(shí)有效進(jìn)行。而且，脫硝反應(yīng)器本體面積是進(jìn)出口煙道面積的數(shù)倍，反應(yīng)器內(nèi)部催化劑空隙堵塞、局部積灰等影響煙氣均勻進(jìn)入催化劑內(nèi)部，運(yùn)行過(guò)程中，即使噴入煙氣中氨均勻，也難以保證脫硝出口各個(gè)分區(qū)脫硝效果一致。多臺(tái)機(jī)組脫硝效率優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明，脫硝反應(yīng)器內(nèi)部出口各個(gè)分區(qū)NOX濃度偏差甚至達(dá)到100～400%，反應(yīng)器內(nèi)部分區(qū)催化效率、出口NOx分布處于盲目未知狀態(tài)。

硫酸氫銨生成趨勢(shì)采樣監(jiān)測(cè)原理是：將監(jiān)測(cè)脫硝反應(yīng)器出口全斷面進(jìn)行分區(qū)布置煙氣監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析各個(gè)區(qū)域煙氣中NOx、O2、NH3濃度，計(jì)算NH3與SO3的濃度積，該濃度積即可判別硫酸氫銨的生成趨勢(shì)。建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硫酸氫銨生成傾向數(shù)學(xué)模型，判別硫酸氫銨分區(qū)生成率。

2.2 脫硝反應(yīng)器全斷面硫酸氫銨生成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）采樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在脫硝反應(yīng)器出口、空預(yù)器入口煙道設(shè)計(jì)布置全截面多點(diǎn)分區(qū)輪巡式煙氣NOx、O2在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由煙氣取樣單元、測(cè)量單元及控制單元組成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空預(yù)器入口煙道斷面全區(qū)域NOx、NH3、O2濃度值及各區(qū)域NOx、NH3、O2濃度值。煙氣采樣單元由反應(yīng)器全斷面分區(qū)154個(gè)采樣點(diǎn)構(gòu)成，監(jiān)測(cè)煙氣進(jìn)入脫硝反應(yīng)器的流速分布的均勻性，判別硫酸氫銨生成狀況。分區(qū)輪巡式煙氣自動(dòng)抽氣裝置由空預(yù)器入口直接旁路至電除塵入口，利用系統(tǒng)差壓實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力自動(dòng)煙氣采樣；測(cè)量單元由煙氣預(yù)處理單元（三級(jí)）和檢測(cè)單元、顯示單元組成；控制單元對(duì)煙氣輪巡采集、預(yù)處理、檢測(cè)、反吹掃、顯示等過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖3 反應(yīng)器全斷面硫酸氫銨生成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2）硫酸氫銨分區(qū)生成預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由數(shù)值采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、智能預(yù)測(cè)單元、信息發(fā)送單元組成。監(jiān)測(cè)煙道全斷面不同區(qū)域NOx、濃度梯度及變化的實(shí)時(shí)分布，結(jié)合機(jī)組不同負(fù)荷、不同氨逃逸濃度、不同燃煤、不同磨組合、不同煙氣溫度工況，基于硫酸氫銨生成原理，對(duì)硫酸氫銨分區(qū)生成預(yù)測(cè)系統(tǒng)?；诹蛩釟滗@分區(qū)生成預(yù)測(cè)系統(tǒng)分析結(jié)果，判別硫酸氫銨分區(qū)生成率，對(duì)空預(yù)器冷端黏結(jié)性?xún)A向進(jìn)行預(yù)警，并進(jìn)行早期分區(qū)干預(yù)控制，清除初期不牢固的硫酸氫銨黏結(jié)物，避免后期高強(qiáng)度黏結(jié)物的形成。

3 空預(yù)器硫酸氫銨黏結(jié)干預(yù)控制

3.1 脫硝全斷面精準(zhǔn)噴氨，控制氨逃逸

脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)不均、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置不合理、斷面局部過(guò)量噴氨而無(wú)法監(jiān)測(cè)是導(dǎo)致整體氨逃逸的主要原因，通過(guò)脫硝全斷面煙氣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器出口煙氣 NOx、NH3、O2濃度值及各區(qū)域 NOx、NH3、O2濃度值，設(shè)置合理的濃度偏差，分區(qū)濃度偏差大時(shí)，根據(jù)偏差狀況調(diào)整噴氨系統(tǒng)入口各噴氨小門(mén)，實(shí)現(xiàn)噴氨流量分區(qū)定期平衡，實(shí)現(xiàn)脫硝全斷面精準(zhǔn)噴氨，可有效控制氨逃逸。

3.2 控制脫硝入口氮氧化物濃度

嚴(yán)格控制脫硝入口煙氣中NOx濃度，保證鍋爐低氮燃燒穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)中注意監(jiān)視SCR進(jìn)口煙氣中NOx、濃度小于550mg/Nm3，若出現(xiàn)SCR進(jìn)口煙氣中NOx濃度變化大，應(yīng)進(jìn)行機(jī)組負(fù)荷調(diào)整及燃燒調(diào)整，控制SCR進(jìn)口煙氣中NOx濃度處于合理范圍[6]。

3.3 空預(yù)器換熱元件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

空預(yù)器煙側(cè)進(jìn)出口溫度范圍約100～400℃，涵蓋了高粘性硫酸氫氨的生成溫度區(qū)間。為了應(yīng)對(duì)硫酸氫氨的影響，空預(yù)器采取了以下改造措施，傳統(tǒng)空預(yù)器元件分為高、中、低溫3段，冷段高度約300mm，硫酸氫氨溫度區(qū)間跨越2層換熱元件時(shí)，接縫處的硫酸氫氨吸附飛灰結(jié)垢搭橋現(xiàn)象更加嚴(yán)重。合并傳統(tǒng)的冷段和中溫段，將換熱元件改為2段，冷段高度加大到約800～1200mm，涵蓋機(jī)組不同負(fù)荷下硫酸氫氨的生成溫度范圍，保證全部硫酸氫氨在冷段完成凝結(jié)和沉積。將空預(yù)器冷段換熱元件由通常傾斜的雙層皺紋形改為局部封閉、高吹灰通透性的波形換熱元件，易于被吹灰器清掃[7]。

3.4 優(yōu)化空預(yù)器運(yùn)行工況

加強(qiáng)空預(yù)器吹灰，空預(yù)器吹灰蒸汽壓力一般為1.8～2.0MPa，優(yōu)化空預(yù)器吹灰壓力及頻次，必要時(shí)將空預(yù)器吹灰壓力提高至2.5MPa，根據(jù)空預(yù)器壓差情況優(yōu)化吹灰工況；硫酸氫銨熔點(diǎn)約147℃，可采取煙氣升溫方式將空預(yù)器冷端硫酸氫銨加熱至147℃以上，同時(shí)進(jìn)行連續(xù)蒸汽吹灰方式，在其液化狀態(tài)下吹掃隨煙氣排掉以降低空預(yù)器煙氣差壓[8]。空預(yù)器停機(jī)沖洗，利用停爐檢修時(shí)機(jī)，對(duì)空預(yù)器進(jìn)行高壓水沖洗，必要時(shí)可將換熱元件吊出進(jìn)行清洗。

4 結(jié)語(yǔ)

兩臺(tái)燃煤機(jī)組脫硝超低排放改造后，反應(yīng)器流場(chǎng)不均及局部噴氨過(guò)量導(dǎo)致在空預(yù)器冷端硫酸氫銨堵塞、低低溫省煤器腐蝕嚴(yán)重，空預(yù)器壓差甚至達(dá)到3kPa，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，先后被迫進(jìn)行空預(yù)器在線(xiàn)帶負(fù)荷清洗、低低溫省煤器更換改造。為消除硫酸氫銨導(dǎo)致的空預(yù)器黏結(jié)堵塞問(wèn)題，先后采取空預(yù)器冷段換熱元件改造、加裝脫硝反應(yīng)器采樣全斷面監(jiān)測(cè)裝置、優(yōu)化空預(yù)器運(yùn)行等手段，對(duì)空預(yù)器冷端黏結(jié)進(jìn)行早期干預(yù)控制，有效防止了空預(yù)器堵塞發(fā)生，提高了機(jī)組運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)性。