空氣預(yù)熱器堵塞機(jī)理及防堵對(duì)策研究

王忠寶

(廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529200)

0 引言

國(guó)家環(huán)保要求日益嚴(yán)格，火力發(fā)電廠脫硫脫硝面臨著更加嚴(yán)格的要求。但伴隨著各火力電廠相繼加裝脫硝裝置以后，空氣預(yù)熱器(回轉(zhuǎn)式)堵塞的問題變得更加突出。而空氣預(yù)熱器堵塞給各火力發(fā)電廠帶來(lái)了極大的安全隱患及經(jīng)濟(jì)損失。因此，空氣預(yù)熱器的防堵問題成為火電廠迫切需要解決的實(shí)際問題。但空預(yù)器堵塞過程受很多因素共同影響，因此，針對(duì)空氣預(yù)熱器運(yùn)行過程發(fā)生堵塞這一問題的關(guān)鍵在于研究和分析空氣預(yù)熱器的堵塞機(jī)理。

本文通過對(duì)比某電廠的空氣預(yù)熱器堵塞積灰前后相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化，分析堵塞后從數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出的現(xiàn)象，結(jié)合對(duì)換熱元件灰垢的取樣分析，深層次的分析了空氣預(yù)熱器堵塞的機(jī)理和帶來(lái)的后果，并且基于對(duì)機(jī)理和現(xiàn)象的分析得出了應(yīng)對(duì)空氣預(yù)熱器堵塞問題的幾種解決方案，并分別對(duì)每種方案進(jìn)行分析，對(duì)比各種方案的利弊。結(jié)果表明：空氣預(yù)熱器循環(huán)風(fēng)防堵的方案更可行、可靠。

1 某電廠空氣預(yù)熱器運(yùn)行狀況

相比較其他空氣預(yù)熱器，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器由于結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率較高，所以大型火電廠通常采用回轉(zhuǎn)式空預(yù)器。但是，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器堵灰問題是各大火電廠自從加裝脫硝裝置以后所面臨的普遍存在問題，某電廠3號(hào)機(jī)組自2015年1月經(jīng)過SCR脫硝改造后，僅運(yùn)行3個(gè)月，該機(jī)組的空氣預(yù)熱器產(chǎn)生較為明顯地堵塞，這直接引發(fā)以下幾點(diǎn)連鎖反應(yīng)：

(1)流道阻力上升，風(fēng)機(jī)耗功增加

該電廠3號(hào)機(jī)組在1月份完成脫硝系統(tǒng)改造，加裝脫硝裝置后，從2015年1月底機(jī)組開始正常運(yùn)行，從1月至4月運(yùn)行這期間，空預(yù)器在570 MW負(fù)荷時(shí)，A側(cè)的一次風(fēng)差壓從1.15 kPa升高到2.30 kPa，二次風(fēng)壓差從1.4 kPa升高至1.9 kPa；而B側(cè)一次風(fēng)壓差從0.9 kPa升高至1.9 kPa，二次風(fēng)壓差從1.50 kPa升高至1.95 kPa。從以上數(shù)據(jù)可以明顯看出一、二次風(fēng)壓差都有明顯升高，反映出空預(yù)器流道阻力上升，這會(huì)影響機(jī)組帶負(fù)荷能力，而風(fēng)機(jī)為滿足風(fēng)量也必然提高風(fēng)機(jī)出力，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)耗功增加。分析其原因是由于空預(yù)器發(fā)生了堵灰現(xiàn)象，增加了流道的阻力。對(duì)比3號(hào)機(jī)組不同負(fù)荷時(shí)三大風(fēng)機(jī)電流變化情況見表1。

空器預(yù)熱器堵塞后3號(hào)機(jī)組負(fù)荷最大帶至420 MW，若再增加機(jī)組負(fù)荷則風(fēng)機(jī)出力已無(wú)法滿足爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒要求。

(2)換熱惡化，排溫升高

當(dāng)空氣預(yù)熱器換熱元件表面覆蓋一層灰后，使得換熱元件的換熱系數(shù)急劇降低，導(dǎo)致煙風(fēng)和空預(yù)器內(nèi)換熱元件換熱惡化，甚至在堵塞嚴(yán)重區(qū)域，換熱遠(yuǎn)近幾乎不參與換熱，相當(dāng)于縮小了空預(yù)器整體換熱面積，這大大降低了空預(yù)器的換熱能力，偏離原本的設(shè)計(jì)要求，最后還會(huì)導(dǎo)致出口排溫升高。詳見表2。

表1 2015年3號(hào)機(jī)組空預(yù)器堵塞前后三大風(fēng)機(jī)電流對(duì)比表

項(xiàng)目空預(yù)器堵塞前空預(yù)器堵塞后3.27 16:403.21 22:523.30 6:184.15 11:385.4 16:004.28 5:55負(fù)荷/MW550450300550450300一次風(fēng)機(jī)A電流/A130121100128116105一次風(fēng)機(jī)B電流/A132124103130118107送風(fēng)機(jī)A電流/A9071581059163送風(fēng)機(jī)B電流/A9073601079061引風(fēng)機(jī)A電流/A290243207306258230引風(fēng)機(jī)B電流/A294247207313266209增壓風(fēng)機(jī)電流/A417311260433428284

表2 空氣預(yù)熱器堵塞前后排煙溫度對(duì)比表

(3)鍋爐壓力波動(dòng)較大

空氣預(yù)熱器在不斷旋轉(zhuǎn)中，堵灰區(qū)域的位置不斷移動(dòng)，造成風(fēng)道的阻力不斷變化，從而導(dǎo)致了鍋爐爐膛內(nèi)的壓力波動(dòng)，正常情況下，爐膛內(nèi)處于負(fù)壓燃燒狀態(tài)，一旦波動(dòng)到正壓，就會(huì)直接影響爐膛內(nèi)的安全燃燒。3號(hào)機(jī)組空氣預(yù)熱器發(fā)生堵塞前爐膛負(fù)壓波動(dòng)幅值遠(yuǎn)小于空氣預(yù)熱器堵塞后。在前后對(duì)比中，空氣預(yù)熱器堵塞前爐膛負(fù)壓波動(dòng)頻率明顯小于空氣預(yù)熱器堵塞后?？諝忸A(yù)熱器堵塞前爐膛負(fù)壓波動(dòng)一般在-50～200 Pa間，空氣預(yù)熱器堵塞后負(fù)壓波動(dòng)范圍在-100～500 Pa，這會(huì)嚴(yán)重危及爐內(nèi)燃燒安全。

(4)漏風(fēng)量增加

當(dāng)3號(hào)機(jī)組空氣預(yù)熱器發(fā)生堵灰之后，由于阻力的增大，若想維持原有的送風(fēng)量，必須提高送一次風(fēng)機(jī)的出口壓頭，也必須對(duì)應(yīng)地降低引風(fēng)機(jī)的入口壓頭，導(dǎo)致空氣側(cè)的壓力愈高，煙氣側(cè)壓力愈低，兩側(cè)的壓差變大，使得空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)更加嚴(yán)重。3號(hào)機(jī)組自1月空氣預(yù)熱器柔性密封改造完成，測(cè)試漏風(fēng)率A側(cè)2.69%、B側(cè)5.49%，平均漏風(fēng)率4.09%。運(yùn)行至4月后空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率A側(cè)10.40%,、B側(cè)12.75%,平均漏風(fēng)率11.58%。前后對(duì)比空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率增大7.49%，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率明顯增大。

2 空氣預(yù)熱器堵塞機(jī)理分析

我們對(duì)該電廠3號(hào)機(jī)組空氣預(yù)熱器冷端換熱元件灰垢進(jìn)行了取樣分析，分析如下：

2.1 灰垢取樣成分分析

提取一定量的灰樣于容器中，使灰樣放置于干燥箱中干燥2 h，冷卻到25℃，通過計(jì)算可得灰樣含水量為15.85%。然后繼續(xù)對(duì)灰樣以15℃/min的加熱速率加熱，使灰樣溫度達(dá)到500℃，保持0.5 h，然后繼續(xù)以15℃/min的加熱速率加熱，使加熱溫度達(dá)到815℃，在此溫度下保持1 h，最后冷卻到25℃。經(jīng)過上述的處理后，樣本從原來(lái)的灰黑色變成了土黃色。通過分析對(duì)比，樣品在干燥后平均燃燒損失率達(dá)到49.0%，灼燒的質(zhì)量損失超過了59%。由此可知，原始灰樣在燃燒過程中所釋放的元素主要是由S、N、H和O元素構(gòu)成。

通過使用Jade5.0，將初始灰樣與標(biāo)準(zhǔn)的礦物質(zhì)卡片對(duì)比得出，灰樣的主要成分有硫酸銨、銨明礬、二氧化硅、硫酸鈣以及二水合硫酸鈣等晶體。除去N、H和S元素外，灰樣其他成分質(zhì)量占比約78%，原始灰樣的XRD圖譜見下圖1所示。

圖1 空預(yù)器冷端換熱元件表面原始灰樣XRD圖譜

通過分析結(jié)渣位置，得出結(jié)論N元素主要來(lái)源于SCR反應(yīng)器的出口處逸散出去的氨氣，發(fā)現(xiàn)這一問題，主要是通過分析灰樣中的硫酸銨的含量占比較高。NOx排放量的減少主要通過加入較高比例的還原劑，但是這樣卻會(huì)導(dǎo)致氨氣的大量逸散。

另外，增設(shè)催化劑的層數(shù)(第三層或者第四層)會(huì)導(dǎo)致煙氣中的SO3濃度上升。一般情況，銨鹽不會(huì)融化黏附，主要應(yīng)為硫酸銨的熔點(diǎn)很高。但是如果煙氣的溫度驟降，其中的水蒸氣就會(huì)增加，硫酸銨溶于水就會(huì)容易附著于受熱壁。

硫酸鋁的形成是因?yàn)榛翌w粒中的鋁結(jié)晶礦物質(zhì)，在溫度驟降的情況下，硫酸霧濃度上升，兩者相互化學(xué)反應(yīng)，然后這些硫酸鋁就黏附在了催化劑表面。然后因?yàn)樗魵獾脑驅(qū)е铝蛩徜@和硫酸鋁形成硫酸鹽二聚物，這就是灰樣中的銨明礬。硫酸鈣來(lái)源于燃燒過程。

2.2 灰樣的微觀形貌

通過對(duì)原始灰樣進(jìn)行微觀分析，可以得到圖2，從圖中可以看到其中的亞微米球形顆粒被一些絮狀物包裹形成了更大的顆粒。這些絮狀物主要是硫酸鹽組成的，由于在煙氣溫度驟降的情況下，水蒸氣增加導(dǎo)致小顆?；曳逐じ皆诹吮诿嫔希瑢D2中所選取得區(qū)域進(jìn)行DES元素分析，得到結(jié)果見圖3。通過圖3可以得出結(jié)論，圖2所分析的區(qū)域有S和N元素的存在，這一結(jié)果恰恰證明了硫酸鹽的存在。

圖2 原始灰樣顆粒微觀形貌

圖3 原始灰樣EDS元素分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，氨氣的逸散是導(dǎo)致分機(jī)葉片表面硫酸鹽積累的主要原因之一，造成氨氣逸散主要有以下幾個(gè)原因：

(1)進(jìn)口煙氣中含有大量的NOx，為了降低出口煙氣中的NOx濃度從而增加噴氨量；

(2)常規(guī)空氣預(yù)熱器中硫酸氫銨沉降區(qū)；

(3)進(jìn)口的煙氣中NOx含量分布不均勻，可能出現(xiàn)局部的NOx含量偏高，而偏高的NOx信號(hào)反饋至脫硝控制系統(tǒng)將會(huì)造成噴氨量增多；

(4)鍋爐運(yùn)行出現(xiàn)變工況時(shí)，脫硝系統(tǒng)的噴氨量控制調(diào)節(jié)無(wú)法及時(shí)響應(yīng)變工況，從而造成氨逃逸量增大；

(5)脫硝系統(tǒng)的噴氨格柵出現(xiàn)泄漏；

(6)催化劑的使用時(shí)間較長(zhǎng)或已損壞、堵塞，導(dǎo)致其活性下降；

(7)不能準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)測(cè)氨氣逃逸率。

其次，由于空預(yù)器冷端管壁溫度范圍通常為60～70℃，低的可能在45～60℃，因此，當(dāng)排煙溫度過低時(shí)將使得煙氣含水量提高，然后與SO3產(chǎn)生了硫酸酸霧，并附著在灰粒的表面，增加了灰粒的粘附力，加劇了灰粒在空預(yù)器冷端管壁的沉積，然后在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過程中積累成較為嚴(yán)重的灰垢。

3 基于機(jī)理的空氣預(yù)熱器防堵對(duì)策

3.1 高低硫燃煤合理?yè)交毂ＷC硫含量

將不同硫含量的煤按一定比例購(gòu)進(jìn)，然后將不同硫含量的燃煤進(jìn)行合理?yè)交?，保證進(jìn)入爐膛的燃煤硫含量保持在1.49%以下，再結(jié)合煙氣脫硫工藝，降低硫酸氫氨的生成量。

3.2 合理吹灰操作，保持空預(yù)器換熱元件清潔

通過監(jiān)測(cè)空氣預(yù)熱器的差壓變化情況，反映空預(yù)器的積灰程度，以此作為吹灰操作的依據(jù)，合理調(diào)整吹灰次數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)差壓較大時(shí)，可進(jìn)行連續(xù)吹灰操作。另外，省煤器的吹灰裝置也應(yīng)保持正常投運(yùn)，可減少空預(yù)器末端積灰，降低流道阻力。

3.3 利用高壓水沖洗空氣預(yù)熱器

在遇到某些特殊情況，例如積灰明顯嚴(yán)重，差壓過大，影響機(jī)組帶負(fù)荷能力，電廠運(yùn)行人員可考慮在停機(jī)檢修時(shí)利用高壓水對(duì)空預(yù)器進(jìn)行沖洗操作。沖洗時(shí)要注意沖洗方向，先自下而上沖洗，然后自上而下沖洗，防止灰垢淤積在換熱元件間隙。當(dāng)沖洗完成后保持自然晾干，或者強(qiáng)制通風(fēng)吹干。在線使用高壓沖洗水系統(tǒng)，一般設(shè)定壓力不低于25 MPa，在如此高的壓力下對(duì)空預(yù)器蓄熱元件及密封損壞較大。

通過某廠在線高壓沖洗的調(diào)研中得知：頻繁使用在線高壓水沖洗直接導(dǎo)致蓄熱元件損壞、徑向密封失效，元件損壞形成碎片堵塞空預(yù)器流通通道，導(dǎo)致密封失效，從而使得空預(yù)器漏風(fēng)率急劇增大?？疹A(yù)器漏風(fēng)率的增大導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中爐膛負(fù)壓的波動(dòng)變大，鍋爐燃燒不穩(wěn)，風(fēng)量加大電耗增加，風(fēng)機(jī)運(yùn)行失速現(xiàn)象發(fā)生；同時(shí)頻繁投入高壓沖洗水，使得煙氣中帶水，煙道內(nèi)部積灰板結(jié)及煙道腐蝕加劇，電除塵效率降低等問題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.4 進(jìn)行空氣預(yù)熱器蓄熱元件改造

在對(duì)某廠空氣預(yù)熱器的換熱元件進(jìn)行拆解查看空預(yù)器內(nèi)部的部分換熱元件覆蓋了一層灰垢，另外，在一些倉(cāng)格中可以發(fā)現(xiàn)傾斜倒伏的現(xiàn)象。因此，該電廠經(jīng)過分析評(píng)估決定對(duì)空預(yù)器的換熱元件進(jìn)行改造，選擇流通通道更大且為直道的波紋形式，并將冷端蓄熱元件全部采用鍍搪瓷工藝。機(jī)組啟動(dòng)后，在額定工況下，空氣預(yù)熱器的煙氣側(cè)差壓下降至0.6 kPa，排煙溫度降低了20℃，引風(fēng)機(jī)電流下降30 A，空預(yù)器出口一、二次風(fēng)溫度也在合理的范圍內(nèi)，但運(yùn)行一段時(shí)間后空預(yù)器又再次出現(xiàn)堵灰現(xiàn)象，并未徹底解決空預(yù)器存在的堵灰問題。

3.5 冷風(fēng)加裝暖風(fēng)器

鍋爐暖風(fēng)器的工作原理是利用汽輪機(jī)低壓抽汽來(lái)加熱空預(yù)器的進(jìn)口空氣。鍋爐暖風(fēng)器安裝在送風(fēng)機(jī)的出口與空預(yù)器的入口之間，所以又可以稱其為前置式空預(yù)器。加裝暖風(fēng)器之后，提高了進(jìn)入空預(yù)器的空氣溫度，空預(yù)器壁溫升高，可以有效防止低溫腐蝕。采用鍋爐暖風(fēng)器后，空預(yù)器的傳熱溫差減小，因此鍋爐排煙溫度升高，鍋爐熱效率下降。暖風(fēng)機(jī)改造系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 暖風(fēng)器改造系統(tǒng)示意圖

在機(jī)組啟動(dòng)階段，暖風(fēng)器的熱源是輔助蒸汽，對(duì)一二次風(fēng)進(jìn)行加熱，當(dāng)處于常規(guī)運(yùn)行過程中，將抽汽點(diǎn)切至汽輪機(jī)四級(jí)抽汽點(diǎn)。汽輪機(jī)四級(jí)抽汽點(diǎn)出來(lái)的蒸汽，通過進(jìn)口調(diào)節(jié)閥進(jìn)入暖風(fēng)器的兩側(cè)，而蒸汽凝結(jié)的疏水排放至疏水箱，通過下面的疏水泵輸送至5號(hào)低壓加熱器或凝汽器中。

暖風(fēng)器的加熱原理與傳統(tǒng)加熱器原理類似，在蒸汽凝結(jié)過程中通常會(huì)積聚部分難融氣體。為了防止這些氣體積聚對(duì)疏水正常的影響，通過加設(shè)包含節(jié)流孔板的排氣管路，使得凝汽器與排氣管路相連。當(dāng)暖風(fēng)器正常運(yùn)行時(shí)保證排氣管路排氣順暢，來(lái)確保暖風(fēng)器輸水正常，提升暖風(fēng)器的運(yùn)行效率。

整個(gè)暖風(fēng)器的設(shè)備較為簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，不需另加煙道，可通過調(diào)節(jié)開度大小控制空預(yù)器冷空氣入口溫度。

由于暖風(fēng)器加熱原理為利用熱蒸汽加熱冷空氣，運(yùn)行時(shí)主要存在以下缺點(diǎn)：

(a)由于安裝在風(fēng)道中，且結(jié)構(gòu)緊湊，增加了風(fēng)道的阻力，尤其是夏季暖風(fēng)器不投入運(yùn)行時(shí)，空氣也要流經(jīng)暖風(fēng)器，提高了一、二次風(fēng)機(jī)的耗電量；

(b)暖風(fēng)器容易發(fā)生漏泄，如果暖風(fēng)器泄漏的汽、水帶入空預(yù)器之后，加速腐蝕和堵灰，更影響到鍋爐的燃燒效率。

(c)暖風(fēng)器的加熱源為熱蒸汽，這使得機(jī)組耗費(fèi)了用于做功的高溫蒸汽，并且投運(yùn)暖風(fēng)器后對(duì)排煙溫度有一定影響，使得整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率降低，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

3.6 空氣預(yù)熱器循環(huán)風(fēng)防堵

在空預(yù)器的冷端選擇一個(gè)溫度較低位置，在該位置增設(shè)一個(gè)循環(huán)風(fēng)分倉(cāng)與循環(huán)風(fēng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)熱風(fēng)在風(fēng)道內(nèi)不斷循環(huán)。冷風(fēng)在空預(yù)器熱端吸收熱量，變成大約290℃的熱風(fēng)，然后通向空預(yù)器冷端進(jìn)行換熱，加熱冷端溫度較低金屬，這相當(dāng)于增加一個(gè)換熱過程來(lái)減少了空預(yù)器冷端金屬溫度分布不均。降低空預(yù)器局部溫度太低的現(xiàn)象。

風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)采用變頻調(diào)節(jié)，可根據(jù)環(huán)境溫度及空預(yù)器冷端加裝的紅外測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的元件溫度的高低進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，滿足冷端蓄熱元件加熱前提下盡量降低風(fēng)機(jī)電耗。首先，熱量來(lái)源是自身產(chǎn)生的熱風(fēng)，該方法不需要靠其他外部熱源來(lái)加熱局部蓄熱元件，滿足能量最優(yōu)使用；其次，被加熱的位置是連接煙氣側(cè)的蓄熱元件，該位置如果溫度較低很容易結(jié)露從而導(dǎo)致堵塞，專門提升該位置蓄熱元件的溫度，不僅能降低堵塞，也不需要使用過多的熱量去提升整個(gè)冷端溫度，間接地降低了對(duì)排煙溫度的影響，同時(shí)單獨(dú)的分倉(cāng)格有利于熱量集中。

4 結(jié)論

綜合以上防堵對(duì)策分析得出以下結(jié)論：

(1)嚴(yán)格把控燃煤摻配環(huán)節(jié)，合理控制入爐煤的含硫量。由于現(xiàn)階段各電廠購(gòu)煤緊張，嚴(yán)格控制來(lái)煤質(zhì)量存在購(gòu)不到煤的困難。

(2)加強(qiáng)空預(yù)器吹灰工作及加裝高壓沖洗水。兩者措施路線旨在通過機(jī)械方式去除已生成的灰垢，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)諸多負(fù)面影響直接危及機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行并屬于后期治理措施，未能從根本上進(jìn)行防治。

(3)進(jìn)行空預(yù)器蓄熱元件改造，空預(yù)器出口一、二次風(fēng)溫度恢復(fù)至合理范圍內(nèi)，但運(yùn)行一段時(shí)間后空預(yù)器再次出現(xiàn)堵灰現(xiàn)象，并未徹底解決空預(yù)器堵灰問題。

(4)冷風(fēng)加裝暖風(fēng)器，增加了風(fēng)道的阻力，尤其是夏季暖風(fēng)器不投入運(yùn)行時(shí)，空氣也要流經(jīng)暖風(fēng)器，提高了一、二次風(fēng)機(jī)的耗電量；暖風(fēng)器容易發(fā)生漏泄，如果暖風(fēng)器泄漏的汽、水帶入空預(yù)器之后，加速腐蝕和堵灰，更影響到鍋爐的燃燒效率；暖風(fēng)器的加入對(duì)排煙溫度影響較大，降低了整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)冷端溫度提升幅度較小，防治效果不明顯。

(5)空預(yù)器循環(huán)風(fēng)防堵，此技術(shù)著實(shí)從堵灰機(jī)理著手，選擇冷端溫度最低點(diǎn)進(jìn)行溫度提升，從本質(zhì)上防止NH4HSO4形成；其次循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后的熱風(fēng)對(duì)元件本身具有一定沖刷作用，可以同時(shí)去除元件表面所形成的灰垢。通過某廠改造結(jié)果顯示，該技術(shù)已取得明顯成效，同時(shí)改造后帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。相較其余五種措施技術(shù)，空氣預(yù)熱器循環(huán)風(fēng)防堵更可行、可靠。