回轉式空氣預熱器熱風清洗防堵控制技術

張燕飛,楊寶林,劉 威,劉衛(wèi)東,武 輝

(1.河北衡豐發(fā)電有限責任公司,河北 衡水 053000;2.北京華大鼎誠(北京)電力技術有限公司,北京 101106)

1 存在的問題

電站鍋爐脫硝一般采用氨氣作為觸媒,過量逃逸的氨氣會和煙氣中的硫酸產生化學反應,生成液態(tài)的硫酸氫銨會粘結飛灰形成堵塞物,導致回轉式空氣預熱器的堵塞,是目前燃煤機組鍋爐普遍存在的問題[1]。河北衡豐發(fā)電有限責任公司1號、2號鍋爐由于脫硝入口氮氧化物高,脫硝噴氨量較大,產生硫酸氫銨(NH4HSO4)引起空氣預熱器傳熱元件堵塞現(xiàn)象嚴重,造成了引、送風機耗電率升高,堵塞嚴重時限制了機組帶負荷能力,強化蒸汽吹灰后引風機空氣預熱器傳熱元件吹損等異常問題。

2 空氣預熱器堵塞原因

電站鍋爐燃煤中含硫量大小不一,燃燒中會產生SO3,SO3的量和煤質含硫量成正比,隨著煤中含硫量的增加SO3濃度也相應增加。SCR 中的SO2會被催化為SO3,電廠安裝的SCR 系統(tǒng)投用后也會增加煙氣中SO3的總量。在SCR 反應器中SO2被氧化的比例根據催化劑的不同,SO3濃度也相應增加。煙氣中存在的SO3造成空氣預熱器堵塞的原因主要有2類。

a.空氣預熱器冷段壁面溫度低于煙氣中SO3的露點溫度,出現(xiàn)了硫酸(H2SO4)結露的情況,結露的硫酸腐蝕受熱面表面,使沾灰的情況加劇,造成空氣預熱器堵塞[1]。

b.煙氣中SO3造成的另外一種形式的空氣預熱器堵塞與一種化學物質硫酸氫銨(NH4HSO4,或稱ABS)有關。在146～207 ℃,硫酸氫銨為高粘性液體,易粘附在空氣預熱器的中低溫換熱面,粘附煙氣中的飛灰,惡化空氣預熱器堵塞;低于146 ℃時,硫酸氫銨為固體,影響較小。

目前電廠通常采用的辦法主要有以下幾種:從燃燒側著手,增開燃盡風降低NOx,減輕SCR壓力,減少氨逃逸;加高空氣預熱器冷端換熱元件高度,改造封閉波形;嚴重時采用不間斷長時吹灰;影響機組運行時停機沖洗。

3 熱風清洗技術

目前電廠常用的堵塞處理方案雖能對空氣預熱器堵塞有一定程度的緩解,但治標不治本,無法根除空氣預熱器堵塞問題,這會增加鍋爐的運行負擔,增加三大電機耗電量,影響電廠安全經濟運行。因此針對空氣預熱器運行特性,提出使用熱風清洗技術,將熱風(約350 ℃以上)引至換熱片即將進入煙氣倉的區(qū)域,逆向加熱蓄熱元件,一方面高溫熱風可氣化冷端生成的NH4HSO4,另一方面可有效提高該最冷區(qū)域換熱片的溫度,從而抑制NH4HSO4生成的同時防止硫酸蒸汽凝結,此外,高壓熱風對蓄熱元件亦存在吹掃作用[2],以此可有效解決空氣預熱器換熱面腐蝕及堵塞的問題。

3.1 技術原理

熱風清洗技術的原理為:根據硫酸氫銨的物理特性,當溫度上升時,硫酸氫銨產生相變,液態(tài)轉化為氣態(tài),可以隨熱風帶走,不會粘結在蓄熱元件上。所以利用空氣預熱器出口熱一次風,在空氣預熱器冷端巧妙進行設計,隔離出一個清洗區(qū)域,引入高壓熱風到清洗分倉中,將分倉內的溫度場迅速提高,使飛灰中的硫酸氫銨由液態(tài)迅速轉化為氣態(tài),使飛灰無粘結基礎隨熱風帶走,避免液態(tài)硫酸氫銨的生成,從而改善堵塞問題,其原理與熱風再循環(huán)技術具有相似性[3],但本質不同,熱風再循環(huán)的機理是提高金屬壁溫,本技術機理是通過高流速置換掉轉子內的攜帶漏風,同時迅速提升飛灰中硫酸氫銨的氣化速度。

3.2 總體方案

根據空氣預熱器的運行特性,在空氣預熱器出口的熱一次風管道上抽取熱風,進入冷端加熱二次風側低溫區(qū)3.8°的清洗分倉(轉子總分倉為360°),提高3.8°清洗分倉內溫度場的溫度到硫酸氫銨結露溫度(按207 ℃)以上,使硫酸氫銨在此區(qū)域內迅速由液態(tài)轉化為氣態(tài),能夠使飛灰無粘附基礎隨熱風帶走,在冷端3.8°清洗分倉通過新增扇形板進行隔離,只流通高溫的熱一次風,熱端出口一、二次風道布置同常規(guī)三分倉預熱器,不需要改動。由于預熱器出口熱一次風壓力高于冷二次風入口壓力,有壓差作為動力來源,根據電廠項目實際情況,在額定負荷下,一次熱風出口壓力約6 340 Pa,二次冷風壓力為2 580 Pa,壓差約3 760 Pa,考慮到熱風清洗系統(tǒng)阻力,仍有約3 k Pa以上的差壓作為動力來源。熱風從熱一次風抽取出來,從冷端清洗風倉進入預熱器,高速流經受熱面氣化硫酸氫銨后,混入熱二次風直接排走,解決空氣預熱器堵塞問題?？諝忸A熱器熱風自清洗方案見圖1。

圖1 空氣預熱器熱風自清洗方案

3.3 性能計算

將煙氣側、一次風側、二次風側、清洗分倉每個區(qū)域內細分成11個小溫度區(qū)域,采用微積分的辦法結合對流換熱的計算方法,將初始入口風溫由常規(guī)的20 ℃,更改為不同負荷下的不同參數。根據熱力學原則,熱風進入預熱器后先對飛灰和格倉內的攜帶風進行同種介質之間的熱傳導,其次對流經受熱面低溫區(qū)的搪瓷鋼板換熱。從計算結果可以看出,高溫的熱風進入冷端后,風溫會逐漸降低,在不同負荷下,在對應受熱面不同高度(高負荷800～900 mm、低負荷1 000～1 300 mm)范圍,熱風溫度降到最低點,而此處恰恰是硫酸氫銨液態(tài)結露最嚴重的區(qū)域,因此設計的原則是務必保證此處的熱風溫度高于硫酸氫銨結露溫度(按207 ℃)。溫度場和流場模擬見圖2-3。

圖2 溫度場模擬

4 熱風清洗技術應用及效果

4.1 技術應用

圖3 流場模擬

設計說明:本次計算按3.8°分倉面積設置清洗分倉,清洗分倉設置在二次風側靠緊一次風桁架位置,新加一個隔離風倉出來,熱端不需做任何改動,從溫度場可以看出,按最低40%負荷考慮,低溫區(qū)域最低溫度為207.88 ℃,大于液態(tài)硫酸氫銨結露溫度的上限(結露溫度為207 ℃),在滿負荷的時候大50℃,余量足夠。性能參數設計見表1。

表1 性能參數設計

本次設計采用φ800 mm 的風管從熱一次風母管引風,設計流量為20 525 m3/h,故管道中的流速為11.4 m/s。

整個系統(tǒng)的設計壓力為3 kPa,也就是熱一次風和冷二次風之間的壓力差,根據現(xiàn)場實際情況這個壓力約3.5 k Pa,考慮整個管道系統(tǒng)的沿程阻力,按3 k Pa來考慮設計足夠,且這個壓力恒定。

在清洗風倉進口處通過變徑將管道直徑改變?yōu)?00 mm,這樣方便現(xiàn)場安裝布置,因為空氣預熱器二次風殼體空間有限,用800 mm 的管徑直接接入循環(huán)風倉布置較困難。和噴風口的流速進行漸變過度,從而匹配,類似于蝦米角管道的設計原理,局部的流速提高又能防止這個區(qū)域積灰。

不用擔心管道變窄會影響流量,因為壓力固定的情況下,管徑越小,流速越快,流量不變,氣體密度越大,出口壓力增加。比如φ500 mm 處的管道流量仍為20 525 m3/h,流速則變?yōu)?9.08 m/s,而到噴風口位置的流速會進一步提高到35.264 m/s。

清洗風進口風道從冷二次風人孔門部位進入,從扇形板中部位置垂直向上接入清洗風倉內,不能從殼體側面直接接入,這樣可以避免電流波動。結構設計主要參數見表2。

表2 結構設計主要參數

4.2 應用效果

熱風清洗技術應用前后DCS 數據對比見表3。

表3 熱風清洗技術應用前后數據對比

通過表3可知,X 比基本相同,說明鍋爐運行環(huán)境無變化,空氣側、煙氣側效率提升說明換熱效率有所提高,三大電機總電流下降14%,效果明顯。原來3號鍋爐一直采用煙氣側升溫,提高排煙溫度到接近180 ℃的辦法來蒸發(fā)硫酸氫銨防止堵塞,這種運行方法對空氣預熱器減速機影響較大,因為轉子膨脹量高?？諝忸A熱器熱風清洗改造后,不再需要進行升溫運行,換熱元件均無堵塞,證明了技術可靠性。使用1 a時間內空氣預熱器維持阻力最高不超過1.3 k Pa,停爐期間對本系統(tǒng)進行檢查,確認本技術可靠,性能達標。

熱風清洗技術的應用降低了空氣預熱器煙阻力,提高空氣預熱器換熱效率,避免空氣預熱器堵塞嚴重后造成引風機喘振,被迫停爐進行空氣預熱器高壓水沖洗事件的發(fā)生,提高了鍋爐運行可靠性。相比應用前的情況,空氣預熱器平均阻力降低1.5 k Pa以上,單臺鍋爐1 a可節(jié)電600萬k Wh。

避免了空氣預熱器堵塞后加強蒸汽吹灰,造成鍋爐傳熱元件吹損加劇問題,提高了空氣預熱器傳熱元件的工作壽命和可靠性問題。節(jié)約沖洗成本,空氣預熱器每次高壓水沖洗費用為8萬元,機組停運時間需3 d,安裝熱風清洗系統(tǒng)后節(jié)約了水沖洗成本費用。

5 結束語

通過以上分析和論述,介紹一種熱風清洗防堵控制新技術,對于防止空氣預熱器的堵塞,解決目前市場上防堵技術的豐富性,有一定的參考作用。河北衡豐發(fā)電有限責任公司鍋爐實行深度減排后,由原計劃實施的SCR 優(yōu)化+低溫氧化法方案改為SCR 優(yōu)化+空氣預熱器熱風清洗方案,節(jié)約大量投資和運營成本,目前衡水電廠1—4號鍋爐均安裝熱風清洗系統(tǒng),有效解決了脫硝系統(tǒng)深度減排后引起的空氣預熱器堵塞問題,實現(xiàn)了鍋爐環(huán)保且排放達標。