300 MW燃煤機(jī)組空預(yù)器防堵及阻力優(yōu)化改造

楊 凱

(1.大唐陜西發(fā)電有限公司西安熱電廠，西安 710065；2.西安格瑞科技有限公司，西安 710075)

0 引 言

隨著我國(guó)環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，超低排放改造后空預(yù)器堵灰問(wèn)題也越發(fā)突出。原因主要是因?yàn)椋?1)為了降低NOx的排放濃度，增大了脫硝催化劑的用量，更多的SO2被氧化成SO3導(dǎo)致煙氣酸露點(diǎn)升高，空預(yù)器冷端低溫腐蝕嚴(yán)重。(2)投放NH3后很難保證局部氨氮摩爾比，因此氨逃逸率較大，逃逸后NH3可與煙氣中的SO3和水蒸氣進(jìn)一步反應(yīng)生成硫酸氫銨，其呈熔融狀時(shí)易吸附在飛灰表面，粘附在空預(yù)器表面[1-3]。

盡快清除酸液(H2SO4和NH4HSO4)和提高噴氨格柵噴氨格柵后氨氣與煙氣的混合的均勻性是解決空預(yù)器堵灰的思路。應(yīng)盡可能保證反應(yīng)器內(nèi)煙氣的速度場(chǎng)及反應(yīng)物的濃度場(chǎng)(NH3/NOx)均勻分布，以確保設(shè)計(jì)要求的脫硝效率并降低氨氣逃逸量，同時(shí)建立局部高溫、高流速區(qū)域以實(shí)時(shí)清除蓄熱元件表面酸液并對(duì)噴氨格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究[4]。

通過(guò)對(duì)空氣預(yù)熱器A、B側(cè)熱一次風(fēng)出口和空預(yù)器二次風(fēng)進(jìn)口冷端設(shè)計(jì)安裝空氣預(yù)熱器熱風(fēng)循環(huán)與熱風(fēng)吹掃裝置，噴氨母管和噴氨格柵處各分支管的管徑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，加裝氨煙擾流器及噴氨格柵優(yōu)化改造，可以均勻噴氨分支管的流量以及同一噴氨支管上各噴嘴的噴氨量，使煙道內(nèi)各區(qū)域氨濃度分布均勻，再配合煙道流場(chǎng)優(yōu)化，可使各區(qū)域NH3/NOx均勻分布，以確保設(shè)計(jì)要求的脫硝效率并降低氨氣逃逸量，緩解空預(yù)器堵塞問(wèn)題。某公司進(jìn)行了空預(yù)器防堵及阻力優(yōu)化后，提高了脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)均勻性、噴氨格柵后氨煙混合均勻性，優(yōu)化了噴氨分布控制，在保證脫硝效率的條件下減少了噴氨量，同時(shí)減輕了空預(yù)器堵灰問(wèn)題。

1 機(jī)組概況

某公司300 MW亞臨界機(jī)組鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造，亞臨界自然循環(huán)鍋爐，采用П型布置、單爐膛、一次中間再熱燃燒方式。采用兩臺(tái)容克式三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，兩臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)，兩臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)，二臺(tái)離心式一次風(fēng)機(jī)；

脫硝裝置采用選擇性催化還原法全煙氣脫硝，脫硝裝置反應(yīng)器布置于鍋爐省煤器出口與空預(yù)器之間，為高粉塵布置，脫硝裝置采用氨作為還原劑，其供應(yīng)采用液氨供應(yīng)系統(tǒng)。脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 SCR設(shè)計(jì)參數(shù)(BMCR工況、設(shè)計(jì)煤種)

2 空預(yù)器防堵改造方案

2.1 加裝空預(yù)器熱風(fēng)循環(huán)及熱風(fēng)吹掃裝置

煙氣中氣態(tài)NH4HSO4的露點(diǎn)約141 ℃，空預(yù)器中反應(yīng)生成的NH4HSO4溫度約為150～200 ℃內(nèi)，使用300 ℃左右的循環(huán)熱風(fēng)持續(xù)沖刷蓄熱元件可以抑制NH4HSO4的生成粘附。利用空預(yù)器熱一次風(fēng)出口管道與空預(yù)器冷二次風(fēng)入口管道內(nèi)的壓力差可實(shí)現(xiàn)熱一次風(fēng)自回流，通過(guò)布置在換熱元件冷端的熱風(fēng)噴槍加熱吹掃換熱元件冷端，達(dá)到提高換熱元件冷端溫度，使NH4HSO4氣化揮發(fā)。具體裝置示意如圖1、圖2所示。

10.換熱元件；13.熱風(fēng)噴嘴圖2 熱風(fēng)噴槍示意圖

換熱元件10的冷端被加熱至200 ℃后，通過(guò)空預(yù)器密封區(qū)6，空預(yù)器密封區(qū)6內(nèi)無(wú)氣流流動(dòng)，換熱元件10的溫度保持不變，然后進(jìn)入空預(yù)器熱煙氣入口7,300～400 ℃的熱煙氣連續(xù)沖刷換熱元件10，由于換熱元件10的冷端被熱風(fēng)噴嘴5加熱至200 ℃左右，熱煙氣中的NH4HSO4無(wú)法析出粘附在換熱元件10的冷端。

上述空預(yù)器改裝方案中NH4HSO4熱解需要的熱量是空預(yù)器內(nèi)部交換的熱量，不需要新增動(dòng)力設(shè)備，對(duì)原有機(jī)組改造小，所用裝置及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便。循環(huán)熱風(fēng)形式為閉式流通，不影響空預(yù)器內(nèi)一次風(fēng)、二次風(fēng)和煙氣的流場(chǎng)。同時(shí)考慮到熱一次風(fēng)引至二次風(fēng)冷端是將高壓頭一次風(fēng)降壓使用，一次風(fēng)送風(fēng)量相應(yīng)提高，因此在空預(yù)器暫無(wú)堵灰風(fēng)險(xiǎn)時(shí)可切斷熱一次風(fēng)引送，通過(guò)上述改造，實(shí)現(xiàn)了空預(yù)器防堵塞的目的，有效緩解了空預(yù)器差壓的增長(zhǎng)。

2.2 空預(yù)器防堵系統(tǒng)投運(yùn)

2.2.1 空預(yù)器防堵系統(tǒng)投運(yùn)前的檢查

防堵灰系統(tǒng)檢修工作完成后，現(xiàn)場(chǎng)要清潔，無(wú)殘留雜物，工作票都已結(jié)束；對(duì)空預(yù)器防堵管道進(jìn)行檢查，確保保溫完好，無(wú)開(kāi)裂及損壞現(xiàn)場(chǎng)，防堵風(fēng)門(mén)經(jīng)檢驗(yàn)合格，開(kāi)關(guān)正常無(wú)卡澀，無(wú)泄漏現(xiàn)場(chǎng)，各溫度表、流量計(jì)校驗(yàn)合格后投入；檢查一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、空預(yù)器運(yùn)行正常。

2.2.2 空預(yù)器防堵系統(tǒng)的投運(yùn)

在貝克·麥堅(jiān)時(shí)，拉加德平步青云：1995年，她成為執(zhí)委會(huì)成員，是唯一女性成員，同年成為戰(zhàn)略與國(guó)際研究中心智庫(kù)成員；1999年成為在35個(gè)國(guó)家設(shè)有 60多家辦事處、擁有2000多名律師的美國(guó)頂級(jí)律師事務(wù)所的女主席，成為總部首腦，那年她43歲。

空預(yù)器防堵一次風(fēng)吹掃裝置安裝完成，風(fēng)門(mén)電動(dòng)控制試運(yùn)行正常。起爐后，鍋爐運(yùn)行正常，帶負(fù)荷穩(wěn)定(在大負(fù)荷下運(yùn)行)，特別是一次風(fēng)送粉系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后再開(kāi)始調(diào)試空預(yù)器防堵系統(tǒng)。集控室在DCS上將熱一次風(fēng)送粉系統(tǒng)的風(fēng)壓調(diào)到正常值附近，保持穩(wěn)定。在集控室DCS上開(kāi)始啟動(dòng)空預(yù)器防堵風(fēng)門(mén)(此風(fēng)門(mén)為電動(dòng)操作)，從風(fēng)門(mén)開(kāi)啟10%開(kāi)始，保持10分鐘，觀察熱一次風(fēng)送粉系統(tǒng)的風(fēng)壓下降后，是否在輸送煤粉的壓力范圍。如果是在此范圍，以后每次增加開(kāi)啟5%，重復(fù)以上操作，直到閥門(mén)完全開(kāi)啟。如果在此操作過(guò)程中出現(xiàn)熱一次風(fēng)送粉系統(tǒng)的風(fēng)壓下降后，低于正常送粉系統(tǒng)的壓力范圍，就需要進(jìn)行增加一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量操作，調(diào)整一次風(fēng)機(jī)的控制風(fēng)門(mén)，增大開(kāi)度，滿足熱一次風(fēng)送粉系統(tǒng)和熱風(fēng)吹掃的要求。如果出現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)的控制風(fēng)門(mén)開(kāi)度最大，由于熱一次風(fēng)吹掃閥門(mén)的增大，導(dǎo)致熱一次風(fēng)送粉系統(tǒng)的風(fēng)壓下降后，送粉系統(tǒng)的壓力要低于要求范圍，必須關(guān)小熱一次風(fēng)吹掃風(fēng)門(mén)開(kāi)度，優(yōu)先保證給粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.2.3 空預(yù)器防堵系統(tǒng)的投運(yùn)指導(dǎo)建議

(1)機(jī)組正常投運(yùn)后，可逐步打開(kāi)空預(yù)器防堵風(fēng)門(mén)進(jìn)行暖管;

(2)觀察滿負(fù)荷時(shí)空預(yù)器阻力低于1.0 kPa時(shí)，建議空預(yù)器防堵風(fēng)門(mén)開(kāi)至30%運(yùn)行；

(3)觀察滿負(fù)荷時(shí)空預(yù)器阻力在1.0～1.5(kPa)之間時(shí)，建議空預(yù)器防堵風(fēng)門(mén)開(kāi)至50%運(yùn)行；

(4)觀察滿負(fù)荷時(shí)空預(yù)器阻力大于1.5 kPa時(shí)，建議空預(yù)器防堵風(fēng)門(mén)開(kāi)至80%運(yùn)行；

其他負(fù)荷段參照滿負(fù)荷工況調(diào)整方式。

3 脫硝系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 脫硝系統(tǒng)速度流場(chǎng)優(yōu)化

優(yōu)化前滿負(fù)荷SCR系統(tǒng)煙氣速度分布不均勻。省煤器出口的水平煙道存在一個(gè)范圍很大的低速渦流區(qū)，煙氣流速分布不均勻，入口煙道垂直段布置的噴氨格柵截面煙氣流速不均勻。進(jìn)入首層催化劑入口截面的煙氣分布不均勻，流向與催化劑方向不垂直。

圖3 SCR系統(tǒng)優(yōu)化前煙氣速度分布

針對(duì)上述流場(chǎng)分布不均勻的問(wèn)題，分別在省煤器出口煙道、脫硝催化劑頂部煙道內(nèi)再安裝導(dǎo)流元件來(lái)改善噴氨格柵入口的煙氣流場(chǎng)分布的均勻性，消除催化劑區(qū)域的低速流體區(qū)，減小了催化劑層入口截面速度偏差。優(yōu)化后滿負(fù)荷SCR系統(tǒng)煙氣速度分布如圖4所示。優(yōu)化后入口煙道噴氨截面的煙氣流場(chǎng)分布已經(jīng)趨于均勻，調(diào)整了SCR頂部導(dǎo)流元件后，進(jìn)入首層催化劑入口截面的煙氣分布十分均勻，流向也基本垂直于催化劑。

圖4 SCR系統(tǒng)優(yōu)化后煙氣速度分布

3.2 加裝氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器

目前SCR脫硝設(shè)備一般采用噴氨格柵前加裝導(dǎo)流板來(lái)減小煙氣的速度偏差，但為了保證煙氣擴(kuò)散、稀釋和混合有足夠的時(shí)間，噴氨格柵與催化劑間的煙道必須足夠長(zhǎng)，而現(xiàn)有煙道長(zhǎng)度增加仍有限制。因此提出了在噴氨格柵后面加裝氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器，用以改善SCR反應(yīng)器入口處的NH3/NOX分布的均勻性。圖5為數(shù)值模擬的安裝氨-煙混態(tài)擾流器后上部煙道截面速度分布。經(jīng)混合器后，煙氣湍流強(qiáng)度增加。通過(guò)設(shè)計(jì)靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)和安裝位置，可提高氨與煙氣的混合效果。

圖5 氨-煙混態(tài)擾流器上部煙道截面速度分布

3.3 全靜壓均流等速噴氨格柵優(yōu)化

噴氨格柵為了獲得良好的混氨效果往往采用數(shù)量較多且口徑較小的噴嘴，當(dāng)供氨閥門(mén)低開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，煙氣中攜帶的粉塵、尿素結(jié)晶，硫酸氫銨等物質(zhì)易堵塞噴嘴，造成氨氮摩爾比分布不均的問(wèn)題，優(yōu)化后的噴氨格柵采用全靜壓等速設(shè)計(jì)，合理設(shè)置噴嘴角度及防堵裝置，且能實(shí)現(xiàn)寬度、深度雙向可調(diào)，保證各噴嘴流速均勻，大大降低了噴嘴堵塞的可能性，有效提高了脫硝效率。

4 空預(yù)器防堵阻力優(yōu)化改后性能試驗(yàn)

該公司實(shí)施空預(yù)器防堵及阻力優(yōu)化改造后，在300 MW工況下，保持機(jī)組負(fù)荷、噴氨量穩(wěn)定，對(duì)脫硝進(jìn)口流場(chǎng)、進(jìn)口NOx濃度、出口截面NOx濃度及SCR出口氨逃逸值進(jìn)行測(cè)試。

4.1 脫硝入口速度場(chǎng)分布

脫硝進(jìn)口煙氣速度分布如圖6所示 。改造后脫硝入口速度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，A側(cè)煙氣流速最小值為12.8 m/s，最大值為17.6 m/s，平均流速為15.0 m/s，各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為8.8%；B側(cè)煙氣流速最小值為11.5 m/s，最大值為16.1 m/s，平均流速為14.3 m/s，各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為9.9%。

圖6 噴氨格柵布置圖

4.2 脫硝入口NOx濃度分布

脫硝入口NOx濃度分布如圖7所示。改造后脫硝入口NOx濃度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，SCR入口煙道A側(cè)NOx濃度最小值為259.6 mg/Nm3，最大值為323.9 mg/Nm3，平均值為288.7 mg/Nm3，各測(cè)點(diǎn)NOx濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為7.6%；B側(cè)NOx濃度最小值為255.3 mg/Nm3，最大值為303.7 mg/Nm3，平均值為277.2 mg/Nm3，各測(cè)點(diǎn)NOx濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為7.8%。

圖7 優(yōu)化后的噴氨格柵布置

4.3 脫硝出口NOx濃度分布

脫硝出口NOx濃度分布如圖8所示。改造后A、B兩側(cè)SCR出口NOx均勻性較好，SCR出口煙道A側(cè)NOx濃度最小值為27.3 mg/Nm3，最大值為34.5 mg/Nm3，平均值為29.9 mg/Nm3，各測(cè)點(diǎn)NOx濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為8.8%；B側(cè)NOx濃度最小值為23.6 mg/Nm3，最大值為29.7 mg/Nm3，平均值為25.4 mg/Nm3，各測(cè)點(diǎn)NOx濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為9.9%。

圖8 #1機(jī)組SCR出口NOx濃度分布

4.4 噴氨量變化

通過(guò)對(duì)改造前后脫硝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，在同等蒸發(fā)量(940 t/h)工況下，改造后噴氨量由142 Nm3/h下降至86.35 Nm3/h，平均下降55.65 Nm3/h，降幅39.2%。此次改造總噴氨量較改造前下降≥10%，滿足設(shè)計(jì)要求。本次改造后，噴氨量下降明顯，可大量減少硫酸氫的生成，在運(yùn)行中有利改善空預(yù)器堵塞的問(wèn)題。

圖9 #1機(jī)組SCR系統(tǒng)改造前后噴氨量變化

4.5 空預(yù)器差壓分析

空預(yù)器差壓分析，見(jiàn)表2。

表2 改造后300 W工況空預(yù)器差壓記錄表

由表2可看出：改造后300 MW負(fù)荷工況下，空預(yù)器阻力一直穩(wěn)定在1.4 kPa以下，空預(yù)器阻力大幅下降，改造效果較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某公司300 MW機(jī)組進(jìn)行了空預(yù)器防堵及阻力優(yōu)化改造，結(jié)合CFD數(shù)值模擬確定了優(yōu)化改造方案，實(shí)測(cè)了改造后脫硝系統(tǒng)入口煙氣流速分布和進(jìn)出口NOx濃度分布，對(duì)比了改造前后的噴氨量和空預(yù)器差壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改造效果良好。具體結(jié)論如下：

(1)原有脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布不均，優(yōu)化導(dǎo)流元件后，明顯提高了催化劑入口煙氣流速分布和進(jìn)出口NOx濃度分布的均勻性。

(2)噴氨格柵后加裝氨煙混合器可以顯著提高氨煙混合均勻性。改造后，300 MW負(fù)荷條件下噴氨量降低39.2%，改造效果較好，取得了良好的經(jīng)濟(jì)性。

(3)改造后空預(yù)器阻力一直穩(wěn)定在1.4 kPa以下，空預(yù)器阻力大幅下降，同時(shí)減少了引風(fēng)機(jī)電耗，改造效果較好。