熱電廠低溫省煤器失效分析及對(duì)策

蔣良雄 張萬(wàn)堯

（1.中石化揚(yáng)子石化熱電廠；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

由于我國(guó)煤炭資源品質(zhì)良莠不齊，大部分火力發(fā)電廠會(huì)使用劣質(zhì)煤種或是配煤種替代鍋爐最初的設(shè)計(jì)煤種，或者按照環(huán)保要求進(jìn)行脫硫脫硝改造，這樣就會(huì)帶來(lái)腐蝕、積灰及管束磨損等一系列問(wèn)題。

武漢鍋爐廠煤粉鍋爐在下級(jí)省煤器上、下兩組省煤器之間的連接管處以及下側(cè)一組省煤器的左右彎頭箱內(nèi)發(fā)現(xiàn)彎管發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，導(dǎo)致壁厚減?。?］。 中鹽安徽紅四方股份有限公司熱電裝置的末級(jí)空氣預(yù)熱器發(fā)生腐蝕和嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致管束壁厚嚴(yán)重減薄［2］。 因硫酸氫銨液化導(dǎo)致飛灰粘結(jié)積灰堵塞空預(yù)器的案例有很多，如哈爾濱鍋爐 廠 機(jī) 組 空 預(yù) 器［3］、東 方 鍋 爐 廠 空 預(yù) 器［4，5］、杭 州鍋爐廠燃煤鍋爐空預(yù)器［6］、浙能樂(lè)清電廠超臨界鍋爐空預(yù)器［7］都曾出現(xiàn)過(guò)這一現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了空氣預(yù)熱器的換熱效果，降低了鍋爐效率。

從國(guó)內(nèi)部分失效案例的調(diào)研情況可以看出，國(guó)內(nèi)鍋爐失效故障主要有： 換熱管磨損穿孔泄漏； 硫酸氫銨增強(qiáng)了飛灰顆粒之間的粘結(jié)力，加劇了積灰的堵塞；管束上硫酸氫銨的凝結(jié)會(huì)造成腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，致使管束嚴(yán)重減薄甚至穿孔。

筆者主要對(duì)某熱電廠低溫預(yù)熱器飛灰沉積堵塞和爐管穿孔現(xiàn)象開(kāi)展失效行為分析，并提出相應(yīng)的對(duì)策。

1 熱電廠鍋爐的改造情況

隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)逐步提高，某熱電廠鍋爐先后進(jìn)行了兩次脫硝改造工作。

第一輪脫硝改造按照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)改造使鍋爐出口NOx排放濃度小于100 mg/m3（干基、標(biāo)態(tài)、6%O2，以下NOx濃度均為此狀態(tài)）。 2018 年完成的第二輪脫硝超潔凈排放改造是按照國(guó)家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》要求進(jìn)行的，通過(guò)改造使鍋爐出口NOx排放濃度小于50 mg/m3。

第二輪超潔凈排放改造對(duì)尾部煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改動(dòng)，去除原SCR 催化劑層煙道，并在此位置增設(shè)煙氣引出煙道、脫硝反應(yīng)器及煙氣引入煙道等設(shè)施。 鍋爐采用低氮燃燒（LNB+OFA）+選擇性非催化還原 （SNCR）+煙道內(nèi)布置選擇性催化還原（SCR）組合脫硝技術(shù)方案。

經(jīng)過(guò)兩輪脫硝改造后， 煙氣達(dá)到了排放指標(biāo)，但是卻不斷出現(xiàn)低溫省煤器和低溫預(yù)熱器飛灰沉積堵塞、爐管穿孔等失效行為，增加了運(yùn)行能耗，降低了換熱效率，縮短了設(shè)備的運(yùn)行周期。

2 低溫省煤器飛灰沉積堵塞分析

2.1 飛灰沉積現(xiàn)象描述

某熱電廠低溫省煤器的飛灰沉積位置如圖1所示，飛灰沉積主要發(fā)生在支撐梁上方支撐板的兩側(cè)位置（圖1 中圈出的位置）。 低溫省煤器管束的飛灰沉積照片如圖2 所示。

圖1 低溫省煤器管束的飛灰沉積位置

圖2 低溫省煤器管束的飛灰沉積圖

從圖2 可以看出：管束支撐板兩側(cè)積灰現(xiàn)象明顯，而且隨著高度的增加積灰寬度變窄，管束下方積灰面積大于管束上方，可以初步判定積灰從管束下方逐漸累積向上，積灰部位起始于支撐板下方的支撐梁上表面；積灰硬度較大，不是干粉顆粒的表面堆積，明顯是粘附團(tuán)聚堆積，說(shuō)明可能與硫酸氫銨團(tuán)聚有關(guān)。

2.2 飛灰沉積物樣品分析

對(duì)低溫省煤器管束上沉積的飛灰進(jìn)行采樣，采用元素分析儀對(duì)沉積物樣品進(jìn)行元素分析。 通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）獲取沉積樣品的形貌，并配備能譜儀（EDS），可以獲取樣品表面的元素組成。 沉積物樣品用一層薄金濺射涂層制備SEM，其放大范圍為5～30 萬(wàn)倍，分辨率可達(dá)到納米級(jí)。

飛灰沉積物的掃描電鏡結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 可以看出，飛灰沉積顆粒個(gè)體以球形或近似球形出現(xiàn)，同時(shí)顯示出顆粒團(tuán)簇的現(xiàn)象。 小顆粒間存在團(tuán)聚現(xiàn)象，原始形狀清晰可見(jiàn)；在大粒徑顆粒表面的較大亞微米顆粒也發(fā)生了形態(tài)變化，大多呈扁平狀貼附在大顆粒表面，并且相對(duì)較大粒徑的顆粒之間發(fā)生了相互粘結(jié)的現(xiàn)象。 顆粒與顆粒之間連接緊密， 較多的顆粒不再呈單體形態(tài)，飛灰沉積物有了很大的形貌變化。 同時(shí)還可以看出，飛灰顆粒多是突起連接在一起，這是明顯的物理粘結(jié)現(xiàn)象。

圖3 飛灰沉積物的電鏡掃描圖

利用馬爾文粒度儀對(duì)飛灰沉積物進(jìn)行粒徑測(cè)試，飛灰顆粒的粒徑分布范圍為0～630 μm，其平均粒徑為84 μm。 飛灰顆粒在沉積物中的尺寸分布如圖4 所示，從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)翅片間沉積物中的飛灰顆粒尺寸較大，而粒徑小于10 μm 的僅占9.68%， 說(shuō)明在支撐板附近的堵塞飛灰以粒徑較大的飛灰顆粒為主，小粒徑的飛灰顆粒不易在此處發(fā)生沉積。

圖4 飛灰顆粒在沉積物中的尺寸分布

飛灰沉積物的EDS 表面元素能圖譜和元素含量分別如圖5、表1 所示。 由EDS 測(cè)試結(jié)果可知， 飛灰沉積物顆?；径己蠧、O、Si、Na、Al、Fe、Ca、Mg 等元素，其中Si、O、Al 等元素含量相對(duì)較高，部分測(cè)試區(qū)域含有C 元素，說(shuō)明飛灰中存在未燃盡碳。 另外，在飛灰沉積物樣品檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)樣品S 元素含量占比0.87%， 尤其在小粒徑飛灰顆粒團(tuán)聚的區(qū)域。 根據(jù)顏魯?shù)葘?duì)硫酸氫銨粘附研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［8］，對(duì)原煤灰進(jìn)行取樣檢測(cè)，在原始飛灰顆粒中基本不含S 元素，S 元素主要在煙氣中。 這說(shuō)明S 元素發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移到了飛灰沉積物中，預(yù)判為產(chǎn)生了硫酸氫銨并對(duì)飛灰顆粒產(chǎn)生粘附效果。

圖5 飛灰沉積物EDS 能譜圖

表1 飛灰沉積物EDS 表面元素含量匯總表

2.3 脫硝工藝分析

從飛灰沉積物的樣品檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了S 元素，預(yù)測(cè)硫酸氫銨對(duì)飛灰顆粒產(chǎn)生粘附和團(tuán)聚作用。下面從脫硝工藝出發(fā)進(jìn)一步分析硫酸氫銨的產(chǎn)生機(jī)理。

熱電廠鍋爐燃煤產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過(guò)高溫省煤器、高溫預(yù)熱器、脫硝裝置、低溫省煤器、低溫預(yù)熱器，最終從煙囪排出。 煙氣的流程是一個(gè)熱量回收工藝，同時(shí)需要保證排放氣體的氮氧化物含量達(dá)標(biāo)。 采用低氮燃燒（LNB+OFA）+選擇性非催化還原 （SNCR）+煙道內(nèi)布置選擇性催化還原（SCR）組合脫硝技術(shù)方案。 即先通過(guò)LNB技術(shù)從源頭上減少NOx的排放，將NOx排放濃度降至350～400 mg/m3以下； 然后在鍋爐爐膛燃燒區(qū)域上部和爐膛出口850～1 100 ℃煙氣溫度區(qū)域向煙氣中噴射過(guò)量的氨氣， 從而實(shí)現(xiàn)SNCR 反應(yīng)，將NOx排放濃度降至240 mg/m3以下；過(guò)量的氨氣和從高溫省煤器上部補(bǔ)氨噴槍噴入的氨氣在下游SCR 催化劑的作用下，進(jìn)一步實(shí)施脫硝反應(yīng)， 經(jīng)過(guò)上述工藝技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率。

由于在鍋爐煙氣中存在SO2等氣體，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轉(zhuǎn)化為SO3。 脫硝采用過(guò)剩注氨法，過(guò)剩的氨與SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨（ABS）和硫酸銨（AS）。 硫酸氨是一種干燥粉末狀物質(zhì)，易通過(guò)吹灰去除，不會(huì)對(duì)煙氣飛灰造成過(guò)大影響。 硫酸氫銨則是一種粘度極高的物質(zhì)，熔點(diǎn)為147 ℃，沸點(diǎn)為350 ℃，在此溫度區(qū)間內(nèi)，為硫酸氫銨的熔融狀態(tài)，處于液態(tài)的硫酸氫銨具有極強(qiáng)的粘性。 當(dāng)溫度降至185 ℃以下時(shí)，煙氣中的氣態(tài)硫酸氫銨會(huì)冷凝粘附在飛灰顆粒表面，增加了飛灰顆粒之間的黏性，加劇了飛灰顆粒的沉積，造成低溫省煤器管間阻塞或低溫預(yù)熱器管內(nèi)堵塞，同時(shí)腐蝕換熱管及其所接觸的設(shè)備構(gòu)件。

結(jié)合飛灰顆粒的化驗(yàn)分析結(jié)果和脫硝工藝方案分析結(jié)果，可確定本鍋爐煙氣中存在硫酸氫銨， 工藝上的過(guò)量噴氨是產(chǎn)生硫酸氫銨的源頭，是造成飛灰沉積堵塞的主因。

2.4 流場(chǎng)分析

從圖2 可以看出，飛灰沉積是沿著低溫省煤器支撐梁上方的支撐板從下向上逐漸減少的，說(shuō)明飛灰沉積的初始位置在支撐板的底部，也就是支撐梁的上表面。 由于低溫省煤器的爐管上等間距地布置著H 型翅片，翅片不僅起到增大換熱面積的作用，同時(shí)還對(duì)煙氣氣流有整流作用，可以使煙氣和飛灰顆粒較均勻地分布流動(dòng)。 支撐板兩側(cè)的煙氣和飛灰顆粒向下運(yùn)動(dòng)到底部支撐梁上表面處會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)流動(dòng)，在支撐梁上表面與垂直的支撐板形成一個(gè)低速渦流區(qū)。

由于飛灰沉積物中顆粒90%以上都為10 μm 以上的大顆粒，在重力的作用下，慣性沉積占據(jù)了主導(dǎo)地位［9］。 粒徑小于10 μm 的飛灰顆粒隨動(dòng)性很強(qiáng)，受湍流擴(kuò)散影響較大，不易在此處發(fā)生沉積。

對(duì)于沒(méi)有硫酸氫銨的飛灰顆粒在此處會(huì)產(chǎn)生松散積灰，當(dāng)填滿這個(gè)低速渦流區(qū)后就很難有飛灰顆粒沉積下來(lái)，也就不會(huì)繼續(xù)向上發(fā)生沉積增長(zhǎng)； 對(duì)于脫硝產(chǎn)生硫酸氫銨工況下的飛灰顆粒，在這個(gè)低速渦流區(qū)會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)積灰，由于硫酸氫銨的粘附性很強(qiáng)，粘結(jié)積灰的區(qū)域會(huì)不斷上升。 當(dāng)飛灰積灰到H 型翅片底部以后，由于H 型翅片限制了煙氣和飛灰顆粒的橫向流動(dòng)，導(dǎo)致積灰區(qū)相鄰的H 型翅片下行通道被堵，飛灰顆粒在慣性力的作用下逐漸沉積增長(zhǎng)。 因此要想有效減小飛灰顆粒的沉積，也可以從抑制初始沉積出發(fā)來(lái)制定合理的方案。

3 低溫省煤器爐管穿孔失效分析

在低溫省煤器出現(xiàn)飛灰沉積后，開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)低溫省煤器爐管穿孔現(xiàn)象，出現(xiàn)的位置經(jīng)常是在爐管偏下方幾排爐管管束上，爐管穿孔的照片如圖6 所示。 從圖6 可以看出，翅片的上邊緣被磨成楔形坡口，在穿孔周邊有著較為明顯的壁面減薄現(xiàn)象，表明此區(qū)域受到飛灰顆粒切削作用較為嚴(yán)重所致。 結(jié)合圖2 可以得出，飛灰沉積堵塞了部分流通面積，煙氣和飛灰顆粒的有效流通面積減小、流速增加、磨損加劇。 由于低溫省煤器下部飛灰沉積堵塞相對(duì)上部較大，下部的有效流通面積相對(duì)較小， 煙氣和飛灰顆粒流速相對(duì)較大，就更容易出現(xiàn)磨損穿孔現(xiàn)象。 因此，消除或抑制飛灰顆粒沉積堵塞是減少管束磨損的重要手段。

圖6 爐管穿孔圖

4 對(duì)策

熱電廠燃煤鍋爐脫硝改造解決了污染物排放的問(wèn)題，但是由于脫硝工藝產(chǎn)生的硫酸氫銨在低溫省煤器處發(fā)生冷凝粘附在飛灰顆粒上，加劇了飛灰顆粒的團(tuán)聚和沉積，導(dǎo)致發(fā)生飛灰沉積堵塞、爐管磨損穿孔等問(wèn)題。 根據(jù)上述分析判斷，可以從以下幾個(gè)方面入手來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：

a. 從工藝上控制硫酸氫銨的含量。硫酸氫銨的冷凝和加劇飛灰顆粒粘附是造成飛灰沉積堵塞的主因， 其工藝源頭是脫硝工藝氨過(guò)量加注。要想從根本上解決問(wèn)題， 要從工藝改進(jìn)著手，在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上增加硫酸氫銨的監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制以優(yōu)化工藝、指導(dǎo)操作；還應(yīng)該關(guān)注脫硝新工藝的發(fā)展，尋找不產(chǎn)生硫酸氫銨的脫硝方法。

b. 從結(jié)構(gòu)上抑制飛灰沉積。從現(xiàn)場(chǎng)的飛灰沉積位置、形貌和流場(chǎng)特征分析可以判斷飛灰沉積的起始位置在支撐梁上表面，可以通過(guò)在支撐梁附近增加反吹系統(tǒng)，或者優(yōu)化支撐梁上方的H 型翅片結(jié)構(gòu)來(lái)抑制飛灰沉積。

c. 從技術(shù)上保護(hù)爐管。由于飛灰沉積縮小了煙氣有效流通面積， 增加了煙氣和飛灰顆粒流速，加劇了爐管局部磨損穿孔，因此抑制飛灰沉積可以減少爐管磨損。 同時(shí)可以對(duì)局部爐管進(jìn)行涂層處理強(qiáng)化表面耐磨性能，也可以采用安裝防磨瓦等措施。

通過(guò)以上方法可以有效地減少低溫省煤器飛灰沉積和爐管磨損， 減少非計(jì)劃停工次數(shù)，保證設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行。