鍋爐管式空預(yù)器積灰堵塞分析及在線清灰裝置使用效果驗(yàn)證

南通江山新能科技有限公司 樸明龍 孫嘉成

1 設(shè)備基本情況

該廠本次改造的5#鍋爐為無錫鍋爐廠制造的UG-130/5.3-M8型次高溫次高壓循環(huán)流化床鍋爐，單鍋筒橫置式、單爐膛、自然循環(huán)、全懸吊結(jié)構(gòu)、全鋼架π型布置。在省煤器后布置6組空氣預(yù)熱器，分別加熱一次風(fēng)和二次風(fēng)，采用臥式順列布置，每組之間均留有檢修空間。每級(jí)空氣預(yù)熱器管子迎風(fēng)面第一排及兩側(cè)各一根管子采用φ42×3.5的厚壁管，其余管束尺寸為φ40×1.5。每級(jí)空預(yù)器及相應(yīng)的聯(lián)通箱均采用全焊接的密封框架，以確?？疹A(yù)器的嚴(yán)密性。末級(jí)低溫段空預(yù)器管子采用考登管。

2017年，由于環(huán)保要求對(duì)鍋爐進(jìn)行了脫硝系統(tǒng)改造，增加了SCR脫硝系統(tǒng)。改造后由于噴入氨水量控制不當(dāng)，冷段空預(yù)器開始出現(xiàn)腐蝕、積灰、堵塞等問題，嚴(yán)重影響鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行，最嚴(yán)重時(shí)鍋爐只運(yùn)行45天就因空預(yù)器積灰堵塞而被迫停爐。為解決以上問題提高鍋爐運(yùn)行周期，2020年對(duì)鍋爐空預(yù)器管箱進(jìn)行整體更新改造，將空預(yù)器管材由考登管更新為外鍍搪瓷管，尺寸不變。改造后腐蝕情況得到極大改善，但由于管排尺寸和間距未變，積灰堵塞問題沒有得到解決。

目前，該電廠對(duì)氮氧化物的控制主要采用爐內(nèi)低氮燃燒改造、選擇性催化還原技術(shù)（SCR）和選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）等手段。該廠的脫硝介質(zhì)為濃度9～11%的氨水，5#爐氨水用量平均在402L/H。氨水和除鹽水在鍋爐7米層通過氨水分配模塊混合后通過氨槍噴入爐膛。由于缺少氨水流量精確調(diào)整的手段、氨逃逸在線監(jiān)測(cè)設(shè)備等，會(huì)出現(xiàn)氨逃逸率大的問題；且氨槍噴頭在水平煙道磨損較為嚴(yán)重，影響氨水的霧化及脫硝效率。

地方環(huán)保排放指標(biāo)要求NOx＜20mg/Nm3，為了達(dá)到環(huán)保要求，爐內(nèi)SNCR脫硝系統(tǒng)噴氨量明顯增加。此外，該廠入爐煤的收到基全硫與設(shè)計(jì)煤種0.33%相比較高，平均在0.6%左右，高時(shí)可達(dá)0.8%。硫在燃燒后生成SO2，有一部分進(jìn)一步氧化成SO3，過量NH3與鍋爐燃燒產(chǎn)生的SO3結(jié)合，在尾部煙道反應(yīng)生成硫酸氫銨（NH4HSO4）。硫酸氫銨的露點(diǎn)為147℃，該廠5#爐低溫段空預(yù)器排煙溫度在130℃左右，低于硫酸氫氨的露點(diǎn)溫度。硫酸氫氨在低溫段以液態(tài)形式存在，液態(tài)條件下酸性和粘性極強(qiáng)，粘附在空預(yù)器管件上，在煙氣中粘附飛灰附在管件表面，且由于長期氨腐蝕，空預(yù)器和煙道墻板均出現(xiàn)穿孔，導(dǎo)致冷空氣進(jìn)入煙氣系統(tǒng)，近一步降低了煙氣溫度。

煙氣中飛灰與硫酸氫銨結(jié)合后被快速冷卻，在管排之間形成堅(jiān)硬的銨鹽堆積，造成空預(yù)器腐蝕和堵灰。運(yùn)行中5#爐低溫段空預(yù)器煙壓最高增大至4000Pa，空預(yù)器壓差增大會(huì)導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)能耗增加，鍋爐帶負(fù)荷能力降低，最終被迫停爐，嚴(yán)重影響該廠發(fā)電供熱，給電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性造成損失。同時(shí)由于積灰堅(jiān)硬無比，每次停爐后清理難度極大，普通壓縮空氣吹掃等清理方式完全無效，必須使用10MPa高壓水對(duì)管排間機(jī)會(huì)進(jìn)行沖洗，增加運(yùn)行和檢修人員的工作強(qiáng)度，且沖洗還會(huì)產(chǎn)生大量高氨氮廢水，不可直接排入雨水系統(tǒng)，還需要通過特殊手段進(jìn)行集中回收和處置，極為不便。

該廠通過對(duì)空預(yù)器下管箱查漏、更換或封堵處理部分因低溫腐蝕穿孔的管束、對(duì)尾部煙道空預(yù)器管排間積灰進(jìn)行高壓水沖洗等措施，基本能維持1～3個(gè)月的正常運(yùn)行。但高頻率的空預(yù)器高壓水沖洗會(huì)導(dǎo)致搪瓷管表面破損嚴(yán)重，空氣與低溫段煙氣混合，出口煙氣溫度進(jìn)一步降低，加劇了空預(yù)器管腐蝕，造成惡性循環(huán)。且沖洗后的大量污水處理也較為繁瑣，同時(shí)頻繁的停爐檢修也給連續(xù)生產(chǎn)造成的不小的影響。

2 導(dǎo)致空預(yù)器冷段頻繁積灰的主要問題及解決措施

2.1 空預(yù)器管排間距過小

空預(yù)器管尺寸為φ40×1.5，節(jié)距65mm，相鄰兩管縫隙僅有20mm，對(duì)于黏性較高的飛灰通過性較差，極易在縫隙間形成堆積堵塞；該廠另一種爐型的鍋爐空預(yù)器管排節(jié)距為80mm，在其他運(yùn)行參數(shù)相同的情況下空預(yù)器堵灰的速度明顯較慢。

2.2 SCR催化劑模塊布置方式直接影響堵灰

由于鍋爐尺寸以及占地面積的不同，該廠在2017年脫硝改造時(shí)對(duì)兩種爐型設(shè)計(jì)了不同的SCR催化劑布置方式，1～3#鍋爐由于占地較小，鍋爐與除塵器之間空間充足，所以將SCR反應(yīng)器布置在鍋爐尾部煙道外側(cè)，內(nèi)設(shè)兩側(cè)催化劑模塊和一層低溫省煤器，并通過進(jìn)出口煙道與鍋爐鏈接；4～6#鍋爐由于占地面積較大，鍋爐與除塵器之間的空間狹小，無法布置SCR反應(yīng)器，所以最終方案是將省煤器分級(jí)，并在中間空間內(nèi)布置了兩層催化劑。

通過幾年的運(yùn)行對(duì)比和氨逃逸人工比對(duì)，在鍋爐均接近滿負(fù)荷和低負(fù)荷兩種工況時(shí)，1～3#爐通過反應(yīng)器后煙氣中的氨逃逸明顯低于4～6#爐一體式布置反應(yīng)器后的煙氣。通過分析，原因是外置式反應(yīng)器的入口煙道較長，且其內(nèi)布置有煙氣導(dǎo)流板，會(huì)使煙氣更均勻的通過催化劑，提高其脫硝效率；而一體式布置由于煙道空間有限，沒有布置均流板，煙氣產(chǎn)生偏流的幾率更高，所以其催化劑脫硝效率收到了影響。

2.3 鍋爐燃料水分過大

入爐煤的全水波動(dòng)較大，在8～22%之間。水分偏大的原因?yàn)榇a頭煤場(chǎng)抑塵噴霧和梅雨季節(jié)有關(guān)。過大的水分會(huì)隨著煤炭的燃燒汽化，并跟隨煙氣進(jìn)入煙道中。然后在低溫空預(yù)器中收到冷卻，大大提高飛回含水量，為積灰堵塞提供有利條件。

2.4 氨水噴入過量

由于NOx排放要求提高，由原來的50mg/m3提高到20mg/m3，而現(xiàn)有SNCR+SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力僅為50mg/m3，且由于原設(shè)計(jì)不合理和設(shè)備老舊裂化嚴(yán)重，現(xiàn)有安裝在分離器入口水平煙道兩側(cè)的SNCR噴槍，下層噴槍由于安裝位置過低，長期被積灰掩埋，無法發(fā)揮脫硝作用；SCR噴槍也因霧化噴頭選取和安裝位置不當(dāng)，無法達(dá)到理想的脫硝效果，長期停用；脫硝供給與分配模塊也因設(shè)備選型不合理，導(dǎo)致流量計(jì)失效、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)整線性不好。

運(yùn)行人員長期使用投退噴槍的方式來控制噴氨量，而退出單支噴槍又會(huì)導(dǎo)致噴氨不均勻，也會(huì)影響脫硝效率。按照脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氨水噴入量已無法滿足排放要求。為了達(dá)標(biāo)排放，杜絕環(huán)?？己?，在外部供汽壓力較大，鍋爐負(fù)荷無法降低的前提下，只能通過加大噴氨量的方式來降低NOx數(shù)值，用氨逃逸超標(biāo)來換取NOx排放達(dá)標(biāo)。但這樣勢(shì)必會(huì)使大量未反應(yīng)的氨隨煙氣進(jìn)入低溫省煤器和空預(yù)器，隨著煙氣溫度的下降形成硫酸氫氨，與飛灰一起附著在管壁上形成堵塞。

2.5 空預(yù)器漏風(fēng)率增大、吹灰器失效

由于大量的硫酸氫氨形成，所以空預(yù)器冷段的管束和箱體在長期運(yùn)行中會(huì)被嚴(yán)重腐蝕。管排之間以及管排與墻板之間由于積灰導(dǎo)致縫隙變小的時(shí)候還會(huì)使煙氣流向改變、流速增加，無形中又加劇了管束和墻板的磨損。兩方面共同作用下導(dǎo)致空預(yù)器管束和墻板出現(xiàn)穿孔漏風(fēng)?？疹A(yù)器管束穿孔會(huì)使一次冷風(fēng)竄入煙氣中；空預(yù)器墻板穿孔會(huì)使環(huán)境空氣吸入煙氣。冷空氣進(jìn)入后會(huì)近一步降低煙氣溫度，加速硫酸氫氨的析出。同時(shí)大量的漏風(fēng)還會(huì)導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)負(fù)荷增大，鍋爐帶負(fù)荷能力降低，鍋爐排煙溫度異常下降，加劇下游設(shè)備的腐蝕和銨鹽結(jié)晶；鍋爐配置的聲波吹灰器只對(duì)松散的飛灰具有效果，對(duì)于黏性較大的飛灰和硬化后的硫酸氫氨無效。并且由于吹灰器使用周期已經(jīng)10年以上，其吹灰效果本身也已經(jīng)達(dá)不到設(shè)計(jì)效果，使空預(yù)器積灰速度進(jìn)一步增加。

綜合以上因素，該電廠130t/h人工清洗空預(yù)器并啟動(dòng)后平均運(yùn)行周期在60天左右，最短時(shí)只有45天就因空預(yù)器冷段堵死，導(dǎo)致鍋爐無負(fù)壓停爐。

2.6 解決措施

要徹底解決低溫段空預(yù)器堵塞問題，從化學(xué)角度需抑制NH4HSO4的生成，對(duì)氨水模塊及噴槍進(jìn)行改造，減少氨水用量；增加氨逃逸在線監(jiān)測(cè)裝置，運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整；從物理角度對(duì)吹灰，器進(jìn)行改型，提高對(duì)黏性較大積灰的吹灰效果。

由于企業(yè)生產(chǎn)需要，鍋爐檢修時(shí)間有限。所以如何采取最為直接有效的改造方案就成為重點(diǎn)。脫硝系統(tǒng)升級(jí)改造和吹灰器改型由于投資大、耗時(shí)長，不在考慮范圍內(nèi)。如可在鍋爐運(yùn)行中直接清除空預(yù)器管束之間的積灰，問題就會(huì)從另一方向上得到解決。通過對(duì)行業(yè)內(nèi)進(jìn)行調(diào)查和研究，最終尋到一種鍋爐在線清灰裝置可完美解決該問題。

該種裝置由山東某公司研制并申請(qǐng)多項(xiàng)國家專利。主要原理是在空預(yù)器管排間安裝一種可往返運(yùn)動(dòng)的梳齒裝置，齒板通過定期在管排間往返運(yùn)動(dòng)來達(dá)到清理積灰的目的。此裝置采用梳齒式結(jié)構(gòu)，梳齒支撐在空預(yù)器上端軌道上，清灰元件是一根根特殊材質(zhì)制成的梳齒板（2.5m長）。整體由連接支撐桿和若干金屬板通過特殊的構(gòu)件組成。工作時(shí)可設(shè)定動(dòng)作頻率，通過驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)梳齒在管排間定期做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使飛灰不積堵在管排之間，達(dá)到清灰的作用。該設(shè)備的應(yīng)用對(duì)象是生物質(zhì)鍋爐和垃圾焚燒鍋爐，通過對(duì)多家使用單位的實(shí)地考察調(diào)研，設(shè)備清灰效果良好，完美解決了空預(yù)器積灰堵塞的問題，極大的提高了鍋爐運(yùn)行周期。

2021年7月，在充分調(diào)研后決定在5#爐尾部煙道安裝3套在線清灰裝置并開始試運(yùn)行。該廠5#鍋爐安裝有3套清灰裝置，并配置有3個(gè)就地控制柜，由3臺(tái)2.2kW的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在鍋爐啟動(dòng)時(shí)，投煤燃燒穩(wěn)定后投入在線清灰器運(yùn)行；在鍋爐停爐時(shí)，引風(fēng)機(jī)停止后退出在線清灰器運(yùn)行，就地按下停止運(yùn)行按鈕，待梳齒歸位后斷開各控制柜電源。清灰器運(yùn)行平穩(wěn)順暢，無明顯卡澀異音。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，5#爐在對(duì)空預(yù)器進(jìn)行水沖洗后，鍋爐啟動(dòng)后空預(yù)器冷段差壓一般在500Pa以下，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加逐漸增大。一般在運(yùn)行一個(gè)月后會(huì)增大至1000Pa以上，嚴(yán)重時(shí)直接超過2000Pa。在運(yùn)行3個(gè)月后則增大至4000Pa以上，鍋爐無法維持負(fù)壓。安裝在線清灰器后，5#爐運(yùn)行兩個(gè)月后，空預(yù)器冷段壓差仍可維持在600Pa以內(nèi)，無明顯升高，說明該設(shè)備清灰效果良好，達(dá)到了改造設(shè)計(jì)預(yù)期。隨后又分別在4#、6#爐進(jìn)行了改裝，也都取得了明顯的效果。

3 需要注意在問題

由于該項(xiàng)技術(shù)仍處于研發(fā)階段，所以設(shè)備本身仍存在不足。

清灰器的安裝質(zhì)量很重要。如果安裝時(shí)梳齒板離相鄰的空預(yù)器管排中心有偏差，在運(yùn)行過程中空預(yù)器管束會(huì)與梳齒板摩擦，增加設(shè)備運(yùn)行時(shí)的阻力，長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致梳齒板掉落。因梳齒板為特殊材質(zhì)制作，所以設(shè)備與梳齒板摩擦運(yùn)行時(shí)不會(huì)對(duì)搪瓷管空預(yù)器造成損傷。在運(yùn)行6個(gè)月后停爐對(duì)空預(yù)器進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯磨損現(xiàn)象，但部分梳齒出現(xiàn)過變形、扭轉(zhuǎn)和卡澀的情況。后通過分析，主因是設(shè)計(jì)之初為保護(hù)空預(yù)器管束和控制梳齒重量，選用了鋁合金作為梳齒材質(zhì)。但使用中發(fā)現(xiàn)該型號(hào)梳齒對(duì)于垃圾焚燒鍋爐和生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的粘性積灰效果優(yōu)良。但對(duì)于燃煤鍋爐脫硝后產(chǎn)生的堅(jiān)硬銨鹽積灰其本身強(qiáng)度不足，會(huì)在推拉過程中變形斷裂脫落或彎曲卡在縫隙中，導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行。

鍋爐運(yùn)行過程中在線清灰器須保持持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，每10分鐘/20分鐘往返運(yùn)動(dòng)一次（該頻率可與廠家溝通調(diào)整）。如設(shè)備運(yùn)行過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪、鏈條或軸承等出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備跳停并報(bào)警。若運(yùn)行人員長時(shí)間未發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)了無法及時(shí)處理該問題，等低溫段空預(yù)器管間出現(xiàn)輕微堵塞或板結(jié)現(xiàn)象后再啟動(dòng)在線清灰器，阻力太大可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無法拖動(dòng)清灰裝置運(yùn)行，造成鏈條拉斷。

鍋爐尾部煙道內(nèi)的清灰機(jī)構(gòu)與爐外的電機(jī)靠驅(qū)動(dòng)支撐桿連接，驅(qū)動(dòng)支撐桿穿過爐墻來回運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)支撐桿與爐墻處的密封套件很重要，如密封材質(zhì)不過關(guān)或長時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致磨損嚴(yán)重，會(huì)引起低溫段空預(yù)器漏風(fēng)且運(yùn)行過程中不易修復(fù)。廠家也嘗試過使用液壓裝置驅(qū)動(dòng)以及氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣也出現(xiàn)了各種各樣的問題，沒有實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上，管式空預(yù)器在線清灰裝置的出現(xiàn)彌補(bǔ)了行業(yè)空白。雖然在設(shè)計(jì)方面仍有不足，但其投資較低、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)量小等優(yōu)勢(shì)也很明顯，尤其是對(duì)于臥式管式空預(yù)器積灰的清理作用顯著，對(duì)電廠鍋爐、尤其是垃圾電廠和生物質(zhì)電廠鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生了顯著效果，具備推廣應(yīng)用的價(jià)值。