空預(yù)器堵塞后對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行影響探討

廣西廣投北海發(fā)電有限公司 陳思巖

1 系統(tǒng)簡介

廣西某發(fā)電廠一期工程2×320MW 機(jī)組采用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司引進(jìn)美國巴威公司技術(shù)生產(chǎn)的B&WB-1025/17.4-M 型鍋爐，鍋爐型式為單汽包、單爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道、擋板調(diào)溫、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、“W”形火焰燃燒方式、亞臨界自然循環(huán)煤粉爐。

燃燒系統(tǒng)前后墻各布置8臺B&W 公司專門用于燃用低揮發(fā)份燃料的濃縮型EI—XCL 低NOX 雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器。油槍采用機(jī)械霧化，燃用輕柴油，16支油槍可帶30%BMCR 負(fù)荷。在前后墻上各布置一個(gè)分隔風(fēng)箱，在下爐膛前后墻布置了分級風(fēng)，二次風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用推拉式軸向調(diào)風(fēng)結(jié)構(gòu)。水冷壁為膜式水冷壁，在熱負(fù)荷較高的區(qū)域布置內(nèi)螺紋管，有四根集中下降管。

一期工程2×320MW 機(jī)組設(shè)計(jì)煤種為無煙煤，揮發(fā)份為7.02%，灰熔點(diǎn)為1500℃，校核煤種為山西晉城無煙煤和越南鴻基無煙煤。

為了進(jìn)一步提質(zhì)增效，降低燃料成本，對“W”火焰爐燃煤摻燒方案探索。2010年開始，主要進(jìn)行了摻燒煙煤爐型改造，至2012年8月，煙煤摻燒比例達(dá)到70%。2013年，主要進(jìn)行了磨煤機(jī)乏氣粉管加裝調(diào)門、鍋爐衛(wèi)燃帶減除等改造，爐膛煙溫降低了60～80℃，摻燒煤種灰熔點(diǎn)下降了近100℃。2014年，基本消除了鍋爐燃煤摻燒煤種限制，實(shí)現(xiàn)了“W”形無煙煤鍋爐單燒煙煤和劣質(zhì)煤。但機(jī)組啟停、深度調(diào)峰時(shí)仍然耗油較大。2015年，對兩臺爐D 磨已進(jìn)行微油點(diǎn)火改造，每支微油出力為90～100kg/h，可以用于機(jī)組冷態(tài)啟動、深度調(diào)峰，單臺D 磨冷態(tài)開機(jī)耗油約25t 左右。2017年為了進(jìn)一步減少機(jī)組啟停、深度調(diào)峰時(shí)的耗油量，對A 磨進(jìn)行了微油改造、將暖風(fēng)器汽源改至屏過，通過試驗(yàn)摸索經(jīng)驗(yàn)，在保證安全的前提下達(dá)到微油與磨組最佳的組合方式，本公司空氣預(yù)熱器采用容克式三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，后由豪頓華進(jìn)行了密封改造。每臺爐配兩臺空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器發(fā)生堵塞時(shí)空預(yù)期差壓增大明顯，正常時(shí)在1.0kPa 左右，嚴(yán)重時(shí)可能達(dá)到2.8kPa 左右；爐膛負(fù)壓波動呈現(xiàn)出鋸齒狀，擺動周期與空預(yù)器旋轉(zhuǎn)周期吻合，堵塞嚴(yán)重時(shí)機(jī)組還會發(fā)生被迫降負(fù)荷。

2 脫硫設(shè)施投運(yùn)改造情況

一期工程2×330MW 機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)于2013年1月進(jìn)行改造施工，最初設(shè)計(jì)排放值為小于200mg/Nm3，采用選擇性催化還原法（SCR 法）工藝。脫硝系統(tǒng)用液氨作還原劑，催化劑以TiO2為基材載體，以V2O5+WO3為活性成分，制成蜂窩式，層數(shù)按2+1+1設(shè)計(jì)；單爐體雙SCR 結(jié)構(gòu)布置，SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口和空氣預(yù)熱器之間，設(shè)計(jì)活性溫度范圍295～430℃，正常運(yùn)行溫度范圍300～430℃，初始投運(yùn)條件入口煙氣溫度＞320℃持續(xù)10min 以上。

2016-2017年對#1、#2機(jī)組進(jìn)行超低排放改造，原脫硝設(shè)施催化劑設(shè)計(jì)為2+1+1層（預(yù)留兩層），本次增容提效催化劑按2+1布置，即在原預(yù)留層上安裝新一層催化劑，改造后總體目標(biāo)是在鍋爐全負(fù)荷范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)原煙氣入口 NOx 濃度為 450mg/Nm，NOx 排放濃度低于30.6mg/Nm3(干，6% O2），催化劑投運(yùn)3層脫硝效率不低于93.2%，改造完成后NOx排放由200mg/Nm3降低至30.6mg/Nm3，遠(yuǎn)低于國家超低排放50mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)。超低排放改造系統(tǒng)主要技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 超低排放改造系統(tǒng)主要技術(shù)流程

3 硫酸氫氨產(chǎn)生機(jī)制

燃煤機(jī)組主要燃燒過程，一次風(fēng)將制粉系統(tǒng)磨制合格的煤粉送入爐膛并提供初步的燃燒氧量，煤粉在二次風(fēng)的作用下進(jìn)行充分燃燒，其中一次風(fēng)、二次風(fēng)等鍋爐燃燒所需的氧量均直接來源于空氣，空氣中氮?dú)獾某煞旨s占78%，工業(yè)元素分析中煤主要成分包括碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五種主要元素，煤中含氮量一般不多，大約只有0.5%～2%，因此鍋爐燃燒煙氣中的氮氧化物主要是空氣中的氮?dú)馀c氧氣在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成氮氧化物。

燃煤中的可燃硫成分在爐膛高溫燃燒中產(chǎn)生SO3和SO2氣體，當(dāng)含有SO3、SO2氣體和水蒸氣的煙氣經(jīng)過 SCR 法煙氣脫硝工藝時(shí)，脫硝反應(yīng)器中未完全反應(yīng)的氨氣（NH3）與SO3、SO2及水蒸氣反應(yīng)生成硫酸氫氨或硫酸銨。

在催化劑作用下，SCR 法煙氣脫硝工藝的主要化學(xué)反應(yīng)：

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O

研究表明催化劑中的成分釩對SO2的氧化起到催化作用，SO2的氧化率隨著活性成分V2O5含量的增加而上升。當(dāng)V2O5含量超過1.0%時(shí)，SO2氧化率明顯增加。硫酸氫銨熔點(diǎn)為147℃，根據(jù)溫度不同，硫酸氫銨的物理性質(zhì)呈現(xiàn)不同的物理狀態(tài)，當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)147℃，呈現(xiàn)固態(tài)，不具備沾黏性;當(dāng)溫度高于147℃，呈現(xiàn)液態(tài)，具有強(qiáng)烈的黏連性；當(dāng)溫度高于250℃時(shí)由液態(tài)升華為氣態(tài)[1]。

由于空預(yù)器溫度梯度變化在320～120℃之間，這使得液態(tài)狀的硫酸氫銨具有很強(qiáng)的黏性能輕易吸附在空預(yù)器中低溫區(qū)域的波形換熱元件上，當(dāng)煙氣通過空預(yù)器時(shí)，煙氣中的飛灰被吸附在空預(yù)器上導(dǎo)致空預(yù)器堵塞。硫酸銨在敞口管中加熱至100℃開始分解成酸式硫酸銨，《化工辭典》第三版）；硫酸氫銨加熱至200℃左右時(shí)分解為氨氣和硫酸氣體，加熱至400℃以上時(shí)分解為水蒸氣和SO3。當(dāng)煙氣中的NH3含量遠(yuǎn)高于SO3濃度時(shí)，主要生成干燥的粉末狀硫酸銨，不會對空預(yù)器產(chǎn)生黏附結(jié)垢。當(dāng)煙氣中的SO3濃度高于逃逸氨濃度時(shí)，主要生成硫酸氫氨（ABS）。

國內(nèi)部分進(jìn)行煙氣脫硝改造機(jī)組對空預(yù)器低溫段元件鍍搪瓷，空預(yù)器冷段換熱元件即使采用鍍搪瓷元件，如果沒有有效的吹灰清洗裝置相配套，同樣會發(fā)生嚴(yán)重的堵灰。搪瓷鍍層能顯著降低硫酸氫氨的結(jié)垢速率，但如鍍層因加工質(zhì)量而損裂，將不利于防止硫酸氫氨的吸附。

4 SCR 超低排放對空預(yù)器運(yùn)行的影響

#1機(jī)組在2017年2月份完成超凈排放改造后，為了控制出口不超過50mg，必然會加大噴氨量來控制排放。硫酸氫銨堵塞的問題進(jìn)一步嚴(yán)重，于2017年6月、2018年、2019年12月分別出現(xiàn)空預(yù)期堵塞現(xiàn)象；在機(jī)組啟動運(yùn)行僅36d 后，就出現(xiàn)了空預(yù)器壓差急速增大，爐膛負(fù)壓波動，日常性的蒸汽和激波吹灰不能遏制空預(yù)器壓差發(fā)展。

5 空預(yù)期堵塞對機(jī)組能耗的影響

5.1 風(fēng)機(jī)電流變化的影響

空預(yù)期堵塞前后，變化最大的指標(biāo)空預(yù)期一次風(fēng)差壓，風(fēng)機(jī)電流變化最大的是引風(fēng)機(jī)電流，平均電流增加約23.5A，一次風(fēng)機(jī)平均電流增加約7A，送風(fēng)機(jī)電流增加約2A，空預(yù)期電流基本不變。因此空預(yù)期堵塞后風(fēng)機(jī)電流總計(jì)增加約32.5A，單位時(shí)間內(nèi)電耗增加約568.2kWh，增加廠用電率約0.19%，影響機(jī)組供電煤耗約0.57g/kWh。

5.2 排煙溫度變化影響

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在同等符合條件下，#1機(jī)組（空預(yù)器堵塞）排煙溫度比同時(shí)期#2機(jī)組（空預(yù)器正常）排煙溫度高約10～15℃。

5.3 機(jī)組脫硫水耗增加

機(jī)組滿負(fù)荷情況下，排煙溫度高約10～15℃，機(jī)組供電煤耗約3t/h。

6 運(yùn)行操作調(diào)整預(yù)防空預(yù)器堵塞的探討

一是爐膛氧量控制：機(jī)組運(yùn)行期間嚴(yán)格按照負(fù)荷氧量曲線進(jìn)行機(jī)組送風(fēng)量的控制，避免氧量過高導(dǎo)致機(jī)組送風(fēng)機(jī)出力增加，送入爐膛空氣過大。

二是啟停磨煤機(jī)操作標(biāo)準(zhǔn)化：機(jī)組日常運(yùn)行操作中隨著機(jī)組負(fù)荷變化均需要對磨煤機(jī)進(jìn)行啟停操作，對于摻燒煙煤的磨煤機(jī)，停運(yùn)前必須將磨煤機(jī)內(nèi)積粉吹掃干凈，避免積煤粉引起自燃。

三是嚴(yán)格執(zhí)行空預(yù)器定期吹掃規(guī)定，根據(jù)機(jī)組煤質(zhì)變化情況適當(dāng)增加空預(yù)器吹掃頻次，可根據(jù)實(shí)際情況利用機(jī)組檢修機(jī)會進(jìn)行對空預(yù)器低溫段元件采用鍍搪瓷工藝處理，減緩空預(yù)器低溫元件腐蝕積灰的結(jié)垢速率，有利于防止硫酸氫氨的吸附和提高空預(yù)器吹掃清潔效果。

四是爐膛技術(shù)改造：本公司設(shè)計(jì)使用無煙煤，為了確保爐膛有較高的燃燒溫度，爐膛內(nèi)布置大量的衛(wèi)燃帶，確保煤粉穩(wěn)定的燃燒環(huán)境，為了配合機(jī)組燃煤摻燒，對爐膛進(jìn)行衛(wèi)燃帶拆除改造，拆除兩側(cè)墻的衛(wèi)燃帶，拆除面積約207.32m2，爐膛中心火焰溫度降低約60～80°，有效降低熱力型氮氧化物的產(chǎn)生。

五是煤質(zhì)含硫量：盡量采購低含硫量煤種，本公司設(shè)計(jì)煤種中硫含量0.45%，煤炭質(zhì)量參差不穩(wěn)定，本公司采購煤種中干燥基含硫量0.4%～1.5%范圍內(nèi)波動，個(gè)別煤種的可達(dá)2%左右。煤種中含硫量的增加提高了煙氣中的SO2、SO3濃度。

六是燃煤摻燒:近幾年來動力煤炭燃料價(jià)格居于高位，為了解決煤炭價(jià)格高企帶來經(jīng)營困難，節(jié)約公司煤炭成本，本公司不斷探索燃煤摻燒，摻燒期間入爐煤硫含量不超過1%；另外機(jī)組摻燒期間，原煙氣氮氧化物濃度由750mg/m3降到450mg/m3左右，有效降低了煙氣中氮氧化物濃度。[2]

七是啟停機(jī)制粉系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行：利用機(jī)組停機(jī)檢修的機(jī)會，對機(jī)組進(jìn)行大小油槍的改造，制定合理的磨煤機(jī)啟停配合方式，減少油槍的投運(yùn)時(shí)間和燃油消耗量，降低空預(yù)器積油污的風(fēng)險(xiǎn)。

八是排煙溫度：空預(yù)器設(shè)有暖風(fēng)循環(huán)裝置的機(jī)組，機(jī)組排煙溫度低的情況下，及時(shí)投運(yùn)該裝置進(jìn)行熱風(fēng)循環(huán)，提高空預(yù)器出口煙溫，避免硫酸氫氨凝結(jié)在空預(yù)器換熱元件。

九是保證催化劑活性：本公司催化劑設(shè)計(jì)溫度范圍295～430℃，正常運(yùn)行溫度范圍300～430℃，初始投運(yùn)條件入口煙氣溫度＞320℃持續(xù)10min 以上，運(yùn)行中應(yīng)該控制煙氣溫度平穩(wěn)且處于活性反應(yīng)溫度區(qū)域，避免造成排煙溫度大幅波動，導(dǎo)致催化劑活性降低，投入過量的液氨。

十是做好催化劑化驗(yàn)運(yùn)行監(jiān)督: 做好催化劑全壽命監(jiān)督管理，利用機(jī)組檢修機(jī)會，對催化劑進(jìn)行取樣化驗(yàn)，做好壽命監(jiān)督，避免催化劑超期運(yùn)行（本公司催化劑設(shè)計(jì)化學(xué)壽命約30000h），另外機(jī)組正常運(yùn)行期間做好噴氨使用量及SCR 出入口NOx 含量分析，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)分析原因，避免空預(yù)器結(jié)垢嚴(yán)重。

十一是嚴(yán)控液氨品質(zhì)：液氨在制造、運(yùn)輸、存儲、輸送過程中難免會存在一定數(shù)量的雜質(zhì)，本公司在脫硝系統(tǒng)運(yùn)行初期出現(xiàn)過液氨管道中因積存黑色黏稠液態(tài)雜質(zhì)堵塞噴氨管道導(dǎo)致噴氨量周期性波動的現(xiàn)象，后經(jīng)過技術(shù)改造加裝濾網(wǎng)后徹底解決該故障[3]。液氨品質(zhì)參數(shù)詳見表1。

表1 液氨品質(zhì)參數(shù)

7 結(jié)語

空預(yù)器堵塞后的處理均屬于事后處理模式，無論哪一種處理方法都會機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性造成影響，本文主要是探討如何避免或者延緩空預(yù)器堵塞的方法，從機(jī)組運(yùn)行過程控制方面解決問題，確保機(jī)組在一個(gè)檢修周期內(nèi)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。