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空气预热器堵塞原因分析及治理

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第19期作者：王佳全

[导读] 摘要：本文针对近年来超低排放改造后机组运行时为控制氮氧化物的排放，脱硝系统需要不断的喷入氨以去除烟气中的氮氧化物，当机组长期低负荷运行时，SCR残余NH3会有所增加，逃逸氨气和烟气中三氧化硫和水分反应容易形成硫酸氢铵，该物质容易堵塞在波纹板里形成严重堵塞物，造成空预器堵塞。

        山西大唐国际临汾热电有限责任公司山西临汾 041000
        摘要：本文针对近年来超低排放改造后机组运行时为控制氮氧化物的排放，脱硝系统需要不断的喷入氨以去除烟气中的氮氧化物，当机组长期低负荷运行时，SCR残余NH3会有所增加，逃逸氨气和烟气中三氧化硫和水分反应容易形成硫酸氢铵，该物质容易堵塞在波纹板里形成严重堵塞物，造成空预器堵塞。对空气预热器堵塞物形成机理及堵塞处理方案进行了分析、阐述，提出了改造方案，改造方案实施后解决了空气预热器堵塞问题。
        关键词：空气预热器；硫酸氢铵；蓄热元件；堵塞
        一、概述
        山西大唐国际临汾热电有限责任公司2×300MW机组锅炉由哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造，1号锅炉于2010年12月15日168小时后正式服役，2号锅炉于2011年1月4日168小时后正式服役。锅炉型号为HG-1092/17.5-YM28，该锅炉为亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、摆动式燃烧器、四角切圆燃烧、固态排渣、半漏天布置、全钢构架悬吊结构、燃煤Π型汽包炉。制粉系统采用正压直吹式制粉系统，每台锅炉配备５台磨煤机，２台轴流式动叶可调引风机、２台轴流式动叶可调送风机、２台液耦调节一次风机、2台三分仓容克式空气预热器。
        空气预热器为豪顿华制造生产的三分仓回转式空预器，每台锅炉配两台空预器，型号为29 VNT 2180，转子直径为φ11100mm，单台空预器总重为369636.6Kg，转子元件重为196389Kg，转子为48仓结构，每仓7.5°，空预器布置在锅炉运转层平台上。空预器转子元件参数详见表1。
        表1 29-VNT-2180元件参数表

        空预器蓄热元件疲劳损坏、硫酸氢氨沉积在蓄热元件表面堵塞元件通道造成空预器阻力增大，空预器换热效率降低，空预器已经不能满足超低排放脱硝改造后的运行工况需要。在机组高负荷运行时引风机接近失速或喘振区域，严重影响空预器、引风机设备的可靠性。
        二、堵塞原因分析
        空预器发生堵塞现象一般是由以下几方面原因导致的：
        1、酸露点腐蚀堵灰
        对于燃煤机组，锅炉燃烧的煤质均含有硫和灰。燃烧过程中燃料中的大部分硫都转变为二氧化硫，但仍有1~5%的硫转变为三氧化硫。烟气中三氧化硫的含量取决于许多因素，如燃料中硫的含量、燃烧时的过量空气系数以及是否存在对形成三氧化硫起催化作用的沉积物等。三氧化硫与烟气中的水蒸汽反应，在蓄热元件表面形成一层硫酸膜从而腐蚀碳钢蓄热元件。能在蓄热元件表面上形成一层连续的硫酸膜的最高温度称为烟气的“酸露点”。当蓄热元件壁温低于露点温度时，硫酸蒸汽就会凝结在壁面上腐蚀蓄热元件，并不断粘结飞灰，堵塞通道，降低蓄热元件换热效率和使用寿命，影响空预器的安全经济运行。
        当蓄热元件壁温低于露点温度时，酸液凝结量随壁温的降低而不断增加。显然，蓄热元件的腐蚀速度也不断加速，通常最大腐蚀率的壁温约比露点温度低20~45℃。
        为有效地控制和减缓冷端蓄热元件的腐蚀，必须避免空预器在“冷端综合温度”（烟气出口温度+空气入口温度）低于建议的最低值下长时间运行。
        2、硫酸氢氨的堵塞；
        为了控制机组运行时氮氧化物的排放，脱硝系统需要不断的喷入氨与催化剂进行反应以去除烟气中的氮氧化物，当机组长期低负荷运行时，SCR残余NH3会有所增加，逃逸氨气和烟气中三氧化硫和水分反应容易形成硫酸氢铵，该物质容易堵塞在146℃～200℃的金属壁温的波纹板温度区间里形成严重堵塞物。
        若运行时SCR喷氨控制不当，或者催化剂老化破损，流场不均，则烟气中氨气的逃逸量会相应增加，由于脱硝催化剂的作用，烟气中由SO2 向SO3 的转化率增加，烟气中的SO3 的量增加，烟气酸露点温度升高，由此加剧空气预热器的酸腐蚀和堵灰。另外，SCR 脱硝装置中逸出氨（NH3）与烟气中的SO3 和水蒸汽生成硫酸氢铵凝结物：
        NH3 ＋SO3 ＋H2O ⇒NH4HSO4
        在燃烧产物灰的作用下，硫酸氢铵在146℃～200℃间凝结成粘性很强的状态，易粘附在空气预热器的蓄热元件表面上，增加空预器阻力，长期运行会堵塞空预器的通流区。
        3、元件损坏
        空预器蓄热元件堵塞后机组运行中被迫提高吹灰蒸汽压力增加吹灰频次，虽能延缓空预器压差增加速度，但长期高压力、高频次吹灰使空预器蓄热元件严重吹损，蓄热元件部分发生坍塌、卷边会进一步加重空预器堵塞，换热效率下降。
        三、堵塞治理措施
        1、治理原则
        1）针对空预器会有硫酸氢铵堵灰的现象，需要根据空预器温度场的分布来优化冷端换热元件的高度，使冷端酸沉积和硫酸氢氨堵灰区（带）完全处在冷端换热元件中，为防止空预器在恶劣工况下发生异常堵灰。
        2）改造后的换热元件建议为两层布置，消除了两层换热元件之间的无效空间，可大大减少吹灰蒸汽和高压水射流在跨层中的扩散和衰减，使其在换热元件中的穿透力更强，吹灰清洗效果更好。另外，层数减少多出来的空间可用于设置更多的换热元件来尽量降低排烟温度，保证锅炉效率。
        3）低温腐蚀和堵灰是影响空预器和锅炉长期、稳定、高效运行的主要因素，对于脱硝空预器尤为突出。为防止空预器在运行中发生冷端换热元件的低温腐蚀和酸沉积以及硫酸氢铵堵灰，脱硝空预器冷端换热元件材料的选用应综合考虑燃煤含硫量、灰硫比、SCR 中SO2 向SO3 的转化率等因素，以防脱硝空预器换热元件发生腐蚀和堵灰。
        2、治理方案
        治理措施重点在于空气预热器蓄热元件的改造，通过全面核算空气预热器换热容量以及换热面积，重新优化选择转子分层方式以及冷、热端蓄热元件的波形配置，可以降低空气预热器实际运行阻力，提高换热面积的有效利用率，使得空气预热器的阻力特性与换热特性更好地达到综合最优，改善机组在超低排放后的安全运行经济性。
        根据集团公司相关文件要求，规定“空预器蓄热元件改造时应采用两段式，冷端材料宜选用防堵型封闭式大通道、双面镀搪瓷蓄热元件；空预器选型时，应根据硫份和灰分及排烟温度选择冷端元件高度，高硫煤元件高度不宜低于1100毫米、中硫煤不宜低于1000毫米、低硫煤不宜低于800毫米。”同时通过对比其它同级别机组锅炉空气预热器改造后实际运行情况，本次改造需要对空预器蓄热元件全部进行更换，冷端高度调整后能覆盖全部ABS区域，同时将蓄热元件改为两段式，有效利用过渡段的高度并改善空预器的清洗特性。
        改造方案描述：空预器冷端蓄热元件高度增加至1100mm；热端、中温端蓄热元件合并后改为热端，高度为1150mm，总高度2250mm，改造内容包括：
        1）蓄热元件全部更换，综合考虑空气预热器换热性能和ABS沉积范围，采用两层蓄热元件布置方式，冷端蓄热元件高度为1100mm；
        2）蓄热元件热端采用换热效率高的波型，材质选用优质低碳钢；低温段采用大通道、防堵灰、易清洁的波型，并双面镀搪瓷，确保低温段蓄热元件在全负荷工况下都能够覆盖全部ABS区域；
        改造后空预器换热元件配置参数如下表：

        四、治理效果
        本次治理措施所设计安装的新空气预热器蓄热元件，改造后硫酸氢铵堵灰的现象得到缓解，排烟温度降低，一、二次热风温度不低于改前，空气预热器漏风率得到有效控制。蓄热元件选用高热交换性能、低压力损失、不易堵灰的波纹型式，尤其冷端受热面应设计成易于清洗的脱硝专用空气预热器板型，既可满足空气预热器的防堵要求又能保证其换热能力。治理得到以下效果：
        1、降低空预器流通阻力、降低空预器的酸腐蚀和硫酸氢氨堵塞状况。
        2、空预器烟气侧压差长期维持在1.5kPa。
        3、降低送、引风机出力、减少厂用电，大大提高机组的安全性及经济性。
        4、实施改造将有效改善低温腐蚀和堵灰难题，减少换热元件受高压蒸汽、高压水等冲击造成的损坏，适当延长蓄热元件寿命。
        五、结束语
        空预器治理后可降低空预器漏风率、空预器压差、排烟温度，提升一、二次风温升；降低送、引风机等辅机电耗，可避免因元件损坏、堵塞等问题造成引风机出现失速或喘振等现象；可避免机组被迫降低负荷、停运等问题，保证机组安全稳定长周期运行；
        机组综合生产能力大幅提升，大大节省降低送、引风机等辅机电耗，降低厂用电率，避免因风烟系统阻力大机组被迫降低负荷运行，机组出力及经济效益得到良好改善，而且长周期的稳定运行对企业的声誉及管理水平都是一种提高。
        参考文献：
        [1] 2018年《中国大唐集团有限公司空预器堵塞预防及治理指导意见》
        [2] 《回转式空气预热器运行维护规程》（DL/T750-2016）
        [3] 刘建业 SCR脱硝对空预器的影响及控制策略 [J] 科研 2016
        [4] 宁金红 SCR脱硝系统投运对空预器堵塞的影响及防范措施 [J] 科技尚品 2017