燃煤機組硫酸氫銨分區生成分析及空預器防黏結堵塞研究

龍遠生，吳 凱，黃國輝

（國家電投集團江西電力有限公司新昌發電分公司，江西 南昌 330017）

0 前言

空氣預熱器是燃煤機組通過回收省煤器后煙氣熱量來加熱一、二次風，降低排煙溫度的重要設備。運行阻力、漏風率、排煙溫度是空預器運行的關鍵參數，對鍋爐經濟性、安全性具有重要影響[1]。燃煤機組超低排放改造后，脫硝反應器流場不均及局部噴氨過量導致在空預器冷端生成硫酸氫銨[2]，硫酸氫銨黏結物難以通過吹灰有效清除，導致空預器壓差升高，換熱效率下降。通過空預器硫酸氫銨分區生成機理分析研究，提出加裝脫硝反應器采樣全斷面監測裝置，進行空預器硫酸氫銨生成監測以及空預器冷端黏結早期干預控制，有效防止空預器堵塞發生，提高機組運行安全經濟性。

1 硫酸氫銨分區生成原因分析

1.1 硫酸氫銨生成機理

鍋爐燃煤燃燒后煙氣中含有大量SO2氣體，脫硝催化劑中的活性組分釩在催化降解NOx的過程中，也會對SO2的氧化起到一定的催化作用，SO2的氧化率與V2O5含量相關。據統計，加裝SCR脫硝裝置的燃煤機組，煙氣中約1%的SO2將轉化為SO3，二者之間的轉化是溫度的函數，隨著溫度的升高SO2的氧化率增加。對于給定的SO2濃度和溫度，SO3的生成率幾乎不變[3]。

SCR系統脫硝過程中，需向煙氣中噴入大量的氨，為保證出口NOx濃度達標，大多數脫硝機組存在多噴氨現象，NH3逃逸不同程度的存在，兩者在空氣預熱器中下層處煙氣溫度合適區域形成硫酸氫氨，脫硝反應未完全耗盡的氨氣，與煙氣中的SO3、水蒸氣易發生下列反應：

NH3+SO3+H2O=NH4HSO4

硫酸氫氨在不同的溫度下分別呈現氣態、液態、顆粒狀。對于燃煤鍋爐，煙氣中飛灰含量較高，硫酸氫氨在146℃～207℃溫度范圍內為液態；對于燃油、燃氣鍋爐，煙氣中飛灰含量較低，硫酸氫氨在146℃～232℃溫度范圍內為液態。液態硫酸氫氨捕捉飛灰能力極強，會與煙氣中的飛灰粒子相結合，附著于預熱器傳熱元件上形成融鹽狀的積灰，造成預熱器的腐蝕、堵灰等，進而影響預熱器的換熱及鍋爐的正常運行

燃煤機組運行經驗和熱力學分析都表明，硫酸氫氨的反應速率主要與溫度、煙氣中的NH3、SO3及H2O濃度有關，見圖1。硫酸氫銨的形成量隨NH3濃度的增加而增加，高SO3/NH3摩爾比將促進硫酸氫銨的形成及其在空預器上的沉積[3]。硫酸氫銨的形成同時依賴于溫度，當煙氣溫度略低于硫酸氫銨的初始形成溫度時，硫酸氫銨即開始形成。當煙氣溫度下降到比硫酸氫銨形成的初始溫度低25℃時，硫酸氫銨形成反應可完成95%。硫酸氫銨的確切形成區域取決于初始形成溫度和空預器溫度，并在空預器軸向上、下波動。硫酸氫銨的沉積受空預器冷段換熱元件結構及溫度影響，對于三層換熱元件空預器，吹灰器可以將中間層換熱元件上的硫酸氫銨清除，使其難以在空預器中間層沉積[4]。

圖1 NH3與SO3濃度積、溫度對硫酸氫銨形成的影響

1.2 空預器硫酸氫銨分區生成影響因素

在催化劑、燃燒工況、空預器運行工況、燃煤品質等環境條件基本穩定條件下，氨的局部過量造成的氨逃逸是影響硫酸氫銨生成的主要原因，影響機組運行期間硫酸氫銨分區生成的主要因素有：脫硝出口煙氣取樣無代表性、脫硝反應器內部流場不均、機組工況變化、空預器設計工況等。

1）脫硝出口煙氣取樣無代表性。

脫硝機組CMES廠商設計的取樣探頭多為單點采樣探頭，在極易產生湍流及紊流的大截面、小直段的煙道中很難取到具有代表性的樣氣。部分電廠在脫硫及脫硝等處采用三點取樣方式對煙道煙氣進行抽取，抽氣后的煙氣進行混合測量，該方法在一定程度上是提高了樣氣的代表性，但煙囪入口與脫硝出口NOx測量偏差問題也沒有得到根本解決，部分電廠偏差達到100%以上。

2）反應器內部流場的分布不均。

火電機組的鍋爐燃燒十分復雜，煙氣在脫硝的流場分布存在多樣性、變化性及不均勻性等多個特點。在SCR設計時，主要利用FLUENT進行冷熱態模擬，然后根據現場手工取樣的NOX測量等進行噴氨流場調整。隨著運行時間的延長，脫硝催化劑發生局部積灰或堵塞，造成煙氣偏流，鍋爐從設計到長期運行后，不可避免經過大小修理及相關設備改造，煙道的煙氣流場會變化較大。

3）機組運行工況的變動導致流場不均。

隨著電網負荷波動幅度增大，多數電廠的機組出力、效率下降較嚴重，機組運行小時數下降，低負荷工況增加，大容量機組也參與到靈性調峰。機組為適應調度的負荷曲線，根據AGC指令要隨時調整負荷，在負荷調整過程中，鍋爐燃燒工況變化較大，風量、煤量及水量會出現劇烈的變化。這些與燃燒直接相關的參數變化，對鍋爐煙道的流場分布帶來更大的不確定因素，氣流分布與設計值及模擬值易出現較大的偏差。

4）空預器結構不良促進硫酸氫銨生成。

氣態或顆粒狀液體狀硫酸氫氨會隨著煙氣流經預熱器，不會對預熱器產生影響。硫酸氫氨的形成是有固定的溫度區域，在預熱器傳熱元件中該溫度區域對應相應的位置區域，此區域統稱為ABS區域。大量的實驗結果表明，燃煤機組液態NH4HSO4形成的溫度區域在146℃～207℃，ABS區域為距預熱器傳熱元件底部381mm-813mm位置之間[4]。傳統空預器元件分為高、中、低溫3段，采用致密的波紋板結構，換熱冷段高度約300mm，主要為了防止煙氣產生的硫酸導致低溫腐蝕。當硫酸氫氨溫度區間跨越2層換熱元件時，接縫處的硫酸氫氨吸附飛灰結垢搭橋現象更加嚴重[5]。

圖2 燃煤機組空預器ABS區域分布圖

2 脫硝反應器全斷面硫酸氫銨生成趨勢采樣監測

2.1 硫酸氫銨生成趨勢采樣監測原理

NH3、SO3是硫酸氫銨生成的必要條件，控制其中一個因素即可有效控制硫酸氫銨的生成。脫硝反應器進出口煙道面積大，多數機組的煙道CEMS只監測1～3個點，代表性不強，不能判別全斷面NOx分布情況，人工監測難以及時有效進行。而且，脫硝反應器本體面積是進出口煙道面積的數倍，反應器內部催化劑空隙堵塞、局部積灰等影響煙氣均勻進入催化劑內部，運行過程中，即使噴入煙氣中氨均勻，也難以保證脫硝出口各個分區脫硝效果一致。多臺機組脫硝效率優化試驗結果表明，脫硝反應器內部出口各個分區NOX濃度偏差甚至達到100～400%，反應器內部分區催化效率、出口NOx分布處于盲目未知狀態。

硫酸氫銨生成趨勢采樣監測原理是：將監測脫硝反應器出口全斷面進行分區布置煙氣監測采樣點，實時監測分析各個區域煙氣中NOx、O2、NH3濃度，計算NH3與SO3的濃度積，該濃度積即可判別硫酸氫銨的生成趨勢。建立基于神經網絡的硫酸氫銨生成傾向數學模型，判別硫酸氫銨分區生成率。

2.2 脫硝反應器全斷面硫酸氫銨生成監測系統

1）采樣監測系統。

在脫硝反應器出口、空預器入口煙道設計布置全截面多點分區輪巡式煙氣NOx、O2在線監測系統，該系統由煙氣取樣單元、測量單元及控制單元組成，實時監測空預器入口煙道斷面全區域NOx、NH3、O2濃度值及各區域NOx、NH3、O2濃度值。煙氣采樣單元由反應器全斷面分區154個采樣點構成，監測煙氣進入脫硝反應器的流速分布的均勻性，判別硫酸氫銨生成狀況。分區輪巡式煙氣自動抽氣裝置由空預器入口直接旁路至電除塵入口，利用系統差壓實現無動力自動煙氣采樣；測量單元由煙氣預處理單元（三級）和檢測單元、顯示單元組成；控制單元對煙氣輪巡采集、預處理、檢測、反吹掃、顯示等過程進行自動控制。

圖3 反應器全斷面硫酸氫銨生成監測系統

2）硫酸氫銨分區生成預測系統。

該系統由數值采集單元、數據處理單元、智能預測單元、信息發送單元組成。監測煙道全斷面不同區域NOx、濃度梯度及變化的實時分布，結合機組不同負荷、不同氨逃逸濃度、不同燃煤、不同磨組合、不同煙氣溫度工況，基于硫酸氫銨生成原理，對硫酸氫銨分區生成預測系統。基于硫酸氫銨分區生成預測系統分析結果，判別硫酸氫銨分區生成率，對空預器冷端黏結性傾向進行預警，并進行早期分區干預控制，清除初期不牢固的硫酸氫銨黏結物，避免后期高強度黏結物的形成。

3 空預器硫酸氫銨黏結干預控制

3.1 脫硝全斷面精準噴氨，控制氨逃逸

脫硝反應器流場不均、監測點布置不合理、斷面局部過量噴氨而無法監測是導致整體氨逃逸的主要原因，通過脫硝全斷面煙氣在線監測裝置，實時監測反應器出口煙氣 NOx、NH3、O2濃度值及各區域 NOx、NH3、O2濃度值，設置合理的濃度偏差，分區濃度偏差大時，根據偏差狀況調整噴氨系統入口各噴氨小門，實現噴氨流量分區定期平衡，實現脫硝全斷面精準噴氨，可有效控制氨逃逸。

3.2 控制脫硝入口氮氧化物濃度

嚴格控制脫硝入口煙氣中NOx濃度，保證鍋爐低氮燃燒穩定運行，當中注意監視SCR進口煙氣中NOx、濃度小于550mg/Nm3，若出現SCR進口煙氣中NOx濃度變化大，應進行機組負荷調整及燃燒調整，控制SCR進口煙氣中NOx濃度處于合理范圍[6]。

3.3 空預器換熱元件結構優化

空預器煙側進出口溫度范圍約100～400℃，涵蓋了高粘性硫酸氫氨的生成溫度區間。為了應對硫酸氫氨的影響，空預器采取了以下改造措施，傳統空預器元件分為高、中、低溫3段，冷段高度約300mm，硫酸氫氨溫度區間跨越2層換熱元件時，接縫處的硫酸氫氨吸附飛灰結垢搭橋現象更加嚴重。合并傳統的冷段和中溫段，將換熱元件改為2段，冷段高度加大到約800～1200mm，涵蓋機組不同負荷下硫酸氫氨的生成溫度范圍，保證全部硫酸氫氨在冷段完成凝結和沉積。將空預器冷段換熱元件由通常傾斜的雙層皺紋形改為局部封閉、高吹灰通透性的波形換熱元件，易于被吹灰器清掃[7]。

3.4 優化空預器運行工況

加強空預器吹灰，空預器吹灰蒸汽壓力一般為1.8～2.0MPa，優化空預器吹灰壓力及頻次，必要時將空預器吹灰壓力提高至2.5MPa，根據空預器壓差情況優化吹灰工況；硫酸氫銨熔點約147℃，可采取煙氣升溫方式將空預器冷端硫酸氫銨加熱至147℃以上，同時進行連續蒸汽吹灰方式，在其液化狀態下吹掃隨煙氣排掉以降低空預器煙氣差壓[8]?？疹A器停機沖洗，利用停爐檢修時機，對空預器進行高壓水沖洗，必要時可將換熱元件吊出進行清洗。

4 結語

兩臺燃煤機組脫硝超低排放改造后，反應器流場不均及局部噴氨過量導致在空預器冷端硫酸氫銨堵塞、低低溫省煤器腐蝕嚴重，空預器壓差甚至達到3kPa，遠超設計值，先后被迫進行空預器在線帶負荷清洗、低低溫省煤器更換改造。為消除硫酸氫銨導致的空預器黏結堵塞問題，先后采取空預器冷段換熱元件改造、加裝脫硝反應器采樣全斷面監測裝置、優化空預器運行等手段，對空預器冷端黏結進行早期干預控制，有效防止了空預器堵塞發生，提高了機組運行安全經濟性。