煙氣升溫法在回轉式空氣預熱器堵灰治理中的應用

劉宏衛, 吳紅波, 李迎春, 李豐泉

(1. 內蒙古電力科學研究院， 呼和浩特 010020; 2. 內蒙古京寧熱電有限公司， 內蒙古烏蘭察布 012000)

選擇性催化還原(SCR)脫硝技術是在適當的溫度和催化劑條件下，利用還原劑(氨水或者尿素)有選擇地將煙氣中的NOx轉換為N2和水的有效脫硝方式之一。絕多大數催化劑的工作溫度為300～400 ℃，在SCR脫硝過程中，V2O5作為催化劑的有效成分，質量分數為4%，在還原NOx的同時，也使得煙氣中部分SO2(質量分數為0.75%～1.5%)轉化為SO3。目前，在超低排放的環保要求下，火電廠SCR脫硝裝置的氨逃逸無法避免，容易使SCR脫硝過程中未完全反應的NH3與SO3發生化學反應生成硫酸氫銨。硫酸氫銨具有很強的黏性，易沉積在回轉式空氣預熱器的冷端，吸附煙氣中的飛灰，導致空氣預熱器出現了嚴重的堵灰現象，增加了空氣預熱器的傳熱熱阻，降低傳熱效率，使鍋爐排煙溫度升高；同時導致空氣預熱器煙氣和空氣阻力增大，增加風機電耗，可能還會引起風機振動，甚至導致機組被迫限負荷運行。此外，硫酸氫銨具有一定的腐蝕性，威脅機組的安全經濟運行。受國家產業政策影響，為了消納新能源，傳統火力發電機組長周期低負荷運行可能成為一種常態，低負荷下SCR脫硝系統進口煙氣溫度低于脫硝催化劑最低工作溫度，氨逃逸進一步增加，使得空氣預熱器堵塞幾乎無法避免。因此，空氣預熱器堵灰問題成為超低排放環境下整個火電行業必須著手解決的問題[1]。

國內眾多學者對硫酸氫銨形成機理及影響因素進行了深入研究，取得了一定的研究成果，對于發電企業解決空氣預熱器堵灰具有一定的工程應用價值。筆者根據硫酸氫銨的物理特性，結合某電廠超臨界燃煤供熱機組實際情況，提出煙氣升溫法以減輕空氣預熱器堵塞的現象，取得了顯著的效果。

1 設備概況

某供熱機組工程建設2臺350 MW超臨界燃煤供熱機組，同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置。鍋爐型號為B&WB-1221/25.4-M，超臨界參數、螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、緊身封閉的П形鍋爐，鍋爐設有無循環泵的內置式啟動系統。

1.1 鍋爐主要技術參數

鍋爐主要技術參數見表1。

表1 鍋爐主要技術參數

1.2 煤質分析及灰分參數

煤質分析及灰分參數見表2。

表2 煤質分析及灰分參數

1.3 空氣預熱器主要技術參數

2臺空氣預熱器型號為31-VI(T)-2400-QMR，轉子直徑為12 636 mm，轉速為0.9 r/min，煙氣向下，空氣向上，旋轉方向為煙氣側至一次風側至二次風側，主要技術參數見表3。

表3 空氣預熱器主要技術參數

2 空氣預熱器堵塞機理及運行現狀

2.1 堵塞機理

煙氣溫度在230 ℃以下，SO3與逃逸的氨反應生產硫酸銨和硫酸氫銨。硫酸氫銨熔點為147 ℃，沸點為350 ℃。143～398 ℃是空氣預熱器工作溫度，硫酸氫銨在該溫度區間恰好為氣態向液態的轉化區。該溫度區間內硫酸氫銨黏性極強，容易吸附煙氣中的飛灰，沉積在波形板表面。

2.2 運行現狀

超低排放模式運行狀態下，該電廠空氣預熱器堵塞情況見圖1。

圖1 空氣預熱器堵塞現狀

3 升溫法清除硫酸氫銨

3.1 理論依據

華北電力大學馬雙忱等[2-3]通過熱重分析法，發現硫酸氫銨的開始揮發溫度為173.3 ℃，323 ℃以上開始大量揮發。硫酸氫銨的分解反應式為：

(1)

空氣預熱器熱端蓄熱元件的材質一般為冷軋碳素鋼薄板及鋼帶，能承受的溫度為420 ℃，冷端表面鍍搪瓷，可承受300 ℃以上溫度，只要控制蓄熱元件溫度變化不大于0.5 K/min,空氣預熱器升溫對冷、熱端蓄熱元件無影響。

3.2 準備工作及操作方法

3.2.1 準備工作

(1) 控制鍋爐總風體積流量1 100～1 600 km3/h,負荷上限設定為175 MW。

(2) 1號、2號、3號制粉系統運行，根據現場實際情況調整磨煤機運行數量和組合方式。

(3) 燃油系統(等離子助燃系統)可靠備用，提前試驗微油或者等離子助燃系統。

(4) 就地空氣預熱器輔電動機處準備空氣預熱器盤車手柄，氣動馬達系統正常投運。

(5) 聯系熱工人員強制送風機跳閘聯鎖停止引風機邏輯。

(6) 空氣預熱器升溫前，將甲空氣預熱器冷端扇形板做好標記提升2～4 mm，預防升溫時空氣預熱器變形發生卡澀現象，升溫結束后將扇形板落回至原位[4]。

3.2.2 操作方法

(1) 關閉空氣預熱器進口二次風管道聯絡門，調整爐膛負壓和氧量至正常，逐漸增加乙二次風機出力，同時逐漸減小甲二次風機出力，保持總風量不變。

(2) 工況穩定后，逐漸關閉甲二次風機進口調整擋板，觀察甲側排煙溫度變化速率不高于5 K/h,考慮布袋除塵器安全甲側排煙溫度全程不能超過190 ℃，保持30 min。

(3) 就地檢查空氣預熱器電動機電流正常，本體無異音，尾部煙道不振動，否則停止試驗。

(4) 觀察甲空氣預熱器壓差變化，如無異常維持該工況運行。

(5) 壓差降至預定目標后，恢復甲二次風機運行工況。

4 試驗結果分析

不同負荷工況下煙氣升溫前后空氣預熱器壓差、排煙溫度、引風機電流及一次風機電流對比結果見圖2～圖5。從圖2可以看出：不同負荷工況下，升溫后的空氣預熱器壓差比升溫前均有所降低，其中75%額定負荷下，升溫前后壓差變化為0.78 kPa。這充分說明采用煙氣升溫法雖然不能完全消除空氣預熱器堵灰，但是可以緩解堵灰現象。從圖3可以看出：不同負荷工況下升溫后的排煙溫度均比升溫前有所降低。空氣預熱器堵灰緩解后，與煙氣換熱增強，因此排煙溫度下降。75%額定負荷下，升溫前后排煙溫度變化最大。從圖4和圖5可以看出：升溫后引風機電流和一次風機電流均有所下降。

圖2 不同負荷下空氣預熱器升溫前后空氣預熱器煙氣側差壓對比

圖3 不同負荷下空氣預熱器升溫前后排煙溫度對比

圖4 不同負荷下空氣預熱器升溫前后引風機電流對比

圖5 不同負荷下空氣預熱器升溫前后一次風機電流對比

5 風險點控制

(1) 由于升溫后的煙氣溫度較設計排煙溫度高很多，對于飛灰C含量或者CO含量較高的機組而言，應做好防止尾部煙道二次燃燒的措施。

(2) 控制空氣預熱器的升溫速率，防止由于膨脹不均造成空氣預熱器卡澀。

(3) 試驗過程中，煙道阻力特性發生變化，調整風機的過程應緩慢進行，防止負壓大幅波動，導致鍋爐滅火；重點監視引風機運行情況，防止風機搶風或振動。

(4) 空氣預熱器出口煙氣溫度在180 ℃以上時，密切關注空氣預熱器及尾部煙道各項參數，出現異常立即停止操作，防止空氣預熱器發生二次燃燒。

(5) 如出現空氣預熱器跳閘后無法啟動，啟動空氣預熱器輔電動機，電流正常后切至主電動機，否則立即就地手動盤車。

6 經濟性分析

以該350 MW機組為例，主要假設條件見表4。

表4 經濟性分析假設條件

空氣預熱器堵灰導致機組送、引、一次風機多耗電，排煙溫度升高，運行經濟性下降。

風機電流下降可節約的電量W[5]為：

(2)

式中：cosφ為功率因數。

風機電流下降可節約標煤耗Δb0為：

Δb0=WBN/Hly

(3)

排煙溫度下降15 K,可以提高鍋爐效率1%。由表4可以看出經過煙氣升溫法后，鍋爐排煙溫度降低10 K，則鍋爐效率提高0.67%，節約的標煤耗Δb1為：

Δb1=B·0.67%

(4)

節約總標煤耗Δb為：

Δb=Δb0+Δb1

(5)

年節約標煤總質量M為：

M=Δb·N·Hly

(6)

節煤帶來的經濟效益P為：

P=Mk

(7)

將表4數據代入式(2)～(7)可計算得出該350 MW機組風機電流下降可節約的電量為716.73萬kW·h、節約標煤耗1.79 g/(kW·h)，排煙溫度降低可節約的標煤耗為2.14 g/(kW·h)，年節約標煤5 502 t，節煤帶來的經濟效益為412.62萬元。

7 結語

采用煙氣升溫法對空氣預熱器堵灰進行清除，獲得了較好效果，可為其他電廠解決空氣預熱器堵灰問題提供參考。煙氣升溫法與其他治理方法(沖洗法和熱風再循環法)相比，不需要增加新系統設備，節約運行成本；不需要停爐拆除空氣預熱器，減少檢修工作量；節約時間，經濟適用，有廣泛的推廣意義。