回轉式空氣預熱器熱風吹掃防堵控制技術探析

劉 康

（邢臺國泰發電有限責任公司，河北 邢臺054000）

隨著環保要求的提高，火力發電廠的電站鍋爐需要進行脫硝設備改造，脫硝設備一般采用氨作為脫硝反應劑，采用催化劑加速煙氣中的S 和NH3進行反應，為了保證脫硝效率，一般采用過量噴氨的方式，這就產生了過量的氨逃逸，逃逸的氨和鍋爐煙氣中的硫酸物質反應生成硫酸氫銨，在146~207℃范圍內，硫酸氫銨一般為液態物質，此溫度區域正處于鍋爐回轉式空氣預熱器（以下簡稱空預器）換熱元件部位，換熱元件由密密麻麻的波紋板軋制而成，而液態的硫酸氫氨容易沾附鍋爐煙氣中的飛灰形成粘性易堵物質，該易堵物質會沾附在換熱元件波紋板上，逐漸累積板結，形成頑固積灰導致回轉式空預器的堵塞。此外SCR 脫硝裝置隨著脫硝催化劑的老化，會致使氨逃逸率升高，同樣會引起鍋爐尾部空氣預熱器設備的堵塞，給電廠的安全運行帶來影響。

1 空預器脫硝堵塞問題的原因

空預器堵塞在我國火電機組中不是一個新問題，與煙氣里的SO3關系很大。我國燃煤電站裝機容量較大，電站鍋爐燃用煤質中含硫量0.3%~6%不等，燃煤在鍋爐內燃燒過程中會產生SO3，所產生的SO3的量可以從低硫煤的幾個ppm 到高硫煤的30~40ppm，甚至更高，圖1 為某電廠實測的爐膛出口SO3濃度與燃煤含硫量的關系，煤種的含硫量越高，則SO3的生成量也越大。

圖1 燃煤含硫量與生成SO3 量關系

同時，受環保標準控制，許多燃煤電廠安裝了SCR系統，用于對燃燒產生的NOx進行脫除以滿足環保標準對NOx排放濃度的要求。SCR 技術的投用也會增加煙氣中SO3的總量，催化劑催化NOx與NH3（氨）反應被還原成氮氣和水的同時，一小部分的SO2會被氧化成為SO3。由于脫硝裝置所采用的催化劑不同，所以SO2被氧化的比例在0.4%~2.2%范圍內變化。同樣，SO3的產生也和催化劑相關，根據美國燃煤火電廠國家實驗室數據來看，鍋爐煙氣中產生的SO2大約有2%會被繼續氧化生成SO3，而易于氧化的催化劑會使SO3的生成量加倍提高。圖2所示為煙氣流動過程中SO3的形成過程。

圖2 煙氣流動過程中SO3 的形成過程

煙氣中的SO3是導致空預器堵塞的主要原因，SO3和煙氣中的H2O 結合生成硫酸，硫酸進一步和逃逸的氨結合生成硫酸氫氨，這兩種物質在空預器中均呈現液態，易吸附飛灰，沾污空預器換熱元件波紋板，其生成反應分為以下兩類。

（1）SO3和煙氣中的H2O 蒸汽生成H2SO4，當空預器冷端換熱元件金屬溫度低于煙氣中H2SO4的露點溫度，就會出現了硫酸（H2SO4）結露的情況，結露的硫酸一方面腐蝕空預器蓄熱元件，使其不再光滑，容易沾灰；另一方面結露的硫酸呈液態附著在壁面上，使沾灰的情況加劇，造成空預器堵塞。針對這項問題，主機廠家經驗較為豐富，在設計時已有考慮，一方面通過設計煤質計算煙氣酸露點，通過換熱計算控制煙氣溫度高于酸露點之上，同時配有暖風器，在風溫較低時提升煙溫避免出現結露的情況；另一方面新建機組或近期改造空預器冷段多采用鍍搪瓷蓄熱元件，避免硫酸（H2SO4）結露后出現的腐蝕和沾灰的情況。硫酸（H2SO4）結露這種原因造成的空預器堵塞問題已基本被現有技術解決了。

（2）煙氣中SO3在生成硫酸后，硫酸進一步和脫硝裝置逃逸的氨進行反應，生成硫酸氫氨（NH4HSO4，或稱ABS）。另一種因SO3造成的堵塞就和ABS 有關，它是SO3與NH3反應生成的，這種形式的空預器堵塞在燃煤電廠進行脫硝改造后才大范圍出現。如前面所述，為實現達標排放，降低NOx濃度，許多燃煤電廠裝設了SCR 系統，由于流場不均勻、反應不充分等原因，SCR 系統的氨（NH3）逃逸是無法避免的，因此SCR 后煙氣中SO3和NH3是同時存在的，在不同的溫度區間和不同的濃度分布情況下可能存在的反應如下：

由反應式（1）~（5）可知，SO3和NH3反應生成物主要有兩種：硫酸銨（（NH4）2SO4，或稱AS） 和硫酸氫銨（NH4HSO4），主要取決于NH3/SO3摩爾比。當NH3/SO3摩爾比大于2.2 時，主要生成硫酸銨物質，在空預器的運行溫度較高時，硫酸銨為干燥固體粉末，粉末可以隨煙氣直接帶走，這對空預器影響很小，而隨著運行溫度的降低，生成的硫酸氫氨呈現液態，液態硫酸氫銨是一種粘性很強的物質，很容易在空預器沉積，它易于沾附鍋爐煙氣中的飛灰，形成粘結物，粘結物進而沾污空預器蓄熱元件波紋板，逐層板結后形成頑固積灰，使空預器排煙溫度升高，阻力升高（最高可升至近4000Pa）造成空預器堵塞。目前設計要求是將氨逃逸控制在2~3ppm 以內，而燃燒生成加上SCR 催化后煙氣中SO3的濃度普遍在10ppm 以上，因此SO3和NH3反應生成物多為硫酸氫銨（NH4HSO4）。圖3 為NH3/SO3摩爾比對硫酸氫銨和硫酸銨形成的影響。

圖3 NH3/SO3 摩爾比對硫酸氫銨和硫酸銨形成的影響

逃逸的氨和煙氣中的三氧化硫反應生成硫酸氫銨，硫酸氫銨在146~207℃范圍內呈現液態，液態硫酸氫銨會粘結煙氣中的飛灰，沾污在空預器中下層元件處（如圖4 所示），空預器在運行一段時間后極易發生堵塞，目前國內機組的實際使用情況表明，對于堵塞的空預器，在線很難將堵塞物完全清除（如圖5 所示），只能停爐清洗。在線主要依靠加強吹灰參數、吹灰頻率的措施來控制空預器阻力，這將引起送引風機電流升高，排煙溫度升高，漏風率升高，嚴重時影響機組帶負荷，所以空預器防堵問題是目前國內機組普遍存在并急需解決的嚴重問題。

圖4 傳熱元件層邊緣積灰效應

圖5 冷端蓄熱元件堵灰情況

2 熱風清洗技術原理

硫酸氫銨是一種酸式鹽，是一種離子化合物，由硫酸氫根離子和銨根離子組成，英文名稱：Ammonium Hydrogen Sulfate。分子式：NH4HSO4，分子量：115.10。理化性質：白色結晶，相對密度1.78，溶于水，微溶于乙醇，不溶于丙酮。硫酸氫銨：NH4HSO4，是酸式鹽，水溶液強酸性。硫酸氫銨受熱易分解的化學方程式：溫度不太高時，硫酸氫銨受熱分解為：NH3，H2SO4（若高溫400℃以上，H2SO4則分解為SO3和H2O）。所以硫酸氫銨受熱：NH4HSO4→加熱（200℃左右）→NH3H2SO4。

技術原理為：利用液態硫酸氫氨受熱易分解的特性，通過熱風清洗管道將空預器出口熱一次風引出，經調節門調整至合適流量后從空預器二次風冷端引入，在空預器冷端二次風側新增一塊隔離扇形板，利用該隔離扇形板和空預器二次風側與煙氣側之間的主扇形板形成清洗風倉，將熱一次風引入該風倉內，利用一次風和二次風之間的壓力差作為動力進行循環，不需要新增風機設備，使熱風從下往上逆流吹掃空預器換熱元件波紋板。利用熱風的高溫使該清洗分倉內的溫度場迅速提高，蒸發清洗分倉內的液態硫酸氫氨，同時利用熱風的高流速對空預器換熱元件波紋板上攜帶的飛灰進行24 小時不間斷地沖刷吹掃。通過蒸發液態硫酸氫氨和吹掃浮灰，實現防止空預器堵塞的效果。

3 熱風清洗技術應用方案

總體技術方案為：利用一次風和二次風之間的壓力差作為循環動力，在空預器冷端二次風側新增隔離桁架和隔離扇形板，形成一個2.5°的清洗分倉，然后在空預器出口的熱一次風管道上抽取熱風，通過管道引入清洗分倉內，提高清洗分倉內的溫度到230℃（硫酸氫銨液態結露溫度為207℃，設計考慮23℃的溫度余量），使液態硫酸氫氨受熱分解，空預器熱端部位的殼體、桁架、扇形板、煙風道接口等設備均無需改造。可以利用一次風和二次風之間的壓力差作為循環動力，因此不需要增設風機設備。其設備布置如圖6 所示。

圖6 設備布置圖

以空預器旋轉方向為煙氣→二次風→一次風為例，換熱元件波紋板在空預器煙氣側受熱，當換熱元件轉入二次風側時，金屬波紋板被冷風冷卻，波紋板上附著的液態硫酸氫氨和飛灰等易堵物會沾污波紋板更牢靠，逐步形成板結物。圖7 為實測的煙氣倉內空預器換熱片溫度分布。

圖7 空預器煙氣分倉內換熱片溫度分布

由圖7 可知，當空預器加熱完冷風重新返回煙氣倉時溫度是最低的，此時較低的溫度極易導致硫酸氫銨的凝結，高粘度的液態ABS 極易粘附煙氣中的飛灰，沾有飛灰的粘性混合物隨煙氣進入下游低溫區時，使ABS 凝結成堅硬的固體附著在壁面無法被吹走從而造成堵塞，溫度越低ABS 凝固速度越快，因此越靠近空預器出口，固體堵塞物越多，空預器堵塞越嚴重。

利用液態硫酸氫氨受熱會分解的特性，將熱一次風引至空預器冷端，在冷端二次風側新增一個隔離清洗分倉，利用熱風逆向加熱蓄熱元件波紋板，這樣一方面高溫熱風可使液態的硫酸氫氨受熱分解，使堵塞物分解，另一方面還可以利用熱風的高流速（比常規流速高4~6 倍）將清洗分倉內的堵塞物吹離空預器。徹底解決堵塞物對空預器的影響，可有效解決空預器換熱面腐蝕及堵塞的問題。

以300MW 工程預熱器為例，初步計算如下：

空氣預熱器型號為29-VI（T）-QMR，立式倒置，三分式，一次風開口50°、逆轉，36 分倉空氣預熱器，雙密封結構。

計算方法：回轉式預熱器基本上采用計算機有限單元法數值計算，這種算法能輸出全轉子金屬和流體溫度場，計算精度遠高于傳統的計算傳熱系數方式的整體算法。本算法1983 年由美籍華人Li Chung-Hsiung 提出。目前這種算法已為各主要預熱器制造商廣泛采用，并已完成程序化，我國各預熱器廠家引進的計算程序中也采用此算法。

對每個分倉中的每段蓄熱元件（物理參數不同）細分為一定數量的單元層（用i 表示，沿流體方向遞增編號），在回轉方向每個倉中都劃分為一定數量的單元列（用j表示，沿轉子轉向編號）。微元層數和微元列數量范圍一般為5~25 個。考慮計算方便，便于理解，通常將各煙氣和空氣分倉的某一段元件劃分為一個獨立的“大計算單元”，在這些“大計算單元”中，蓄熱元件的幾何參數相同，流體的屬性參數為簡化計算，取用該段內部積分加權平均值。這樣的“大計算單元”如圖8 所示。對設有三段元件的四分倉預熱器，這樣的“大計算單元”共有3（段）×4（分倉）＝12 個。從預熱器結構來看，在一個“大計算單元”內部的換熱單元體可以理解為一個“楔型”物體，如圖9所示。

圖8 大計算單元

圖9 楔形換熱單元

以75%THA 工況，按照單臺預熱器，輸出其溫度場示意圖如圖10 所示。

需要改造的設備：

空預器熱端不需做任何改造。

圖10 溫度場計算示意圖

在空預器冷端二次風側新增隔離桁架、隔離扇形板、隔離出清洗分倉，從熱一次風管道引風進去清洗分倉內，在管道上增設插板門，調節擋板門，新增相關就地壓力表、溫度計、流量計等熱控設備。

4 結束語

通過以上分析和論述，介紹一種熱風吹掃防堵控制新結構。對于防止空預器的堵塞，對目前國內電廠常見的空預器堵塞問題，提出一種新型有效的解決方案。