超臨界循環(huán)流化床鍋爐管式空預(yù)器低溫腐蝕原因分析和改造治理

李 洋

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華中電力試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 前言

某電廠裝機(jī)兩臺(tái)350MW 循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組，機(jī)組脫硫工藝為爐內(nèi)干法脫硫搭配爐外煙氣半干法脫硫。該機(jī)組目前存在空預(yù)器漏風(fēng)率偏大，積灰嚴(yán)重，進(jìn)而造成空預(yù)器堵塞的問題，影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為解決此難題，該文擬針對(duì)該廠1 號(hào)機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)研究，旨在發(fā)現(xiàn)空預(yù)器漏風(fēng)大的原因，并提出改造措施。

1 設(shè)備概述

某電廠裝機(jī)兩臺(tái)350MW 循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐股份有限公司自主開發(fā)和制造的，型號(hào)為DG1150/25.4-Ⅱ1 型超臨界循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計(jì)布置一次中間再熱型直流鍋爐。鍋爐緊身封閉，采取平衡通風(fēng)和固態(tài)排渣，優(yōu)化結(jié)構(gòu)為全鋼架懸吊、爐頂設(shè)計(jì)安裝成輕型金屬屋蓋?？疹A(yù)器采用臥式順列四回程布置，管式空預(yù)器結(jié)構(gòu)，空氣在管內(nèi)流動(dòng)，煙氣在管外流動(dòng)。鍋爐設(shè)計(jì)燃用的煤種為煙煤，低熱值，煤種化學(xué)分析為高揮發(fā)分和高灰分?？疹A(yù)器漏風(fēng)率為投產(chǎn)一年不高于1%，投產(chǎn)一年后不高于3%。

2 空預(yù)器運(yùn)行現(xiàn)狀診斷

該電廠自2016 年投運(yùn)以來，空預(yù)器漏風(fēng)逐年增大，至2020年1號(hào)鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)大的問題已經(jīng)影響機(jī)組正常帶負(fù)荷。由于風(fēng)機(jī)出力不足，機(jī)組被迫低風(fēng)量、低床壓運(yùn)行，導(dǎo)致床溫升高，引起爐內(nèi)結(jié)焦及脫硫效率下降。并且由于空預(yù)器積灰嚴(yán)重，在蒸汽吹灰過程中多次出現(xiàn)負(fù)壓大幅波動(dòng)的現(xiàn)象，振幅達(dá)到±1000Pa，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行安全的同時(shí)也降低了經(jīng)濟(jì)性。

針對(duì)此問題，該文在空預(yù)器進(jìn)、出口煙道截面上按照網(wǎng)格法對(duì)氧量和排煙溫度進(jìn)行了多點(diǎn)測(cè)試。試驗(yàn)煤質(zhì)見表1，1 號(hào)鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)率和排煙溫度見表2。從表2 可以看出，在不同負(fù)荷下，該機(jī)組的空預(yù)器漏風(fēng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值，左側(cè)空預(yù)器的漏風(fēng)大于右側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)。不同負(fù)荷下，左側(cè)排煙溫度均低于右側(cè)排煙溫度，側(cè)面論證了左側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)偏大，并且左側(cè)排煙溫度為100℃～110℃，右側(cè)排煙溫度為125℃～155℃。清華大學(xué)李鵬飛將目前國(guó)內(nèi)外各種計(jì)算酸露點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了比較和分析，提出了對(duì)前蘇聯(lián)1973年《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》中酸露點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式的修正公式[1]，結(jié)合表1 中的煤質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算出該煤質(zhì)下的酸露點(diǎn)為117.2℃，具體如公式（1）所示。左側(cè)排煙溫度區(qū)間已低于酸露點(diǎn)，右側(cè)排煙溫度區(qū)間雖然高于酸露點(diǎn)，但測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)右側(cè)空預(yù)器出口煙道斷面上存在單個(gè)點(diǎn)低于酸露點(diǎn)的區(qū)域。

式中：?h為飛灰份額；Ax為燃料折算灰分；tld為純水蒸汽露點(diǎn)溫度；Sx為燃料折算硫分；β為與爐膛出口的過量空氣系數(shù)α有關(guān)的系數(shù)。α=1.2 時(shí)，β=121，α=1.4～1.5 時(shí)，β=129，標(biāo)準(zhǔn)一般取125。

由水蒸氣表查取或者按照如公式（2）所示。

式中：θHO2為煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)，%；Sx 為燃料折算六分，kg/kJ。

Sx 如公式（3）所示，Ax 如公式（4）所示。

式中：Sar、Aar分別為燃料的收到基硫分，灰分，%；Qnet.ar為燃料收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg。

3 空預(yù)器漏風(fēng)率高的原因分析

3.1 空預(yù)器運(yùn)行環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期處于低溫腐蝕環(huán)境下

空預(yù)器的低溫腐蝕機(jī)理主要是燃料中的硫元素在燃燒過程中與O2反應(yīng)生成SO2，SO2在爐內(nèi)高溫區(qū)域下又被氧化為SO3。煙氣中的SO3在低溫區(qū)域開始與水蒸氣反應(yīng)生成硫酸蒸汽。當(dāng)空預(yù)器低溫段的溫度低于煙氣中的酸露點(diǎn)時(shí)，硫酸蒸汽開始在空預(yù)器低溫管壁上凝結(jié)并附著在低溫管壁上，造成嚴(yán)重腐蝕。目前該廠末級(jí)空預(yù)器存在煙氣溫度低于酸露點(diǎn)的現(xiàn)象，水蒸氣和液化的硫酸附著在管壁上，具有極強(qiáng)的黏灰性，大量灰塵開始附著在管壁上，影響了受熱面管壁的換熱能力。管壁溫度進(jìn)一步降低，又反過來加劇了硫酸蒸汽的凝結(jié)。長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕造成空預(yù)器受熱面管壁穿孔、漏風(fēng)，又進(jìn)一步降低了該區(qū)域內(nèi)的煙氣溫度，三種影響迭代反應(yīng)最終導(dǎo)致空預(yù)器漏風(fēng)率逐年增大[2-3]。

3.2 脫硝系統(tǒng)氨逃逸增加

該廠機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大，并且SNCR 系統(tǒng)脫銷反應(yīng)比較滯后，自動(dòng)控制系統(tǒng)無法滿足機(jī)組超低排放的要求，需要采用人工調(diào)整。在NOx排放較大的情況下，往往存在過量噴氨的情況，導(dǎo)致瞬時(shí)氨逃逸增大。逃逸的氨與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫氨。硫酸氫氨隨煙氣進(jìn)入空預(yù)器低溫段后，由于煙氣溫度下降，硫酸氫氨開始轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。液態(tài)的硫酸氫氨具有極強(qiáng)的黏污性，附著在空預(yù)器管壁上，造成空預(yù)器冷端積鹽、積灰、結(jié)垢、腐蝕[4-5]，加劇了空預(yù)器漏風(fēng)。

3.3 末級(jí)空預(yù)器管材耐蝕性差

空預(yù)器低溫段管壁材質(zhì)選用考登鋼G355GHN，該類鋼材換熱性能良好，造價(jià)低廉，但耐蝕性較差，經(jīng)過煙氣沖刷磨損后，表面比較粗糙，煙氣中液化的硫酸和硫酸氫氨更易黏附在管壁上，引起腐蝕、積灰，縮短了管材使用時(shí)間。機(jī)組經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，部分煙氣流速較低的區(qū)域積灰較重，形成煙氣走廊，加劇了管壁沖刷、黏灰和腐蝕[6]。

4 空預(yù)器改造措施

4.1 空預(yù)器管材更換

該文利用該廠1 號(hào)機(jī)組停機(jī)檢修期間，對(duì)空預(yù)器內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)左、右側(cè)末級(jí)空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)換熱管破損、腐蝕較為嚴(yán)重。改造措施為將破損和腐蝕嚴(yán)重的換熱管更換為耐腐蝕性更強(qiáng)的搪瓷管。搪瓷管表面光滑，具有更強(qiáng)的抗黏附性，且易于清理，更適用于末級(jí)空預(yù)器的低溫環(huán)境。末級(jí)空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)由4 個(gè)管箱構(gòu)成，每個(gè)管箱有1536 根換熱管。本次改造將左、右側(cè)末級(jí)空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)2 號(hào)和3 號(hào)管箱換熱管全部進(jìn)行了更換，總計(jì)更換換熱管6144 根，換管比例達(dá)到50%。

4.2 SNCR 噴氨優(yōu)化調(diào)整

機(jī)組開機(jī)后對(duì)SNCR 進(jìn)行了噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。通過測(cè)試不同負(fù)荷下反應(yīng)器進(jìn)、出口截面的NOx和O2的濃度分布和出口界面的氨濃度值，判斷SNCR 反應(yīng)器進(jìn)、出口截面的NOx濃度分布均勻性。并對(duì)噴氨手動(dòng)調(diào)門進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，降低氨逃逸濃度，并優(yōu)化自動(dòng)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)噴氨自動(dòng)控制。

5 空預(yù)器改造后效果

該廠將左、右側(cè)末級(jí)空預(yù)器腐蝕、破損的換熱管更換為搪瓷管材后，再次對(duì)機(jī)組進(jìn)行空預(yù)器漏風(fēng)測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，改造后，機(jī)組不同負(fù)荷下的空預(yù)器漏風(fēng)率由20%～35%下降至5%～7%。改造前后空預(yù)器漏風(fēng)率對(duì)例如圖1 所示。左、右側(cè)排煙溫度分別比改造前提高了20℃、10℃，寬負(fù)荷下排煙溫度均高于煙氣中的酸露點(diǎn)溫度，有效抑制了低溫腐蝕環(huán)境的生成。改造前后排煙溫度對(duì)例如圖2 所示?？疹A(yù)器改造后，在機(jī)組滿負(fù)荷工況下風(fēng)機(jī)電流下降明顯，A、B 一次風(fēng)機(jī)比改造前分別下降了30.7A、23.6A；A、B 送風(fēng)機(jī)比改造前分別下降了16.8A、4A；A、B 引風(fēng)機(jī)比改造前下降了82.4A、64.31A，解決了改造前因風(fēng)機(jī)裕量不足而制約機(jī)組帶負(fù)荷的技術(shù)難題。改造前后各風(fēng)機(jī)電流對(duì)例如圖3 所示。

圖1 改造前后空預(yù)器漏風(fēng)率對(duì)比

圖2 改造前后排煙溫度對(duì)比

圖3 機(jī)組350MW 負(fù)荷下改造前后風(fēng)機(jī)電流對(duì)比

噴氨優(yōu)化調(diào)整前，機(jī)組在350MW 負(fù)荷下，實(shí)測(cè)SNCR入口NOx平均濃度為252mg/m3，出口NOx平均濃度為42mg/m3，平均脫硝效率為83.5%。ST-00工況下反應(yīng)器入口NOx濃度分布相對(duì)比較均勻。此時(shí)，SNCR 反應(yīng)器出口NOx濃度分布均勻性較差，氨逃逸濃度最高達(dá)8.63μL/L（6%O2）。SNCR 進(jìn)、出口NOx 濃度分布分別如圖4 和圖5 所示。

根據(jù)摸底測(cè)試測(cè)得SNCR 出口NOx濃度分布結(jié)果，對(duì)噴氨不同支管的手動(dòng)閥門開度進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)節(jié)。經(jīng)多輪噴氨調(diào)整后，反應(yīng)器出口NOx濃度分布結(jié)果如圖5 所示。

對(duì)照反應(yīng)器出口NOx濃度分布圖（圖4～圖5），反應(yīng)器出口截面NOx分布均勻性得到明顯改善，并趨于穩(wěn)定。反應(yīng)器各側(cè)出口NOx濃度分布CV 值均小于30%，氨逃逸濃度最高降至2.03μL/L（6%O2），達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖4 ST 調(diào)整前反應(yīng)器出口NOx 濃度分布

圖5 調(diào)整后反應(yīng)器出口NOx 濃度分布

6 結(jié)論

該文通過對(duì)某電廠機(jī)組鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)理論分析，并針對(duì)空預(yù)器漏風(fēng)問題進(jìn)行試驗(yàn)研究，查找出造成空預(yù)器漏風(fēng)偏大的原因，進(jìn)行了技術(shù)改造，結(jié)論如下：1）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該廠的空預(yù)器左、右兩側(cè)漏風(fēng)均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，排煙溫度偏低，部分區(qū)域排煙溫度以低于酸露點(diǎn)運(yùn)行，造成空預(yù)器管材腐蝕加劇。2）通過空預(yù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出造成空預(yù)器漏風(fēng)大的原因?yàn)榭疹A(yù)器低溫段材質(zhì)為考登鋼，耐蝕性較差，且SNCR 脫硝裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)難以滿足運(yùn)行需要，手動(dòng)噴氨造成氨逃逸超標(biāo)，加劇生成硫酸氫氨。最終在低溫腐蝕、硫酸氫氨積灰積鹽腐蝕、煙氣沖刷的三重影響下，空預(yù)器長(zhǎng)期運(yùn)行，漏風(fēng)率逐年增大。3）通過噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，使SNCR 出口煙道NOx分布濃度更均勻，氨逃逸濃度也降低至3.00μL/L 以內(nèi)，降低了硫酸氫氨生成量，減少了因硫酸氫氨沉積造成空預(yù)器積灰積鹽腐蝕的長(zhǎng)期影響。4）通過技術(shù)改造，將末級(jí)空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)腐蝕、破損的換熱管全部更換為抗腐蝕、抗黏附性更強(qiáng)的搪瓷管，直接降低了空預(yù)器漏風(fēng)率，風(fēng)機(jī)電流下降，提高了機(jī)組的帶負(fù)荷能力，排煙溫度上升至酸露點(diǎn)以上，抑制了了低溫腐蝕環(huán)境的生成。機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性均得到了保障。