空氣預熱器硫酸氫銨積灰特性實驗研究

單鑫晨，雷健康，趙伶玲

(東南大學 能源與環境學院，南京 210096)

機組深度調峰后，空預器ABS積灰堵塞問題更加突出，不少機組空預器清洗后運行不到3個月，就會出現嚴重的空預器阻力上升、引風機搶風失速，甚至引發機組主燃料跳閘(MFT)。而目前火電機組的引風機多采用軸流式風機，這類風機在流量小、阻力大的工況下，特別容易超出駝峰曲線的安全區。深度調峰低負荷工況下，由于系統煙氣流量小，空預器阻力上升會引起風機失速、搶風、喘振，嚴重威脅機組運行的安全性[4-5]。

筆者搭建小型模擬空預器實驗臺，配制不同ABS-飛灰質量比的實驗灰樣，分析ABS黏結性積灰的沉積特性(簡稱積灰特性)，研究煙氣溫度、煙氣流速、飛灰顆粒粒徑、ABS-飛灰質量比等參數對空預器蓄熱板表面積灰特性的影響，可為空預器積灰預測和現場運行提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗設備

為研究ABS在空預器蓄熱板上的積灰特性，自主設計并搭建了小型模擬空預器實驗臺(見圖1和圖2)。熱風槍產生的熱空氣與配制好的實驗灰樣充分混合形成模擬煙氣；模擬煙氣進入實驗段，灰分在蓄熱板(見圖3)表面沉積，其中含有ABS的飛灰會黏結在蓄熱板表面。實驗結束后，對蓄熱板表面沉積的飛灰顆粒進行采集和數據處理。

1—熱風槍；2—球閥；3—注灰器；4—蓄熱板段；5—測溫計；6—數據采集卡；7—計算機；8—灰樣收集裝置。

圖2 小型模擬空預器實驗臺實物圖

圖3 蓄熱板

主要實驗設備介紹如下：

(1)熱風槍。2 800 W大功率數顯熱風槍，溫度和風量均可調，溫度為60～600 ℃，風體積流量為300～600 L/min。

(2)注灰器。實驗采用大容量手推式注射器和小型漏斗的組合作為注灰器，最大容量為500 mL，出灰口直徑為5 mm。

考慮到ε≈vt/cp,cp為巖石介質中的縱波速度，依據流體彈塑性內摩擦侵徹理論,可以得到不同的巖石粒子速度下，巖石介質侵徹的阻抗函數[3，11]為

(3)測溫計。實驗采用了快速測溫計，搭載高精度熱敏傳感器，測溫精度為0.1 K，測溫范圍為-50～300 ℃。

(4)蓄熱板積灰段。積灰段的外殼為定制的長方體密閉鋼殼，尺寸為1 000 mm(長)×200 mm(寬)×10 mm(高)。

1.2 飛灰特性分析

對采集的飛灰分別進行了X射線熒光光譜分析(XRF)和粒徑分布測試，以進一步探究所采集飛灰的特性，結果見表1。從表1可以看出：飛灰中含有大量的氧化物，SiO2和Al2O3分別占到氧化物總量的46.41%和43.23%，其他氧化物含量總占比為10.36%。高溫下ABS液化(ABS的液化溫度為220～493 K，空預器的運行溫度為313～393 K)，會與金屬氧化物發生化學反應，主要化學反應式為：

表1 飛灰XRF測試結果

Al2(SO4)3+3(NH4)2SO4+3H2O

(1)

1.3 數據處理

1.3.1 ABS黏附率

定義ABS黏附率為沉積在蓄熱板表面的ABS黏結性積灰質量與總積灰質量之比，其計算表達式為：

(2)

式中：I為ABS黏附率；m1為表面清潔的蓄熱板質量；m2為實驗結束后，總積灰質量和蓄熱板質量之和；m3為清理掉松散性積灰后，ABS黏結性積灰質量和蓄熱板質量之和。

1.3.2 顆粒粒徑分布

通過飛灰顆粒粒徑分布可以研究ABS與飛灰顆粒的黏附機制。采用8411電動振篩機進行粒徑的篩分，配備的標準套篩尺寸分別為150目(對應飛灰顆粒粒徑為100 μm)、200目(對應飛灰顆粒粒徑為76 μm)、300目(對應飛灰顆粒粒徑為54 μm)、500目(對應飛灰顆粒粒徑為30.8 μm)。實驗表明，當飛灰質量小于100 g時，最佳篩分時間為10～15 min。由于每次實驗沉積的飛灰質量較少，因此將相同實驗條件下A板和B板表面的飛灰均勻混合后進行粒徑分布的測量。取80 g待篩分灰樣，進行15 min的篩分，以達到最好的篩分效果。

1.3.3 積灰強度

定義積灰強度為單位面積上的蓄熱板表面沉積的飛灰顆粒的質量。通過積灰強度可以表征積灰的嚴重程度，其計算表達式為：

(3)

式中：O為積灰強度；A為蓄熱板面積。

2 積灰特性影響分析

分別對蓄熱板A板和B板表面積灰特性進行研究，從煙氣溫度、煙氣流速、ABS-飛灰質量比、飛灰顆粒粒徑分布4個方面開展了實驗研究。

2.1 溫度的影響

在溫度為493 K、流速為8 m/s、ABS-飛灰質量比為1/25的條件下，實驗所得A板和B板表面的總積灰圖和ABS積灰圖見圖4。由圖4(a)、圖4(c)可以看出：蓄熱板表面幾乎完全被飛灰顆粒覆蓋，在波紋的“凹谷”處積灰較多，而在波紋的“凸峰”處積灰較少。由圖4(b)、圖4(d)可以看出：ABS積灰主要出現在蓄熱板波紋的“凹谷”處。ABS積灰顆粒粒徑較大，并且能夠黏結在蓄熱板表面，這是由于液態的ABS具有強黏性，黏結周圍的飛灰顆粒，并附著在蓄熱板表面，從而形成了較難清除的ABS黏結性積灰。

圖4 蓄熱板表面積灰局部放大圖

在流速為8 m/s、ABS-飛灰質量比為1/25條件下，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率隨溫度變化的曲線見圖5。由圖5可以看出：隨著溫度的升高，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率均先增大后減小。當溫度為393 K時，A板和B板的ABS黏附率均為0；此時，ABS不具有黏性，無法黏結飛灰產生ABS積灰。當溫度為493 K時，A板和B板的ABS黏附率均達到峰值，分別為31.7%和27.9%；此時ABS完全液化，ABS黏附在蓄熱板表面并吸附周圍的飛灰顆粒從而產生ABS黏結性積灰，而該溫度也是造成空預器蓄熱板ABS嚴重積灰堵塞的溫度點。因此，煙氣中液態ABS的存在是造成空預器積灰堵塞的關鍵原因，運行中調控煙氣溫度是減輕空預器ABS積灰堵塞的一種有效方法。

圖5 ABS黏附率隨溫度變化的曲線

2.2 流速的影響

不同流速下蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率變化曲線見圖6(溫度為493 K，ABS-飛灰質量比為1/25)。由圖6可以看出：隨著流速的減小，蓄熱板A板和B板表面的ABS黏附率均有所增大，分別增大了18.7%和23.4%，這說明流速對ABS黏附率的影響較大。主要原因為流速的變化導致ABS液化的可能性發生變化，流速越低，ABS液化的可能性越大，導致蓄熱板表面ABS黏附率也越大。此外，相同流速下，A板表面ABS黏附率略大于B板。

圖6 ABS黏附率隨流速變化的曲線

分析圖6中不同流速下ABS黏附率的變化率可知：隨著流速的減小，蓄熱板A板和B板ABS黏附率的增長率均增大，A板ABS黏附率的增長率由2.7%增長到12.2%，B板ABS黏附率的增長率由7.3%增長到11.3%，B板ABS黏附率的增長率變化比A板小。這是由于流速減小，總積灰強度大幅增加，沉積在蓄熱板表面的飛灰在ABS液化(主要與溫度相關)的條件下更容易積聚在一起，從而更容易產生ABS積灰，ABS黏附率及其增長率也因此有所增大。

2.3 ABS-飛灰質量比的影響

圖7為不同ABS-飛灰質量比下蓄熱板A板表面ABS積灰實驗結果(ABS-飛灰質量比為0時表明無ABS)。由圖7可以看出：隨著ABS-飛灰質量比的減小，蓄熱板表面的ABS積灰量明顯減少，ABS積灰區域也相應減小；當ABS-飛灰質量比為1/150時，ABS積灰在蓄熱板表面呈現斑狀；當ABS-飛灰質量比為0時，蓄熱板表面光滑，不存在ABS積灰。

圖7 不同ABS-飛灰質量比下A板表面ABS積灰放大圖

不同ABS-飛灰質量比下，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率變化的曲線見圖8。由圖8可以看出：隨著ABS-飛灰質量比的減小，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率均逐漸減小。當ABS-飛灰質量比為0時，A板和B板表面ABS黏附率均減小至0，其中A板ABS黏附率從31.7%減小為0，B板ABS黏附率從27.9%減小至0。這是由于隨著ABS-飛灰質量比的減小，飛灰中ABS含量減少，因此其黏附率也會降低。此外，相同ABS-飛灰質量比下，A板表面的總積灰強度和ABS積灰強度均比B板大，而A板的ABS黏附率也都大于B板。這說明積灰強度會影響ABS黏附率的變化，積灰強度越大，ABS黏附率也會相應增大。綜上可知，飛灰中液態ABS的含量直接關系到ABS黏附率和ABS積灰強度。因此，可以從源頭減少ABS的生成量，以預防或減輕空預器ABS積灰堵塞。

圖8 ABS黏附率隨ABS-飛灰質量比變化的曲線

2.4 飛灰顆粒粒徑的影響

不同顆粒粒徑下蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率變化的曲線見圖9。由圖9可以看出：隨著飛灰顆粒粒徑的增大，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率均逐漸降低，并且B板表面ABS黏附率比A板降低得更快。當飛灰顆粒粒徑<30.8 μm時，ABS黏附率接近60%；而當飛灰顆粒粒徑≥100 μm時，A板和B板ABS飛灰顆粒黏附率分別降低了約43.9百分點和49.6百分點。主要原因為飛灰顆粒粒徑較小時，其相互作用力較大，并且顆粒之間接觸面積大，團聚效果更強，在ABS的黏性作用下更容易黏附在蓄熱板表面。小粒徑的飛灰顆粒ABS黏附率更高；飛灰顆粒較大時，顆粒之間距離大，分子間作用力小，導致其積灰層松散，難以黏附在蓄熱板表面。因此，相比于小粒徑的飛灰顆粒，大粒徑的飛灰顆粒ABS黏附率低很多。

圖9 ABS黏附率隨顆粒粒徑變化的曲線

此外，對不同溫度下蓄熱板表面飛灰顆粒進行了粒徑分布測試，結果見圖10。由圖10可以看出：當溫度小于418 K或大于493 K時，30.8～<54 μm的飛灰顆粒質量分數最大；當溫度為418～493 K時，54～<76 μm的飛灰顆粒質量分數最大；溫度為493 K時，54～<76 μm的飛灰顆粒質量分數達到43.8%。這說明隨著ABS的逐漸液化，其黏附飛灰顆粒的能力逐漸增強，造成飛灰顆粒的粒徑逐漸增大；當溫度達到493 K時，ABS黏附率最大，此時飛灰顆粒的粒徑也隨之增大。

圖10 不同溫度下蓄熱板表面飛灰顆粒粒徑分布

3 結語

通過研究，可得出以下結論：

(1)煙氣溫度是引起空預器蓄熱板ABS積灰堵塞的重要原因，在本實驗條件下，隨著煙氣溫度的升高，蓄熱板表面ABS黏附率先增大后減小，在493 K時黏附率達到峰值。

(2)隨著煙氣流速的減小，空預器蓄熱板A板和B板ABS黏附率的增長率均增大，總積灰強度大幅增加，沉積在蓄熱板表面的飛灰在ABS液化的條件下更容易積聚在一起，更易產生ABS積灰。

(3)飛灰中液態ABS的含量直接關系到ABS黏附率，大粒徑飛灰顆粒的ABS黏附率比小粒徑飛灰顆粒的ABS黏附率低。