鍋爐管式空預器積灰堵塞分析及在線清灰裝置使用效果驗證

南通江山新能科技有限公司 樸明龍 孫嘉成

1 設備基本情況

該廠本次改造的5#鍋爐為無錫鍋爐廠制造的UG-130/5.3-M8型次高溫次高壓循環流化床鍋爐，單鍋筒橫置式、單爐膛、自然循環、全懸吊結構、全鋼架π型布置。在省煤器后布置6組空氣預熱器，分別加熱一次風和二次風，采用臥式順列布置，每組之間均留有檢修空間。每級空氣預熱器管子迎風面第一排及兩側各一根管子采用φ42×3.5的厚壁管，其余管束尺寸為φ40×1.5。每級空預器及相應的聯通箱均采用全焊接的密封框架，以確保空預器的嚴密性。末級低溫段空預器管子采用考登管。

2017年，由于環保要求對鍋爐進行了脫硝系統改造，增加了SCR脫硝系統。改造后由于噴入氨水量控制不當，冷段空預器開始出現腐蝕、積灰、堵塞等問題，嚴重影響鍋爐穩定運行，最嚴重時鍋爐只運行45天就因空預器積灰堵塞而被迫停爐。為解決以上問題提高鍋爐運行周期，2020年對鍋爐空預器管箱進行整體更新改造，將空預器管材由考登管更新為外鍍搪瓷管，尺寸不變。改造后腐蝕情況得到極大改善，但由于管排尺寸和間距未變，積灰堵塞問題沒有得到解決。

目前，該電廠對氮氧化物的控制主要采用爐內低氮燃燒改造、選擇性催化還原技術（SCR）和選擇性非催化還原技術（SNCR）等手段。該廠的脫硝介質為濃度9～11%的氨水，5#爐氨水用量平均在402L/H。氨水和除鹽水在鍋爐7米層通過氨水分配模塊混合后通過氨槍噴入爐膛。由于缺少氨水流量精確調整的手段、氨逃逸在線監測設備等，會出現氨逃逸率大的問題；且氨槍噴頭在水平煙道磨損較為嚴重，影響氨水的霧化及脫硝效率。

地方環保排放指標要求NOx＜20mg/Nm3，為了達到環保要求，爐內SNCR脫硝系統噴氨量明顯增加。此外，該廠入爐煤的收到基全硫與設計煤種0.33%相比較高，平均在0.6%左右，高時可達0.8%。硫在燃燒后生成SO2，有一部分進一步氧化成SO3，過量NH3與鍋爐燃燒產生的SO3結合，在尾部煙道反應生成硫酸氫銨（NH4HSO4）。硫酸氫銨的露點為147℃，該廠5#爐低溫段空預器排煙溫度在130℃左右，低于硫酸氫氨的露點溫度。硫酸氫氨在低溫段以液態形式存在，液態條件下酸性和粘性極強，粘附在空預器管件上，在煙氣中粘附飛灰附在管件表面，且由于長期氨腐蝕，空預器和煙道墻板均出現穿孔，導致冷空氣進入煙氣系統，近一步降低了煙氣溫度。

煙氣中飛灰與硫酸氫銨結合后被快速冷卻，在管排之間形成堅硬的銨鹽堆積，造成空預器腐蝕和堵灰。運行中5#爐低溫段空預器煙壓最高增大至4000Pa，空預器壓差增大會導致引風機能耗增加，鍋爐帶負荷能力降低，最終被迫停爐，嚴重影響該廠發電供熱，給電廠運行經濟性造成損失。同時由于積灰堅硬無比，每次停爐后清理難度極大，普通壓縮空氣吹掃等清理方式完全無效，必須使用10MPa高壓水對管排間機會進行沖洗，增加運行和檢修人員的工作強度，且沖洗還會產生大量高氨氮廢水，不可直接排入雨水系統，還需要通過特殊手段進行集中回收和處置，極為不便。

該廠通過對空預器下管箱查漏、更換或封堵處理部分因低溫腐蝕穿孔的管束、對尾部煙道空預器管排間積灰進行高壓水沖洗等措施，基本能維持1～3個月的正常運行。但高頻率的空預器高壓水沖洗會導致搪瓷管表面破損嚴重，空氣與低溫段煙氣混合，出口煙氣溫度進一步降低，加劇了空預器管腐蝕，造成惡性循環。且沖洗后的大量污水處理也較為繁瑣，同時頻繁的停爐檢修也給連續生產造成的不小的影響。

2 導致空預器冷段頻繁積灰的主要問題及解決措施

2.1 空預器管排間距過小

空預器管尺寸為φ40×1.5，節距65mm，相鄰兩管縫隙僅有20mm，對于黏性較高的飛灰通過性較差，極易在縫隙間形成堆積堵塞；該廠另一種爐型的鍋爐空預器管排節距為80mm，在其他運行參數相同的情況下空預器堵灰的速度明顯較慢。

2.2 SCR催化劑模塊布置方式直接影響堵灰

由于鍋爐尺寸以及占地面積的不同，該廠在2017年脫硝改造時對兩種爐型設計了不同的SCR催化劑布置方式，1～3#鍋爐由于占地較小，鍋爐與除塵器之間空間充足，所以將SCR反應器布置在鍋爐尾部煙道外側，內設兩側催化劑模塊和一層低溫省煤器，并通過進出口煙道與鍋爐鏈接；4～6#鍋爐由于占地面積較大，鍋爐與除塵器之間的空間狹小，無法布置SCR反應器，所以最終方案是將省煤器分級，并在中間空間內布置了兩層催化劑。

通過幾年的運行對比和氨逃逸人工比對，在鍋爐均接近滿負荷和低負荷兩種工況時，1～3#爐通過反應器后煙氣中的氨逃逸明顯低于4～6#爐一體式布置反應器后的煙氣。通過分析，原因是外置式反應器的入口煙道較長，且其內布置有煙氣導流板，會使煙氣更均勻的通過催化劑，提高其脫硝效率；而一體式布置由于煙道空間有限，沒有布置均流板，煙氣產生偏流的幾率更高，所以其催化劑脫硝效率收到了影響。

2.3 鍋爐燃料水分過大

入爐煤的全水波動較大，在8～22%之間。水分偏大的原因為碼頭煤場抑塵噴霧和梅雨季節有關。過大的水分會隨著煤炭的燃燒汽化，并跟隨煙氣進入煙道中。然后在低溫空預器中收到冷卻，大大提高飛回含水量，為積灰堵塞提供有利條件。

2.4 氨水噴入過量

由于NOx排放要求提高，由原來的50mg/m3提高到20mg/m3，而現有SNCR+SCR脫硝系統的設計能力僅為50mg/m3，且由于原設計不合理和設備老舊裂化嚴重，現有安裝在分離器入口水平煙道兩側的SNCR噴槍，下層噴槍由于安裝位置過低，長期被積灰掩埋，無法發揮脫硝作用；SCR噴槍也因霧化噴頭選取和安裝位置不當，無法達到理想的脫硝效果，長期停用；脫硝供給與分配模塊也因設備選型不合理，導致流量計失效、電動調節閥調整線性不好。

運行人員長期使用投退噴槍的方式來控制噴氨量，而退出單支噴槍又會導致噴氨不均勻，也會影響脫硝效率。按照脫硝系統設計的氨水噴入量已無法滿足排放要求。為了達標排放，杜絕環保考核，在外部供汽壓力較大，鍋爐負荷無法降低的前提下，只能通過加大噴氨量的方式來降低NOx數值，用氨逃逸超標來換取NOx排放達標。但這樣勢必會使大量未反應的氨隨煙氣進入低溫省煤器和空預器，隨著煙氣溫度的下降形成硫酸氫氨，與飛灰一起附著在管壁上形成堵塞。

2.5 空預器漏風率增大、吹灰器失效

由于大量的硫酸氫氨形成，所以空預器冷段的管束和箱體在長期運行中會被嚴重腐蝕。管排之間以及管排與墻板之間由于積灰導致縫隙變小的時候還會使煙氣流向改變、流速增加，無形中又加劇了管束和墻板的磨損。兩方面共同作用下導致空預器管束和墻板出現穿孔漏風?？疹A器管束穿孔會使一次冷風竄入煙氣中；空預器墻板穿孔會使環境空氣吸入煙氣。冷空氣進入后會近一步降低煙氣溫度，加速硫酸氫氨的析出。同時大量的漏風還會導致引風機負荷增大，鍋爐帶負荷能力降低，鍋爐排煙溫度異常下降，加劇下游設備的腐蝕和銨鹽結晶；鍋爐配置的聲波吹灰器只對松散的飛灰具有效果，對于黏性較大的飛灰和硬化后的硫酸氫氨無效。并且由于吹灰器使用周期已經10年以上，其吹灰效果本身也已經達不到設計效果，使空預器積灰速度進一步增加。

綜合以上因素，該電廠130t/h人工清洗空預器并啟動后平均運行周期在60天左右，最短時只有45天就因空預器冷段堵死，導致鍋爐無負壓停爐。

2.6 解決措施

要徹底解決低溫段空預器堵塞問題，從化學角度需抑制NH4HSO4的生成，對氨水模塊及噴槍進行改造，減少氨水用量；增加氨逃逸在線監測裝置，運行人員及時調整；從物理角度對吹灰，器進行改型，提高對黏性較大積灰的吹灰效果。

由于企業生產需要，鍋爐檢修時間有限。所以如何采取最為直接有效的改造方案就成為重點。脫硝系統升級改造和吹灰器改型由于投資大、耗時長，不在考慮范圍內。如可在鍋爐運行中直接清除空預器管束之間的積灰，問題就會從另一方向上得到解決。通過對行業內進行調查和研究，最終尋到一種鍋爐在線清灰裝置可完美解決該問題。

該種裝置由山東某公司研制并申請多項國家專利。主要原理是在空預器管排間安裝一種可往返運動的梳齒裝置，齒板通過定期在管排間往返運動來達到清理積灰的目的。此裝置采用梳齒式結構，梳齒支撐在空預器上端軌道上，清灰元件是一根根特殊材質制成的梳齒板（2.5m長）。整體由連接支撐桿和若干金屬板通過特殊的構件組成。工作時可設定動作頻率，通過驅動連桿帶動梳齒在管排間定期做往復運動，使飛灰不積堵在管排之間，達到清灰的作用。該設備的應用對象是生物質鍋爐和垃圾焚燒鍋爐，通過對多家使用單位的實地考察調研，設備清灰效果良好，完美解決了空預器積灰堵塞的問題，極大的提高了鍋爐運行周期。

2021年7月，在充分調研后決定在5#爐尾部煙道安裝3套在線清灰裝置并開始試運行。該廠5#鍋爐安裝有3套清灰裝置，并配置有3個就地控制柜，由3臺2.2kW的伺服電機驅動。在鍋爐啟動時，投煤燃燒穩定后投入在線清灰器運行；在鍋爐停爐時，引風機停止后退出在線清灰器運行，就地按下停止運行按鈕，待梳齒歸位后斷開各控制柜電源。清灰器運行平穩順暢，無明顯卡澀異音。

根據以往經驗，5#爐在對空預器進行水沖洗后，鍋爐啟動后空預器冷段差壓一般在500Pa以下，隨著運行時間的增加逐漸增大。一般在運行一個月后會增大至1000Pa以上，嚴重時直接超過2000Pa。在運行3個月后則增大至4000Pa以上，鍋爐無法維持負壓。安裝在線清灰器后，5#爐運行兩個月后，空預器冷段壓差仍可維持在600Pa以內，無明顯升高，說明該設備清灰效果良好，達到了改造設計預期。隨后又分別在4#、6#爐進行了改裝，也都取得了明顯的效果。

3 需要注意在問題

由于該項技術仍處于研發階段，所以設備本身仍存在不足。

清灰器的安裝質量很重要。如果安裝時梳齒板離相鄰的空預器管排中心有偏差，在運行過程中空預器管束會與梳齒板摩擦，增加設備運行時的阻力，長時間會導致梳齒板掉落。因梳齒板為特殊材質制作，所以設備與梳齒板摩擦運行時不會對搪瓷管空預器造成損傷。在運行6個月后停爐對空預器進行了檢查，未發現明顯磨損現象，但部分梳齒出現過變形、扭轉和卡澀的情況。后通過分析，主因是設計之初為保護空預器管束和控制梳齒重量，選用了鋁合金作為梳齒材質。但使用中發現該型號梳齒對于垃圾焚燒鍋爐和生物質鍋爐產生的粘性積灰效果優良。但對于燃煤鍋爐脫硝后產生的堅硬銨鹽積灰其本身強度不足，會在推拉過程中變形斷裂脫落或彎曲卡在縫隙中，導致設備無法正常運行。

鍋爐運行過程中在線清灰器須保持持續運行狀態，每10分鐘/20分鐘往返運動一次（該頻率可與廠家溝通調整）。如設備運行過程中驅動電機、齒輪、鏈條或軸承等出現故障，會導致設備跳停并報警。若運行人員長時間未發現或發現了無法及時處理該問題，等低溫段空預器管間出現輕微堵塞或板結現象后再啟動在線清灰器，阻力太大可能會導致電機無法拖動清灰裝置運行，造成鏈條拉斷。

鍋爐尾部煙道內的清灰機構與爐外的電機靠驅動支撐桿連接，驅動支撐桿穿過爐墻來回運動。驅動支撐桿與爐墻處的密封套件很重要，如密封材質不過關或長時間運行導致磨損嚴重，會引起低溫段空預器漏風且運行過程中不易修復。廠家也嘗試過使用液壓裝置驅動以及氣動裝置驅動，但由于現場環境惡劣也出現了各種各樣的問題，沒有實現長期穩定運行。

綜上，管式空預器在線清灰裝置的出現彌補了行業空白。雖然在設計方面仍有不足，但其投資較低、安裝方便、操作簡單、維護量小等優勢也很明顯，尤其是對于臥式管式空預器積灰的清理作用顯著，對電廠鍋爐、尤其是垃圾電廠和生物質電廠鍋爐的安全經濟運行產生了顯著效果，具備推廣應用的價值。