基于環(huán)保超低排放的管式空預(yù)器長周期運行策略

王鵬程，劉旋坤，蔡 晉，楊海瑞

(1.山西河坡發(fā)電有限責任公司，山西 陽泉 045000；2.清華大學(xué) 山西清潔能源研究院，山西 太原 030032；3.清華大學(xué) 能源與動力工程系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084)

0 引 言

管式空預(yù)器是電站鍋爐系統(tǒng)常見設(shè)備，其作用是將鍋爐尾部煙道中煙氣攜帶的熱量傳導(dǎo)預(yù)熱進入鍋爐空氣至一定溫度，從而減少排煙熱損失。由于鍋爐煙氣中存在一定顆粒物及腐蝕性氣體，因此在鍋爐的長期運行中，空預(yù)器會出現(xiàn)磨損、腐蝕和堵塞等問題，也是所有火力發(fā)電廠面臨的重大技術(shù)難題。因此管式空預(yù)器所處的工作環(huán)境決定了其是否能夠安全長周期運行，這也是鍋爐機組實現(xiàn)安全、經(jīng)濟運行的保障。

目前有大量文獻分析了空預(yù)器性能的影響因素，于凱等[1]針對空預(yù)器低溫段結(jié)露和腐蝕的原因，提出提高暖風器出口溫度及定期清洗維護空預(yù)器管道緩解低溫腐蝕；鄔東立等[2-4]以某660 MW脫硝機組空預(yù)器為例，分析了選擇性催化還原(SCR)脫硝機組對空預(yù)器造成堵塞的原因，通過調(diào)整噴氨系統(tǒng)和加大干預(yù)力度減緩空預(yù)器堵塞；李軍狀等[5-7]基于脫硝副產(chǎn)物對空預(yù)器堵塞的原因分析，對脫硝系統(tǒng)進行調(diào)整。王興等[8-10]基于目前部分機組在超低排放改造中氨逃逸對空預(yù)器造成堵塞，提出改善噴氨系統(tǒng)的均勻性以及增加噴氨分區(qū)的數(shù)量，從而減少氨逃逸對空預(yù)器的影響。以上相關(guān)研究對空預(yù)器的穩(wěn)定運行提供了一定基礎(chǔ)，但在實際長周期運行中，空預(yù)器出現(xiàn)的問題復(fù)雜多樣，且目前對于空預(yù)器長周期運行維護的相關(guān)研究較少，因此筆者以河坡350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐機組的管式空預(yù)器為研究對象，在運行期間分別采用低氧量燃燒策略、空預(yù)器入口風溫控制、鍋爐系統(tǒng)脫硫脫硝排放改善等技術(shù)措施對該鍋爐空預(yù)器進行維護，空預(yù)器運行6 a來狀態(tài)良好，無大面積積灰、腐蝕現(xiàn)象，可為同類機組空預(yù)器的運行維護提供參考。

1 鍋爐設(shè)備介紹

河坡超臨界350 MW循環(huán)流化床鍋爐為單爐膛、半露天M型布置，主要設(shè)計參數(shù)見表1。鍋爐本體由3部分組成，第1部分布置主循環(huán)回路，第2部分布置尾部煙道，第3部分為空氣預(yù)熱器。空氣預(yù)熱器為管式，置于尾部豎井下方雙煙道內(nèi)，采用臥式順列四回程布置，空氣在管內(nèi)流動，煙氣在管外流動，在最后一個回程低溫段部分采用考登鋼Q355GNH，空預(yù)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Boiler main parameters designed

圖1 空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)Fig.1 Air preheater structure

鍋爐機組燃用煤種為陽泉無煙煤，該煤種炭化程度高，揮發(fā)分低，因此存在燃點高、難燃盡的問題，煤種參數(shù)見表2。根據(jù)環(huán)保要求，鍋爐系統(tǒng)中采用分離器入口處安裝尿素噴槍進行選擇性非催化還原(SNCR)脫硝，采用爐內(nèi)噴鈣和濕法工藝協(xié)同脫除SO2。

表2 煤質(zhì)分析Table 2 Coal feeding parameters

2 空預(yù)器運行策略

2.1 入口風溫控制

煤燃燒時產(chǎn)生的SO2會與水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸氣，當空預(yù)器受熱面溫度低于煙氣酸露點溫度時，硫酸蒸氣在低溫受熱面凝結(jié)成質(zhì)量分數(shù)約80%的硫酸溶液，從而造成低溫腐蝕[11]。通常空預(yù)器發(fā)生低溫腐蝕較嚴重的區(qū)域有2個，一是壁溫在水露點附近時(40～45 ℃)，此種情況一般不易發(fā)生；二是壁溫低于酸露點25～45 ℃的區(qū)域。當空預(yù)器壁溫達到酸露點A時，腐蝕速度和管壁溫度呈線性關(guān)系，管壁溫度在120 ℃左右時腐蝕速率達到頂峰，隨著管壁溫度降低，影響凝結(jié)酸量，腐蝕速率降低(圖2)。控制空預(yù)器冷端溫度高于酸露點可有效避免低溫腐蝕。

圖2 管壁溫度和腐蝕速度關(guān)系Fig.2 Relationship between wall temperature and corrosion rate

根據(jù)機組實際運行情況，制定了空預(yù)器入口風溫智能控制策略，將一二次風道入口處的暖風器出口風溫作為自動控制輸出對象，暖風器出力調(diào)整門設(shè)置智能自動控制模塊，該模塊主線控制以鍋爐排煙溫度作為輸出量，反向調(diào)節(jié)空預(yù)器入口風溫，綜合考慮燃燒煤種、機組負荷、鍋爐出口SO2濃度、排煙含氧量、大氣環(huán)境溫度等因素，作為智能控制的修正因子，形成一個閉環(huán)控制單元，最終將空預(yù)器入口風溫始終控制在25～45 ℃。

(1)

式中，ay、ak分別為煙氣側(cè)和空氣側(cè)放熱系數(shù)，kW/(m2·℃)。

根據(jù)邱振波等[11]以及張建中等[12]對比分析，煙氣的酸露點tsld計算采用日本電力研究所公式，其中SO3轉(zhuǎn)化率取2.0%～5.5%：

tsld=20lgφ(SO3)+a。

(2)

其中，φ(SO3)為煙氣中SO3的體積分數(shù)；a為與煙氣水分有關(guān)的常數(shù)，當水分體積分數(shù)為5%時，a=184；當水分體積分數(shù)為10%時，a=194；當水分體積分數(shù)為15%時，a=201。

根據(jù)式(1)與式(2)可以求出空氣壁溫與煙氣的酸露點，進而指導(dǎo)調(diào)整空預(yù)器的入口風溫，保證空預(yù)器的壁溫在酸露點以上運行。

機組部分運行參數(shù)見表3，可知一次風入口風溫經(jīng)由暖風器加熱后冬季可維持在35～45 ℃，夏季維持在40～55 ℃，有效提高了空預(yù)器冷端溫度，有利于減緩低溫腐蝕。

表3 機組部分運行參數(shù)Table 3 Some parameters of boiler

2.2 低氧量燃燒

由式(2)可知煙氣中SO3含量也是影響低溫腐蝕的重要因素，其中SO2、O2和H2O的濃度升高、溫度和反應(yīng)停留時間增大均會影響SO3濃度[13]，從而促進硫酸蒸氣的生成，并且使酸露點溫度升高，根據(jù)賈明生等[14]的研究，溫度和過量空氣系數(shù)對SO3轉(zhuǎn)化率的影響如圖3所示；有研究表明，當過量空氣系數(shù)降至1.05時，煙氣中SO3生成量減少[15]。

圖3 溫度和過量空氣系數(shù)對SO3轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Effect of temperature and excess air ratio on the conversion of SO3

為減少煙氣中SO3含量，采用低氧量燃燒策略通過降低煙氣中氧量來降低酸露點，配合空預(yù)器入口風溫控制可確保管壁溫度高于酸露點，但當氧量過低時，會導(dǎo)致爐膛飛灰可燃物上升，鍋爐效率下降。根據(jù)曾培強等[16]對1 025 t/h鍋爐低氧燃燒試驗研究，300 MW負荷時氧量應(yīng)該維持在2.7%～3.0%，270 MW負荷時氧量為4.0%～4.3%，240 MW負荷時氧量為5.2%～5.5%，并且鍋爐負荷每下降5 MW，氧量提高0.2%。

根據(jù)機組實際運行負荷，最終確定350 MW負荷時氧量為2.7%～3.0%，310 MW負荷時氧量為3.0%～3.2%，230 MW負荷時氧量為3.2%～3.5%，根據(jù)不同氧量制定不同過量空氣系數(shù)的運行策略，機組運行人員可據(jù)此調(diào)整，結(jié)合煤種燃燒特性和鍋爐實時運行狀態(tài)選擇合適的過量空氣系數(shù)。

2.3 脫硫系統(tǒng)改造

該機組原脫硫系統(tǒng)采用在返料腿加入石灰石脫硫劑的給入方式，石灰石粉經(jīng)氣力輸送至返料腿負壓位置，與循環(huán)灰混合后進入爐膛。該方法雖然會在返料腿內(nèi)對石灰石進行預(yù)煅燒，且可在一定程度上提高脫硫效率，但也極易形成石灰石表面結(jié)團包覆，污染石灰石原料，導(dǎo)致石灰石脫硫活性降低，脫硫效率變差，脫硫響應(yīng)速度慢等問題。同時，鍋爐燃用煤種多樣，運行負荷變化頻繁，直接導(dǎo)致爐內(nèi)原始生成SO2濃度變化幅度大，進而腐蝕空氣預(yù)熱器。

基于以上運行問題，采用微氧化高傳質(zhì)快速響應(yīng)爐內(nèi)脫硫技術(shù)[17]，對爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)進行改進。該技術(shù)是將石灰石噴入點設(shè)在上二次風口中，其位于流化床鍋爐爐膛的收縮段位置，使石灰石可以直接噴入爐內(nèi)微氧化稀相區(qū)域。結(jié)合改造后的實際運行經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有多方面優(yōu)勢：首先，所選噴入點位置為上二次風口，減少了石灰石對床溫影響，同時其背壓小，石灰石粉穿透力強，更易均勻分布在爐膛內(nèi)部，使脫硫劑均布、擴散以及反應(yīng)快速完成；其次，石灰石噴槍所處平面與布風板之間的垂直距離為床料料層厚度的3.5～7.0倍，可保護石灰石不被循環(huán)灰包裹污染；最后，石灰石從該位置噴入?yún)^(qū)域處于微氧化氣氛，燃料經(jīng)欠氧燃燒后，該區(qū)域SO2充分釋放，該穩(wěn)定氣氛更利于石灰石脫硫快速反應(yīng)。改造前后爐內(nèi)脫硫反應(yīng)響應(yīng)時間如圖4所示，可知改造前后的脫硫響應(yīng)速率時間由180 s提高至40 s，脫硫響應(yīng)速率顯著提升。綜上，該技術(shù)保證了石灰石在爐內(nèi)的較高脫硫效率，實現(xiàn)了鍋爐出口硫含量穩(wěn)定控制，降低空預(yù)器低溫腐蝕概率。

圖4 改造前后爐內(nèi)脫硫反應(yīng)響應(yīng)時間Fig.4 Response times of desulfurization reaction in furnace before and after modification

在優(yōu)選石灰石噴入點位置的同時，對配套石灰石泵送系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造。一方面，通過試驗確定石灰石收料倉排氣管的最佳傾斜角度，解決了排氣管頻繁堵塞的問題。另一方面，釋放壓縮空氣主路的自力式調(diào)壓閥調(diào)節(jié)彈簧，石灰石輸送用氣量增大，從而提高管道內(nèi)石灰石攜帶量，單套石灰石泵送系統(tǒng)的最大出力由25 t/h提高至40 t/h。這些綜合措施極大降低了SO2濃度大幅波動的可能性，為減緩空預(yù)器腐蝕提供了有力保障。

2.4 脫硝系統(tǒng)改造與調(diào)整

煙氣中少量SO2會進一步氧化成SO3[18]與逃逸氨反應(yīng)生成硫酸氫銨(ABS)與硫酸銨(AS)等物質(zhì)沉積在空預(yù)器中[19]，根據(jù)實際運行可知，ABS凝結(jié)在亞微米飛灰顆粒表面，可作為較大飛灰顆粒間的黏附劑，促進飛灰顆粒間的團聚[4]，從而導(dǎo)致空預(yù)器堵塞[20]。對于煙氣脫硝裝置，應(yīng)嚴格控制噴氨量，防止過度噴氨引起氨逃逸量增加。在降低噴氨濃度的同時保證氨噴射系統(tǒng)的噴氨流量平衡，防止噴氨不均勻?qū)е戮植繃姲边^大造成氨逃逸濃度升高。

本機組SNCR脫硝系統(tǒng)在分離器入口處安裝尿素噴槍，共設(shè)置15支墻式噴射器，每個旋風分離器5支，3支布置在入口煙道外側(cè)，1支布置于入口煙道頂部，1支布置于出口煙道前墻方向。通過對分離器不同位置的脫硝噴槍進行優(yōu)化測試，得到噴槍效率，根據(jù)效率測試結(jié)果，優(yōu)先使用入口煙道頂部效率最高的噴槍。

此外，在CFB鍋爐上二次風管傾斜段也增設(shè)脫硝噴槍，切向噴入尿素溶液，在爐膛高溫區(qū)直接進行脫硝反應(yīng)，解決了CFB鍋爐啟動階段、超低深度調(diào)峰時段分離器內(nèi)尿素反應(yīng)效率低、反應(yīng)溫度不夠、脫硝困難、氨逃逸高的問題。

通過鍋爐超低排放改造，調(diào)整脫硝系統(tǒng)，使鍋爐每萬度電只消耗尿素2.39 kg，比設(shè)計值減少了9.01 kg，額定負荷每小時消耗尿素83.65 kg，比設(shè)計值每小時節(jié)約尿素0.31 t，且氨逃逸接近0，有效減少了硫酸氫氨對空預(yù)器的腐蝕和堵塞的風險，延長了空預(yù)器的使用壽命。

2.5 空預(yù)器主動封堵措施

鍋爐經(jīng)一段時間運行，可在停爐檢修期間根據(jù)空預(yù)器磨損、腐蝕等問題進行檢測分析，提前封堵問題嚴重的空預(yù)器管道，確保該部位空預(yù)器即使發(fā)生腐蝕泄漏也不會導(dǎo)致腐蝕范圍擴大。河坡電廠對空預(yù)器部分管道進行封堵后，經(jīng)長時間運行證明，由于空預(yù)器設(shè)計余度較大，對部分空預(yù)器管材提前預(yù)封堵后排煙溫度無明顯變化，但空預(yù)器腐蝕區(qū)域明顯降低。運行6 a來，空預(yù)器運行狀態(tài)良好，無大面積積灰、腐蝕現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

1)采用空預(yù)器入口風溫智能溫控策略，根據(jù)酸露點預(yù)測結(jié)果確定空預(yù)器管壁溫度，從而調(diào)整暖風器出力，保證空預(yù)器的入口風溫始終在酸露點以上，從而減小空預(yù)器末端低溫腐蝕。

2)采用低氧量燃燒技術(shù)，通過文獻調(diào)研和實際運行，最終確定了鍋爐在不同負荷下的氧量：350 MW負荷時氧量為2.7%～3.0%，310 MW負荷時氧量為3.0%～3.2%，230 MW負荷時氧量為3.2%～3.5%。

3)將石灰石噴入點設(shè)在上二次風口中，使石灰石可直接噴入爐內(nèi)微氧化稀相區(qū)域，縮短了脫硫響應(yīng)速率時間，避免了煙氣中SO2含量大幅波動，大幅減小了空預(yù)器的低溫腐蝕幾率。

4)對SNCR系統(tǒng)的噴槍進行優(yōu)化，確定噴槍效率的高低排序；并在二次風管傾斜段增設(shè)脫硝噴槍，可提高全負荷平均脫硝效率，降低氨逃逸量，有效減少硫酸氫氨對空預(yù)器的腐蝕和堵塞的風險。

5)提前封堵空預(yù)器問題嚴重管道，可有效降低空預(yù)器的腐蝕。