張燕飛,楊寶林,劉 威,劉衛(wèi)東,武 輝

(1.河北衡豐發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 衡水 053000;2.北京華大鼎誠(北京)電力技術(shù)有限公司,北京 101106)

1 存在的問題

電站鍋爐脫硝一般采用氨氣作為觸媒,過量逃逸的氨氣會和煙氣中的硫酸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),生成液態(tài)的硫酸氫銨會粘結(jié)飛灰形成堵塞物,導(dǎo)致回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的堵塞,是目前燃煤機(jī)組鍋爐普遍存在的問題[1]。河北衡豐發(fā)電有限責(zé)任公司1號、2號鍋爐由于脫硝入口氮氧化物高,脫硝噴氨量較大,產(chǎn)生硫酸氫銨(NH4HSO4)引起空氣預(yù)熱器傳熱元件堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重,造成了引、送風(fēng)機(jī)耗電率升高,堵塞嚴(yán)重時(shí)限制了機(jī)組帶負(fù)荷能力,強(qiáng)化蒸汽吹灰后引風(fēng)機(jī)空氣預(yù)熱器傳熱元件吹損等異常問題。

2 空氣預(yù)熱器堵塞原因

電站鍋爐燃煤中含硫量大小不一,燃燒中會產(chǎn)生SO3,SO3的量和煤質(zhì)含硫量成正比,隨著煤中含硫量的增加SO3濃度也相應(yīng)增加。SCR 中的SO2會被催化為SO3,電廠安裝的SCR 系統(tǒng)投用后也會增加煙氣中SO3的總量。在SCR 反應(yīng)器中SO2被氧化的比例根據(jù)催化劑的不同,SO3濃度也相應(yīng)增加。煙氣中存在的SO3造成空氣預(yù)熱器堵塞的原因主要有2類。

a.空氣預(yù)熱器冷段壁面溫度低于煙氣中SO3的露點(diǎn)溫度,出現(xiàn)了硫酸(H2SO4)結(jié)露的情況,結(jié)露的硫酸腐蝕受熱面表面,使沾灰的情況加劇,造成空氣預(yù)熱器堵塞[1]。

b.煙氣中SO3造成的另外一種形式的空氣預(yù)熱器堵塞與一種化學(xué)物質(zhì)硫酸氫銨(NH4HSO4,或稱ABS)有關(guān)。在146～207 ℃,硫酸氫銨為高粘性液體,易粘附在空氣預(yù)熱器的中低溫?fù)Q熱面,粘附煙氣中的飛灰,惡化空氣預(yù)熱器堵塞;低于146 ℃時(shí),硫酸氫銨為固體,影響較小。

目前電廠通常采用的辦法主要有以下幾種:從燃燒側(cè)著手,增開燃盡風(fēng)降低NOx,減輕SCR壓力,減少氨逃逸;加高空氣預(yù)熱器冷端換熱元件高度,改造封閉波形;嚴(yán)重時(shí)采用不間斷長時(shí)吹灰;影響機(jī)組運(yùn)行時(shí)停機(jī)沖洗。

3 熱風(fēng)清洗技術(shù)

目前電廠常用的堵塞處理方案雖能對空氣預(yù)熱器堵塞有一定程度的緩解,但治標(biāo)不治本,無法根除空氣預(yù)熱器堵塞問題,這會增加鍋爐的運(yùn)行負(fù)擔(dān),增加三大電機(jī)耗電量,影響電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此針對空氣預(yù)熱器運(yùn)行特性,提出使用熱風(fēng)清洗技術(shù),將熱風(fēng)(約350 ℃以上)引至換熱片即將進(jìn)入煙氣倉的區(qū)域,逆向加熱蓄熱元件,一方面高溫?zé)犸L(fēng)可氣化冷端生成的NH4HSO4,另一方面可有效提高該最冷區(qū)域換熱片的溫度,從而抑制NH4HSO4生成的同時(shí)防止硫酸蒸汽凝結(jié),此外,高壓熱風(fēng)對蓄熱元件亦存在吹掃作用[2],以此可有效解決空氣預(yù)熱器換熱面腐蝕及堵塞的問題。

3.1 技術(shù)原理

熱風(fēng)清洗技術(shù)的原理為:根據(jù)硫酸氫銨的物理特性,當(dāng)溫度上升時(shí),硫酸氫銨產(chǎn)生相變,液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài),可以隨熱風(fēng)帶走,不會粘結(jié)在蓄熱元件上。所以利用空氣預(yù)熱器出口熱一次風(fēng),在空氣預(yù)熱器冷端巧妙進(jìn)行設(shè)計(jì),隔離出一個(gè)清洗區(qū)域,引入高壓熱風(fēng)到清洗分倉中,將分倉內(nèi)的溫度場迅速提高,使飛灰中的硫酸氫銨由液態(tài)迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài),使飛灰無粘結(jié)基礎(chǔ)隨熱風(fēng)帶走,避免液態(tài)硫酸氫銨的生成,從而改善堵塞問題,其原理與熱風(fēng)再循環(huán)技術(shù)具有相似性[3],但本質(zhì)不同,熱風(fēng)再循環(huán)的機(jī)理是提高金屬壁溫,本技術(shù)機(jī)理是通過高流速置換掉轉(zhuǎn)子內(nèi)的攜帶漏風(fēng),同時(shí)迅速提升飛灰中硫酸氫銨的氣化速度。

3.2 總體方案

根據(jù)空氣預(yù)熱器的運(yùn)行特性,在空氣預(yù)熱器出口的熱一次風(fēng)管道上抽取熱風(fēng),進(jìn)入冷端加熱二次風(fēng)側(cè)低溫區(qū)3.8°的清洗分倉(轉(zhuǎn)子總分倉為360°),提高3.8°清洗分倉內(nèi)溫度場的溫度到硫酸氫銨結(jié)露溫度(按207 ℃)以上,使硫酸氫銨在此區(qū)域內(nèi)迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài),能夠使飛灰無粘附基礎(chǔ)隨熱風(fēng)帶走,在冷端3.8°清洗分倉通過新增扇形板進(jìn)行隔離,只流通高溫的熱一次風(fēng),熱端出口一、二次風(fēng)道布置同常規(guī)三分倉預(yù)熱器,不需要改動。由于預(yù)熱器出口熱一次風(fēng)壓力高于冷二次風(fēng)入口壓力,有壓差作為動力來源,根據(jù)電廠項(xiàng)目實(shí)際情況,在額定負(fù)荷下,一次熱風(fēng)出口壓力約6 340 Pa,二次冷風(fēng)壓力為2 580 Pa,壓差約3 760 Pa,考慮到熱風(fēng)清洗系統(tǒng)阻力,仍有約3 k Pa以上的差壓作為動力來源。熱風(fēng)從熱一次風(fēng)抽取出來,從冷端清洗風(fēng)倉進(jìn)入預(yù)熱器,高速流經(jīng)受熱面氣化硫酸氫銨后,混入熱二次風(fēng)直接排走,解決空氣預(yù)熱器堵塞問題?？諝忸A(yù)熱器熱風(fēng)自清洗方案見圖1。

圖1 空氣預(yù)熱器熱風(fēng)自清洗方案

3.3 性能計(jì)算

將煙氣側(cè)、一次風(fēng)側(cè)、二次風(fēng)側(cè)、清洗分倉每個(gè)區(qū)域內(nèi)細(xì)分成11個(gè)小溫度區(qū)域,采用微積分的辦法結(jié)合對流換熱的計(jì)算方法,將初始入口風(fēng)溫由常規(guī)的20 ℃,更改為不同負(fù)荷下的不同參數(shù)。根據(jù)熱力學(xué)原則,熱風(fēng)進(jìn)入預(yù)熱器后先對飛灰和格倉內(nèi)的攜帶風(fēng)進(jìn)行同種介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo),其次對流經(jīng)受熱面低溫區(qū)的搪瓷鋼板換熱。從計(jì)算結(jié)果可以看出,高溫的熱風(fēng)進(jìn)入冷端后,風(fēng)溫會逐漸降低,在不同負(fù)荷下,在對應(yīng)受熱面不同高度(高負(fù)荷800～900 mm、低負(fù)荷1 000～1 300 mm)范圍,熱風(fēng)溫度降到最低點(diǎn),而此處恰恰是硫酸氫銨液態(tài)結(jié)露最嚴(yán)重的區(qū)域,因此設(shè)計(jì)的原則是務(wù)必保證此處的熱風(fēng)溫度高于硫酸氫銨結(jié)露溫度(按207 ℃)。溫度場和流場模擬見圖2-3。

圖2 溫度場模擬

4 熱風(fēng)清洗技術(shù)應(yīng)用及效果

4.1 技術(shù)應(yīng)用

圖3 流場模擬

設(shè)計(jì)說明:本次計(jì)算按3.8°分倉面積設(shè)置清洗分倉,清洗分倉設(shè)置在二次風(fēng)側(cè)靠緊一次風(fēng)桁架位置,新加一個(gè)隔離風(fēng)倉出來,熱端不需做任何改動,從溫度場可以看出,按最低40%負(fù)荷考慮,低溫區(qū)域最低溫度為207.88 ℃,大于液態(tài)硫酸氫銨結(jié)露溫度的上限(結(jié)露溫度為207 ℃),在滿負(fù)荷的時(shí)候大50℃,余量足夠。性能參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 性能參數(shù)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用φ800 mm 的風(fēng)管從熱一次風(fēng)母管引風(fēng),設(shè)計(jì)流量為20 525 m3/h,故管道中的流速為11.4 m/s。

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為3 kPa,也就是熱一次風(fēng)和冷二次風(fēng)之間的壓力差,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況這個(gè)壓力約3.5 k Pa,考慮整個(gè)管道系統(tǒng)的沿程阻力,按3 k Pa來考慮設(shè)計(jì)足夠,且這個(gè)壓力恒定。

在清洗風(fēng)倉進(jìn)口處通過變徑將管道直徑改變?yōu)?00 mm,這樣方便現(xiàn)場安裝布置,因?yàn)榭諝忸A(yù)熱器二次風(fēng)殼體空間有限,用800 mm 的管徑直接接入循環(huán)風(fēng)倉布置較困難。和噴風(fēng)口的流速進(jìn)行漸變過度,從而匹配,類似于蝦米角管道的設(shè)計(jì)原理,局部的流速提高又能防止這個(gè)區(qū)域積灰。

不用擔(dān)心管道變窄會影響流量,因?yàn)閴毫潭ǖ那闆r下,管徑越小,流速越快,流量不變,氣體密度越大,出口壓力增加。比如φ500 mm 處的管道流量仍為20 525 m3/h,流速則變?yōu)?9.08 m/s,而到噴風(fēng)口位置的流速會進(jìn)一步提高到35.264 m/s。

清洗風(fēng)進(jìn)口風(fēng)道從冷二次風(fēng)人孔門部位進(jìn)入,從扇形板中部位置垂直向上接入清洗風(fēng)倉內(nèi),不能從殼體側(cè)面直接接入,這樣可以避免電流波動。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

4.2 應(yīng)用效果

熱風(fēng)清洗技術(shù)應(yīng)用前后DCS 數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 熱風(fēng)清洗技術(shù)應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對比

通過表3可知,X 比基本相同,說明鍋爐運(yùn)行環(huán)境無變化,空氣側(cè)、煙氣側(cè)效率提升說明換熱效率有所提高,三大電機(jī)總電流下降14%,效果明顯。原來3號鍋爐一直采用煙氣側(cè)升溫,提高排煙溫度到接近180 ℃的辦法來蒸發(fā)硫酸氫銨防止堵塞,這種運(yùn)行方法對空氣預(yù)熱器減速機(jī)影響較大,因?yàn)檗D(zhuǎn)子膨脹量高?？諝忸A(yù)熱器熱風(fēng)清洗改造后,不再需要進(jìn)行升溫運(yùn)行,換熱元件均無堵塞,證明了技術(shù)可靠性。使用1 a時(shí)間內(nèi)空氣預(yù)熱器維持阻力最高不超過1.3 k Pa,停爐期間對本系統(tǒng)進(jìn)行檢查,確認(rèn)本技術(shù)可靠,性能達(dá)標(biāo)。

熱風(fēng)清洗技術(shù)的應(yīng)用降低了空氣預(yù)熱器煙阻力,提高空氣預(yù)熱器換熱效率,避免空氣預(yù)熱器堵塞嚴(yán)重后造成引風(fēng)機(jī)喘振,被迫停爐進(jìn)行空氣預(yù)熱器高壓水沖洗事件的發(fā)生,提高了鍋爐運(yùn)行可靠性。相比應(yīng)用前的情況,空氣預(yù)熱器平均阻力降低1.5 k Pa以上,單臺鍋爐1 a可節(jié)電600萬k Wh。

避免了空氣預(yù)熱器堵塞后加強(qiáng)蒸汽吹灰,造成鍋爐傳熱元件吹損加劇問題,提高了空氣預(yù)熱器傳熱元件的工作壽命和可靠性問題。節(jié)約沖洗成本,空氣預(yù)熱器每次高壓水沖洗費(fèi)用為8萬元,機(jī)組停運(yùn)時(shí)間需3 d,安裝熱風(fēng)清洗系統(tǒng)后節(jié)約了水沖洗成本費(fèi)用。

5 結(jié)束語

通過以上分析和論述,介紹一種熱風(fēng)清洗防堵控制新技術(shù),對于防止空氣預(yù)熱器的堵塞,解決目前市場上防堵技術(shù)的豐富性,有一定的參考作用。河北衡豐發(fā)電有限責(zé)任公司鍋爐實(shí)行深度減排后,由原計(jì)劃實(shí)施的SCR 優(yōu)化+低溫氧化法方案改為SCR 優(yōu)化+空氣預(yù)熱器熱風(fēng)清洗方案,節(jié)約大量投資和運(yùn)營成本,目前衡水電廠1—4號鍋爐均安裝熱風(fēng)清洗系統(tǒng),有效解決了脫硝系統(tǒng)深度減排后引起的空氣預(yù)熱器堵塞問題,實(shí)現(xiàn)了鍋爐環(huán)保且排放達(dá)標(biāo)。