鄧 思，胡孔亮

(1.重慶旗能電鋁有限公司，重慶 401420；2.國電重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶 401420)

“十三五”期間，全國火電機組超低排放改造推進，各地火電廠紛紛進行脫硫、脫硝超低排放改造，但因脫硝改造而產(chǎn)生的硫酸氫銨會導(dǎo)致空氣預(yù)熱器(以下簡稱“空預(yù)器”)堵塞。為了解決空預(yù)器堵塞，各廠家提出了不同的解決方案。本文提出的就是解決空預(yù)器堵塞的一種方法。

1 工程概況

某電鋁有限公司自備電廠的空預(yù)器為東方鍋爐股份有限公司采用引進技術(shù)制造的回轉(zhuǎn)三分倉空預(yù)器，露天布置，主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆流方式換熱。空預(yù)器的冷端受熱面由抗腐蝕大波紋搪瓷元件制成。空預(yù)器具有良好的密封性，采用先進的雙密封結(jié)構(gòu)。空預(yù)器旋轉(zhuǎn)方向為煙氣側(cè)→二次風(fēng)側(cè)→一次風(fēng)側(cè)。BMCR工況煙氣側(cè)設(shè)計阻力為1 250 Pa。電廠于2015年增設(shè)了煙氣暖風(fēng)器。由于實際使用燃料的含硫量較高，鍋爐NOx排放值在400～800 mg/Nm3，煙氣經(jīng)過脫硝裝置后，逃逸的氨會與煙氣中的三氧化硫結(jié)合形成硫酸氫銨，在空預(yù)器冷端發(fā)生凝結(jié)，與積灰共同作用，導(dǎo)致空預(yù)器嚴(yán)重堵塞，使得實際運行中空預(yù)器煙氣側(cè)阻力增大。根據(jù)2019年1～2月的生產(chǎn)報表數(shù)據(jù)可知，1#爐A空預(yù)器阻力最大值為2.21 kPa，月平均值為1.9 kPa；1#爐B空預(yù)器阻力最大值為2.78 kPa，月平均值為2.2 kPa。2#爐A空預(yù)器阻力最大值為2.77 kPa，月平均值為2.52 kPa；2#爐B空預(yù)器阻力最大值為3.1 kPa，月平均值為2.79 kPa。

從機組運行經(jīng)驗來看，冬天暖風(fēng)器全投入時空預(yù)器進口空氣溫度只能提高到36 ℃。盡管長期投入暖風(fēng)器可以緩解空預(yù)器堵塞情況，但空預(yù)器阻力增加速度下降，不能徹底解決堵塞。經(jīng)過在線高壓沖洗后，堵塞情況會有短暫改善，可又面臨空預(yù)器阻力增加過快的問題。

空預(yù)器堵塞造成的影響如下：

1)空預(yù)器運行阻力增加，送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機的電耗增加，影響機組帶負荷能力，嚴(yán)重時將導(dǎo)致機組被迫停機；

2)空預(yù)器冷端堵塞，導(dǎo)致蓄熱元件換熱能力降低，排煙溫度超過150 ℃(超原設(shè)計30 ℃)，出口風(fēng)溫較原設(shè)計低20 ℃，影響機組運行的經(jīng)濟性；

3)空預(yù)器漏風(fēng)率增加，鍋爐效率降低；

4)空預(yù)器冷端蓄熱元件受硫酸氫銨腐蝕嚴(yán)重；

5)吹灰器使用頻繁，造成冷端蓄熱元件和密封組件吹損嚴(yán)重。

由此可見，空預(yù)器堵灰不僅對機組的效率影響非常大，而且已嚴(yán)重影響到機組的長期、穩(wěn)定、安全運行。因此，采用可靠、有針對性的方案來預(yù)防并解決空預(yù)器硫酸氫銨堵塞問題非常必要。該自備電廠年運行小時數(shù)達8 000 h，負荷率高，改造能解決安全風(fēng)險，同時節(jié)能收益空間非常大。

2 改造方案

2.1 方案的選取

根據(jù)目前國內(nèi)外空預(yù)器防堵技術(shù)，可采用多種改造方案。方案一：熱二次風(fēng)加熱+蒸汽吹灰防堵，熱二次風(fēng)通過增設(shè)的循環(huán)風(fēng)機加熱分倉(8°)內(nèi)的轉(zhuǎn)子蓄熱元件進行加熱。方案二：利用低低溫省煤器(氣-水換熱方式)加熱空氣，減輕空預(yù)器換熱壓力，提高空預(yù)器排煙溫度。方案三：采用煙風(fēng)耦合換熱技術(shù)的新型節(jié)能復(fù)合式換熱器(三維肋管低低溫省煤器+干燒+空預(yù)器選型優(yōu)化)。

鑒于熱二次風(fēng)循環(huán)加熱1～2個分倉，每次加熱時間非常有限，不能將硫酸氫銨全部氣化，同時熱二次風(fēng)中帶有較多大顆粒的煙塵，會導(dǎo)致循環(huán)風(fēng)機葉輪被快速磨損，所以方案一不可取。

針對方案二中所用的換熱介質(zhì)，進行了充分的考察調(diào)研，重點考察重慶、貴州等地區(qū)高硫燃煤發(fā)電機組的低低溫省煤器使用情況?？疾旖Y(jié)果表明，采用氣-水換熱方式的低低溫省煤器使用效果非常差，因其換熱管磨損快、檢修難度大、檢修工期長等缺點，投產(chǎn)2～3年后幾乎會全部退出運行，同時硫酸氫銨的凝結(jié)由回轉(zhuǎn)式空預(yù)器轉(zhuǎn)移到了低低溫省煤器，會造成堵塞，煙氣阻力增大，對安全、經(jīng)濟運行造成負面效果，所以方案二也不可取。

方案三煙風(fēng)耦合換熱在空預(yù)器下游采用三維內(nèi)外肋管低低溫省煤器。三維內(nèi)外肋管及其加工工藝是一項先進的強化換熱管設(shè)計、制造技術(shù)，這種換熱管的傳熱能力可數(shù)倍于同樣管徑的光管的傳熱能力，而且能根據(jù)換熱要求調(diào)整換熱強度[5-10]。即通過合理的傳熱設(shè)計(調(diào)整三維肋片的數(shù)量、高度等)來適當(dāng)提高處于低溫區(qū)域金屬表面的溫度，以降低該區(qū)域金屬材料的酸腐蝕程度，能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和社會效益。硫酸氫銨的凝結(jié)由回轉(zhuǎn)式空預(yù)器轉(zhuǎn)移到三維肋管的冷端，在三維肋管進口加裝干燒系統(tǒng)(小股熱二次風(fēng))，經(jīng)干燒系統(tǒng)的干燒(時長可設(shè)置)后，硫酸氫銨汽化進入電除塵器，在電除塵器前煙道凝結(jié)成霧滴與煙塵包裹，進入灰中，在電除塵器內(nèi)不會形成二次凝結(jié)，電除塵器極絲和極板無板結(jié)現(xiàn)象，所以方案三可取。同時，可通過優(yōu)化蓄熱元件設(shè)計，將回轉(zhuǎn)式空預(yù)器綜合溫度提高。

2.2 煙風(fēng)耦合換熱技術(shù)的新型節(jié)能復(fù)合式換熱器設(shè)計

2.2.1 改造目標(biāo)

提升回轉(zhuǎn)式空預(yù)器進口風(fēng)溫(一、二次風(fēng))至120 ℃，從而提高回轉(zhuǎn)式空預(yù)器冷端綜合溫度，徹底解決回轉(zhuǎn)式空預(yù)器低溫腐蝕和硫酸氫銨堵塞問題；降低進入電除塵器的排煙溫度至120 ℃(由150 ℃降至120 ℃)，降低灰飛比電阻，提高除塵效率，并實現(xiàn)節(jié)能。

2.2.2 改造設(shè)計

1)三維肋管低低溫省煤器設(shè)計方案

在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器出口至靜電除塵器進口的煙道設(shè)置三維肋管低低溫省煤器，取消原蒸汽暖風(fēng)器，利用煙氣直接加熱冷空氣，同時對回轉(zhuǎn)式空預(yù)器進行設(shè)計選型。改造工藝流程見圖1。

圖1 改造工藝流程

在回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器出口至靜電除塵器的垂直煙道處，布置立式三維肋管低低溫省煤器，基礎(chǔ)座落在地面，管內(nèi)側(cè)通煙氣，管外側(cè)通空氣。利用一次風(fēng)機、二次風(fēng)機將冷空氣以后進前出的方式送入三維肋管預(yù)熱器與原煙氣換熱，將25 ℃空氣(基于25 ℃的環(huán)境溫度)加熱到120 ℃后，送入回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器換熱，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的出口煙氣溫度升高到194 ℃后，進入三維肋管低低溫省煤器換熱，最終使進入除塵器的煙氣溫度降到120 ℃以下。

三維肋管低低溫省煤器的煙氣與空氣的進出口均設(shè)置有靜壓風(fēng)箱，利用風(fēng)箱穩(wěn)定進出口煙氣和空氣的壓力，可使管式換熱器流場均勻。布置模型見圖2。

三維肋管形式選擇。三維內(nèi)外肋管對流換熱強化強化換熱強化比M可達2.8甚至更高值，其熱力性能系數(shù)可達其他強化管難以達到的高值，減少換熱器體積和重量[1-3]，有利于節(jié)約空間。管內(nèi)通過的煙氣順著管方向流動，使煙氣和粉塵的流向與管壁平行，最大限度減小粉塵對管壁的沖刷以減輕磨損[4]。采用煙氣-空氣換熱，即使三維肋管部分被磨穿，也只會增加漏風(fēng)率，不會對機組安全運行造成影響。所以本次采用三維內(nèi)外肋管。

圖2 布置模型(單側(cè))

2)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器優(yōu)化設(shè)計

本次回轉(zhuǎn)式空預(yù)器需與三維肋管低低溫省煤器配合回收余熱，若想要從根本上解決空預(yù)器堵塞問題，需對空預(yù)器蓄熱元件進行優(yōu)化設(shè)計。本次空預(yù)器熱端蓄熱元件材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)SPCC鋼，采用全封閉大通道大波紋DUF板型，元件單片厚度為0.6 mm，元件高度為1 300 mm。單組蓄熱元件欄框采用不小于4 mm厚的Q235鋼板制成，且需R4的圓角，加強筋為兩根扁鋼，交叉布置。空預(yù)器的冷端蓄熱元件采用考登鋼，元件單片厚度為1 mm，元件高度為900 mm，并采用全封閉大通道大波紋DUF板型。蓄熱元件能耐受1.5 MPa 的過熱蒸汽吹灰。無論是熱端換熱元件還是冷端換熱元件，其與籃框之間的間隙(到邊尺寸)為5 mm。 換熱元件的換熱面積、分層布置可實現(xiàn)使現(xiàn)有排煙溫度不大于194 ℃(BMCR工況)的換熱效果。

3)解決硫酸氫銨堵塞和二次凝結(jié)的措施

干燒原理：根據(jù)試驗研究表明，硫酸氫氨(NH4HSO4)從氣態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間為232～149 ℃(NH3逃逸濃度2.28～3.8 mg/m3時)，低于149 ℃時，硫酸氫氨發(fā)生液化，高于232 ℃時硫酸氫氨變?yōu)闅鈶B(tài)。因此在運行中，將三維肋管低低溫省煤器分成若干管箱，可通過將三維肋管低低溫省煤器管箱的煙氣側(cè)、空氣側(cè)隔離，然后在隔離的管箱的入口依次引入小股(不超過1%)熱二次風(fēng)，使管壁溫度提高到232 ℃，使已經(jīng)發(fā)生結(jié)晶的硫酸氫氨揮發(fā)成氣態(tài)，通過熱一次、二次風(fēng)引入爐膛。

干燒布置：設(shè)置三維肋管低低溫省煤器干燒系統(tǒng)，即利用三維肋管低低溫省煤器自身的防振板分隔出16組(其中一次風(fēng)4組，二次風(fēng)12組)獨立管箱，相應(yīng)地形成16個獨立的煙道和16個風(fēng)道，在每個三維肋管低低溫省煤器的煙氣通道進口設(shè)置干燒擋板門，在冷空氣進口側(cè)對應(yīng)設(shè)置16個干燒風(fēng)門，并在煙氣干燒擋板門和進入三維肋管低低溫省煤器的煙道上設(shè)置16個高溫?zé)犸L(fēng)引入接口，通過關(guān)閉三維肋管低低溫省煤器煙氣進口煙氣擋板門和冷風(fēng)擋板，同時將高溫?zé)犸L(fēng)(約330 ℃)引入三維肋管低低溫省煤器煙氣側(cè)進口側(cè)，對進行干燒，使金屬壁溫迅速升高到進口干燒介質(zhì)的溫度，硫酸氫銨被氣化蒸發(fā)，從而保證三維肋管低低溫省煤器內(nèi)不會形成硫酸氫銨堵塞三維肋管。

干燒采用程序控制，每次一組，輪流進行(每組自動或人為設(shè)置干燒時長)，確保干燒的高溫?zé)犸L(fēng)(不超過總風(fēng)量的1%)與沒有干燒的低溫?zé)煔庠谌S肋管低低溫省煤器出口煙氣管箱內(nèi)充分混合，使混合后的煙溫不會超過120 ℃，硫酸氫銨結(jié)晶以灰的形式被除塵器清除，防止硫酸氫銨再次凝結(jié)。

干燒耗氣量核算：本項目干燒采用空預(yù)器出口熱二次風(fēng)來提高三維肋管低低溫省煤器的管壁溫度。單側(cè)換熱器體積約為429 m3，利用300 ℃及以上的熱二次風(fēng)加熱一組26.8 m3的三維肋管至232 ℃，只需要升溫，不需要吹掃，且需要的風(fēng)量很少，約為總風(fēng)量的1%，不影響系統(tǒng)。

3 改造后投運效果

3.1 防堵防腐預(yù)估效果

1)空預(yù)器防堵防腐：采用新型節(jié)能復(fù)合式換熱器方案后，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的排煙溫度和進口風(fēng)溫大大提高，冷端綜合溫度大幅度提高，具體如表1所示。

表1 改造設(shè)計風(fēng)煙理論溫度 ℃

根據(jù)大量工程實踐及實驗總結(jié)出的合理的冷端綜合溫度運行曲線見圖3。

圖3 回轉(zhuǎn)式空預(yù)器冷端推薦綜合溫度曲線

改造工程原設(shè)計的煤質(zhì)含硫量為4%，實際空預(yù)器冷端綜合溫度高于185 ℃。而改造后，空預(yù)器冷端綜合溫度高于推薦的安全溫度，有效地解決了回轉(zhuǎn)式空預(yù)器冷端腐蝕及硫酸氫銨堵塞問題。

2) 三維肋管低低溫省煤器干燒的效果：運行半年后，停機對三維肋管檢查，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)、外非常干凈，無積灰和硫酸氫銨凝結(jié)，電除塵內(nèi)部極線、極板表面無硫酸氫銨凝結(jié)。見圖4。

圖4 三維肋管低低溫省煤器及電除塵器內(nèi)部

3.2 節(jié)能效果評估

1) 排煙溫度降低的節(jié)能收益

改造后，鍋爐排煙溫度從150 ℃降低至120 ℃，進入鍋爐的熱風(fēng)從280～300 ℃提高至330 ℃以上，回收的煙氣余熱全部用于加熱進入鍋爐的熱風(fēng)，鍋爐效率提高1%～1.5%[5]，節(jié)能效果非常顯著。該電廠屬于自備電廠，年運行小時達到8 000 h，年節(jié)約標(biāo)煤2.524 5萬t，按該廠2020年到廠標(biāo)煤含稅單價900元/t計算，節(jié)約成本2 272.05萬元/年。

2)取消蒸汽暖風(fēng)器的節(jié)能收益

改造前，在冬季，電廠采用輔助蒸汽加熱空預(yù)器進口的一、二次風(fēng)，將預(yù)熱器入口風(fēng)溫提高至40 ℃，以防止回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器冷端腐蝕。本次改造后，原蒸汽暖風(fēng)器取消。根據(jù)中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司測算，單臺鍋爐一次風(fēng)溫由18.7 ℃(全年平均氣溫)提高至40 ℃，溫升21.3 ℃；二次風(fēng)溫由18.7 ℃提升至35 ℃，溫升16.3 ℃，一次風(fēng)暖風(fēng)器的蒸汽耗量(兩臺暖風(fēng)器)約 3.7 t/h，二次風(fēng)暖風(fēng)器的蒸汽耗量(兩臺暖風(fēng)器)約 10.5 t/h，合計約 14.2 t/h。改造前，單爐暖風(fēng)器實際投運(按3個月計)2 160 h，耗汽量蒸汽3.067 2萬t，單價180元/t，折算成本552.096萬元/年。所以改造后取消蒸汽暖風(fēng)器，2臺鍋爐的節(jié)能收益為1 104.192萬元/年。因冬天平均環(huán)境溫度達不到18.7 ℃，所以實際節(jié)能收益甚至高于1 104.192萬元/年。

3)減少空預(yù)器蒸汽吹灰的收益

目前投運半年，空預(yù)器壓差能保持在800 ～1 000 Pa，所以停用了蒸汽吹灰。改造前，由于空預(yù)器堵塞嚴(yán)重，阻力大，每天蒸汽吹灰時長達20 h，每個吹灰槍耗蒸汽量44 kg/min，同一時段左右兩側(cè)空預(yù)器各投1根吹灰槍，單爐吹灰蒸汽用量5.28 t/h，按年運行8 000 h，其中有6 666 h均在吹灰計算，年用汽量為3.52萬t，2臺爐耗汽7.04萬t/年，再按飽和蒸汽價格180元/t計算，年節(jié)約成本1 267.2萬元。

4)阻力降低的節(jié)能量

按照煙氣側(cè)和空氣側(cè)比改造前分別降低580 Pa 和600 Pa的阻力估算，單臺爐可以節(jié)約電量：

空氣側(cè)電量=Q×ΔP/(3 600×1 000×η0×η1)=1 065 778×600/(3 600×1 000×0.85×0.98)=213 kW，8 000 h節(jié)約電量=8 000×213=170萬kW·h ，按照0.39元/(kW·h)，節(jié)約電費=170×0.39=66.8 萬元；

煙氣側(cè)電量=Q×ΔP/(3 600×1 000×η0×η1)=1 201 387×580/(3 600×1 000×0.85×0.98)=232 kW，8 000 h節(jié)約電量=8 000×232=185.6萬kW·h ，按照0.39元/(kW·h)，節(jié)約電費=185.6×0.39=72.4萬元

兩臺鍋爐阻力降低的節(jié)電收益為278.4萬元/年。

5)其他

熱風(fēng)溫度提高、燃燒效率提高、飛灰減少等產(chǎn)生的收益；除塵器入口煙溫降低，飛灰比電阻降低，除塵效率提高；脫硫入口煙氣溫度降低，脫硫水耗降低；除塵器及后續(xù)設(shè)備煙氣量降低，阻力降低。

4 結(jié)論

為了使某電鋁有限公司自備電廠2臺330 MW燃煤鍋爐的空預(yù)器實現(xiàn)防堵并同時降低排煙溫度，進行了基于煙風(fēng)耦合換熱技術(shù)的新型節(jié)能復(fù)合式換熱器的研究及應(yīng)用，取得非常好的效果，這是全國330 MW機組低低溫省煤器首次采用三維肋管換熱(煙氣-空氣換熱)。經(jīng)過1年多時間的運行，對改造后煙氣系統(tǒng)的運行性能和經(jīng)濟效益進行分析，可得到以下結(jié)論。

1)該方案不僅能夠滿足煙氣的換熱要求，提高鍋爐效率，而且能夠有效解決高硫燃煤爐的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器硫酸氫銨堵塞難題，提高電廠運行的可靠性。

2)三維肋管低低溫省煤器干燒系統(tǒng)能將二次凝結(jié)的硫酸氫銨氣化，使其在進入電除塵前凝結(jié)成水霧，與灰包裹，在進入電除塵后被凈化，有效防止硫酸氫銨對三維肋管低低溫省煤器的堵塞，換熱管和管板無腐蝕，管內(nèi)輕微積灰容易清洗。

3)經(jīng)過經(jīng)濟性分析，新型節(jié)能復(fù)合式換熱器改造后，電廠的實際節(jié)能收益巨大。

4)三維肋管低低溫省煤器避免了傳統(tǒng)的水媒介質(zhì)低低溫省煤器的易泄漏、堵塞，進而影響整個鍋爐穩(wěn)定運行的問題。采用三維內(nèi)外肋管作為強化換熱管可使得換熱能力增強，其具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，維護方便，經(jīng)濟性能好等優(yōu)點，是適合推廣使用的新型應(yīng)用技術(shù)，可為我國煙氣換熱器的創(chuàng)新性改造提供很好的借鑒。

5 問題及建議

1)因受改造條件限制，三維肋管低低溫省煤器冷端只有煙氣溫度測點，無金屬壁溫監(jiān)控，無法更好地摸索干燒經(jīng)驗。如在冬季或者低負荷時，三維肋管低低溫省煤器出口煙溫過低，三維肋管冷端段有發(fā)生腐蝕、堵塞的風(fēng)險。增加金屬壁溫，可指導(dǎo)干燒，所以本設(shè)計還可進一步優(yōu)化。

2)鑒于空間和投資有限，該電廠只能將三維肋管低低溫省煤器在鍋爐零米布置，造成煙風(fēng)管道布置緊湊，順暢度不佳，如有條件，最好將三維肋管低低溫省煤器布置在6.3 m層，煙風(fēng)阻力將進一步降低，同時有足夠的維護空間。

6 結(jié)語

“十四五”期間，全國火電機組完成節(jié)能改造，到2025年，全國火電平均供電煤耗降至300 g標(biāo)準(zhǔn)煤/(kW·h)以下。本方案既能解決空預(yù)器堵塞，又能有效節(jié)約煤耗，值得全國推廣使用。