物理熱解技術(shù)在降低空預(yù)器阻力上的應(yīng)用研究

1空氣預(yù)熱器阻力高原因分析

安慶電廠2×1000Mw超超臨界燃煤發(fā)電機組(#3、#4機組)每臺鍋爐配備兩臺由東方鍋爐廠提供的型號為LAP17286/2350的空氣預(yù)熱器,轉(zhuǎn)子直徑小17286mm,傳熱元件總高度2350mm,自上而下分別為300mm、1000mm、1050mm,冷段1050mm蓄熱元件為搪瓷件,采用脫硝空預(yù)器專用板型,熱段和中溫段蓄熱元件為優(yōu)質(zhì)低碳鋼。每臺空預(yù)器金屬重量約1380t,其中轉(zhuǎn)子重量約953t。空預(yù)器為垂直軸受熱面回轉(zhuǎn)式,三分倉結(jié)構(gòu),對稱布置于鍋爐尾部豎井的鋼結(jié)構(gòu)上,空預(yù)器旋轉(zhuǎn)方向依次為煙氣側(cè)、一次風(fēng)側(cè)、二次風(fēng)側(cè)。安慶電廠2×1000Mw超超臨界燃煤發(fā)電機組分別于2015年5月、6月投運,空預(yù)器設(shè)計差壓為不大于1.45kPa。#3機組投產(chǎn)初期空預(yù)器滿負(fù)荷實際運行差壓為1.7/1.9kPa,投產(chǎn)一年后滿負(fù)荷運行差壓為1.9/2.0kPa,并有持續(xù)增長趨勢。極端情況下,#4機組空預(yù)器阻力經(jīng)冬季低溫環(huán)境運行后,最大壓差達(dá)到3.2kPa。脫硝裝置投運后,由于氨逃逸不可避免,逃逸氨和煙氣中sO3反應(yīng)生成的硫酸氫銨在空預(yù)器中、低溫段凝結(jié),造成空預(yù)器積灰堵塞,煙氣差壓升高,堵塞最終使得引風(fēng)機運行狀況惡劣,電流上升,嚴(yán)重影響機組運行經(jīng)濟性和安全性,主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)影響換熱效率,排煙溫度升高。當(dāng)蓄熱元件表面附灰后,灰分的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)小于金屬蓄熱元件,影響煙氣和蓄熱元件之間的換熱,當(dāng)某一區(qū)域內(nèi)蓄熱元件間隙被完全堵死后,該區(qū)域內(nèi)蓄熱元件完全失去換熱作用,換熱效率降低,排煙溫度上升,鍋爐效率降低。

(2)冷端蓄熱元件損壞嚴(yán)重。由于空預(yù)器冷端堵灰,而蒸汽吹灰器伸縮管在接近中心筒區(qū)域停留時間較短,無法有效吹掃,長期的結(jié)露粘灰板結(jié)造成空預(yù)器內(nèi)三圈蓄熱元件腐蝕堵塞嚴(yán)重,煙氣阻力值最高。

(3)堵灰較為嚴(yán)重時,勢必要增加蒸汽吹灰次數(shù)和吹灰時長,這樣會加劇蓄熱元件的吹損,縮短使用壽命,增加蒸汽消耗量。

(4)空預(yù)器堵塞和低溫省煤器腐蝕后堵塞同時發(fā)生時,引風(fēng)機入口差壓長期高限運行,而風(fēng)機設(shè)計裕量偏小,限制了機組帶負(fù)荷能力,嚴(yán)重時會引起風(fēng)機失速甚至機組非停。同時,引風(fēng)機入口煙道長期處于高負(fù)壓下運行,易造成煙道膨脹節(jié)及設(shè)備損壞。

(5)空預(yù)器差壓升高,在被追提高風(fēng)機出力時,增加了廠用電率。

(6)因空預(yù)器蓄熱元件嚴(yán)重堵塞,煙氣差壓高危及機組安全穩(wěn)定運行,需要頻繁進(jìn)行在線或離線水沖洗,大幅增加了檢修成本及人員工作量,且需要消耗大量的水、汽和燃油,造成了能源損失。

2空氣預(yù)熱器阻力高的機理分析

燃煤發(fā)電機組空預(yù)器在煙氣環(huán)境下會發(fā)生以下兩個反應(yīng),生成硫酸銨和硫酸氫銨:

以上反應(yīng)中,NH4Hs04(即ABs)是造成空預(yù)器阻力升高和堵塞的根本原因。

煙氣脫硝裝置的投運對入口煙溫有嚴(yán)格要求,當(dāng)入口煙溫偏低時,sCR催化劑的催化效率大幅下降,導(dǎo)致氨逃逸明顯增加,生成大量硫酸氫銨,導(dǎo)致空預(yù)器發(fā)生堵塞和煙氣差壓增大的可能性大幅增加。安慶電廠#4機組投產(chǎn)初期,脫硫塔出口N0X排放值控制較低,平均為10mg/Nm3,氨逃逸率超標(biāo),造成空預(yù)器硫酸氫銨堵塞和阻力上升。2018年1月25日至2月9日,因持續(xù)嚴(yán)寒天氣,電網(wǎng)線路結(jié)冰,#3、#4機組限負(fù)荷運行,期間平均負(fù)荷率55.84%,#4機組脫硝入口平均煙溫336℃,最低煙溫318℃,空預(yù)器出口平均煙溫只有90℃。長期低煙溫運行嚴(yán)重影響催化劑效果,氨反應(yīng)不充分,氨逃逸增大,形成硫酸氫銨,造成空預(yù)器硫酸氫銨堵塞,煙氣差壓逐漸增大,機組被追限負(fù)荷運行。煙氣中水蒸氣的露點(即水露點)一般在30~60℃,鍋爐燃燒過程中,燃料中的硫分生成s02及s03,其中s03與煙氣中的水蒸氣反應(yīng)形成硫酸蒸汽,硫酸蒸汽的露點(也叫酸露點或煙氣露點)較高,隨著入爐煤硫分的升高,煙氣的露點溫度也大幅升高,從而使大量硫酸蒸汽凝結(jié)在低于煙氣露點的空預(yù)器冷段受熱面上,引起酸腐蝕,加劇了空預(yù)器煙氣阻力的升高。具體體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)因空預(yù)器在除塵器的上游位置,煙氣在流經(jīng)空預(yù)器之前沒有經(jīng)過除塵處理,煙氣中含灰量高,而空預(yù)器的蓄熱元件孔隙非常小,煙氣在流經(jīng)空預(yù)器蓄熱元件時,自然形成積灰。

(2)煙氣流經(jīng)脫硝設(shè)備時,在高溫和催化劑的共同作用下部分s02轉(zhuǎn)變?yōu)閟03?？疹A(yù)器蓄熱元件轉(zhuǎn)動到煙氣側(cè)時溫度逐漸上升,此后蓄熱元件進(jìn)入空氣側(cè),在空氣側(cè)進(jìn)行熱交換后冷卻,溫度逐漸下降,最冷溫度一般低于酸露點,當(dāng)蓄熱元件再次轉(zhuǎn)到煙氣側(cè)時,煙氣中硫酸蒸汽凝結(jié)在冷端蓄熱元件上,形成稀硫酸,腐蝕蓄熱元件的同時粘附灰分,加劇了蓄熱元件堵塞和煙氣阻力升高。

(3)由于sCR中的噴氨量難以精確控制,不可避免會造成一部分氨氣的逃逸。逃逸氨與煙氣中的s03和水蒸氣反應(yīng)生成NH4Hs04(即ABs)。在通常脫硝運行溫度下,NH4Hs04露點為141℃,從氣態(tài)到液態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間正好在流經(jīng)空預(yù)器部分的煙氣溫度區(qū)間內(nèi),煙氣中已生成的氣態(tài)硫酸氫銨會在空預(yù)器中、低溫段的蓄熱元件上凝結(jié)下來。液態(tài)的硫酸氫銨是一種黏性很強的物質(zhì),在煙氣中粘結(jié)飛灰,因此造成空預(yù)器中、低溫段蓄熱元件嚴(yán)重積灰和煙氣阻力升高,進(jìn)而影響空預(yù)器的正常運行。

(4)蒸汽吹灰器伸縮管在靠近中心筒區(qū)域停留時間較短,導(dǎo)致內(nèi)圈蓄熱元件吹灰不徹底,無法有效吹透中、低溫段存在硫酸氫銨的區(qū)域。安慶電廠2×1000Mw空預(yù)器檢修實踐證明,空預(yù)器蓄熱元件內(nèi)三圈積灰堵塞最嚴(yán)重,煙氣阻力最大,檢修吊裝時異常困難。

對于空預(yù)器而言,積灰和結(jié)露腐蝕是伴隨發(fā)生的,兩者相互促進(jìn)?？疹A(yù)器積灰之后更容易吸附煙氣中的硫酸蒸汽和NH4Hs04,加劇腐蝕。安慶電廠2×1000Mw空預(yù)器運行數(shù)據(jù)表明,劣化趨勢呈上升發(fā)展,而且永無止境。結(jié)露腐蝕產(chǎn)生的黏性鹽加重了積灰,會形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致蓄熱元件間隙逐漸縮小直至完全堵死,檢修期間已發(fā)現(xiàn)該問題真實存在。

3解決空預(yù)器阻力升高問題的必要性

安慶電廠2×1000Mw超超臨界燃煤發(fā)電機組作為國家能源集團乃至國內(nèi)百萬機組的標(biāo)桿電廠,各項指標(biāo)時刻受到行業(yè)及集團關(guān)注,較好的空預(yù)器運行指標(biāo)對機組競賽及標(biāo)桿示范作用有著至關(guān)重要的影響,加裝低溫省煤器,改變換熱元件波形,增加暖風(fēng)器等措施都是為了進(jìn)一步提高鍋爐效率。但是,因為機組深度調(diào)峰、春節(jié)用電負(fù)荷受限和冬季環(huán)境溫度較低等原因,較低的排煙溫度不可避免地造成了空預(yù)器冷端元件堵灰及腐蝕,空預(yù)器阻力上升,風(fēng)煙系統(tǒng)出力受限,給機組長期連續(xù)穩(wěn)定安全運行造成困擾。具體體現(xiàn)在以下幾點:

(1)空預(yù)器堵塞造成煙氣阻力升高,風(fēng)機出力不足造成風(fēng)機喘振、失速甚至跳閘,影響機組連續(xù)安全運行。

(2)空預(yù)器阻力上升造成風(fēng)機出力增加,廠用電率增加。同時空預(yù)器換熱效率下降,排煙溫度升高,影響鍋爐效率,降低機組經(jīng)濟性。

(3)空預(yù)器堵灰、腐蝕造成蓄熱元件壽命縮短。#4機組檢修期間發(fā)現(xiàn)內(nèi)三圈蓄熱元件因堵塞腐蝕而無法吊出檢修,只能破壞性拆除后更換新元件,增加檢修工作量的同時也提高了成本費用。

(4)隨著脫硝催化劑使用年限的增長,活性下降,氨逃逸量會進(jìn)一步提高,堵塞問題會持續(xù)惡化。

(5)由于電網(wǎng)深度調(diào)峰要求,機組在低負(fù)荷運行時間更長,空預(yù)器堵塞、腐蝕情況會更加嚴(yán)峻。

由此可見,空預(yù)器堵灰阻力升高,不僅對機組效率影響非常大,更重要的是影響機組的長期穩(wěn)定安全運行,因此,采用可靠的、有針對性的方案來解決并預(yù)防空預(yù)器堵灰和腐蝕問題勢在必行。

4物理熱解法的應(yīng)用及效果

安慶電廠2×1000Mw機組鍋爐空預(yù)器于2019年4月進(jìn)行了物理熱解法防堵灰改造。針對空預(yù)器的堵灰機理,物理熱解防堵灰技術(shù)主要從兩個方面解決問題。

一方面是提高空預(yù)器冷端的最低溫度,減少低溫腐蝕。利用空預(yù)器自身產(chǎn)生的熱風(fēng)對冷端換熱元件進(jìn)行加熱,加熱對象為即將進(jìn)入煙氣側(cè)的換熱元件,即溫度最低的冷端換熱元件。在空預(yù)器熱端和冷端二次風(fēng)倉內(nèi)分別重新分隔出一個7.5o的小分倉,并安裝小1.5m的聯(lián)絡(luò)熱風(fēng)道,利用循環(huán)增壓風(fēng)機帶動熱風(fēng)道內(nèi)的空氣進(jìn)行循環(huán)熱交換,循環(huán)風(fēng)在空預(yù)器熱端吸熱,生成300℃以上的熱風(fēng),熱風(fēng)從空預(yù)器冷端下部進(jìn)入蓄熱元件,對冷端進(jìn)行加熱,放出熱量,每循環(huán)一次即可完成一次吸放熱,相當(dāng)于利用空預(yù)器熱端熱量加熱冷端。煙氣中水蒸氣的露點一般在30~60℃,安慶地區(qū)煙氣中s03與水蒸氣混合形成的稀硫酸的酸露點大約在90℃,所以,300℃的循環(huán)熱風(fēng)完全可氣化和抑制稀硫酸的生成,避免了空預(yù)器冷端元件的酸腐蝕。

另一方面,煙氣中氣態(tài)NH4Hs04的露點為141℃,空預(yù)器蓄熱元件中ABs(即NH4Hs04)的反應(yīng)生成溫度一般在150~200℃范圍內(nèi),所以,300℃的循環(huán)熱風(fēng)完全可物理熱解和抑制ABs的生成,避免了空預(yù)器冷端元件ABs帶來的堵塞和空預(yù)器差壓的升高。

物理熱解法防堵灰技術(shù)的優(yōu)勢:

(1)物理熱解所需要的熱量來自空預(yù)器自身的交換熱量,沒有額外增加能耗,對機組供電煤耗和廠用電率基本上沒有影響。循環(huán)熱風(fēng)對進(jìn)入煙氣側(cè)的換熱元件局部區(qū)域單獨加熱,可使冷端元件表面溫度有效提升,熱解效果明顯。

(2)循環(huán)熱風(fēng)加熱的對象是即將進(jìn)入煙氣側(cè)的換熱元件,這個位置的換熱元件溫度最低,最容易發(fā)生硫酸腐蝕和ABs堵塞,通過熱風(fēng)持續(xù)對換熱元件表面進(jìn)行加熱和吹掃,可以及時地氣化稀硫酸和熱解ABs,同時有抑制其生成的作用。

(3)循環(huán)熱風(fēng)處于閉式流通狀態(tài),不影響空預(yù)器內(nèi)部一、二次風(fēng)和煙氣的流場特性。

(4)設(shè)備改造簡單,運行控制靈活。主要改造內(nèi)容包括二次風(fēng)倉內(nèi)增設(shè)兩個7.5o的小分倉,新加兩臺循環(huán)增壓風(fēng)機、扇形板提升機構(gòu)。若熱風(fēng)取自二次熱風(fēng)母管,則無需在空預(yù)器熱端設(shè)立單獨的小分倉,結(jié)構(gòu)更加簡單。

物理熱解法防堵灰技術(shù)實施后效果:

(1)經(jīng)過機組40%負(fù)荷調(diào)峰運行及1000Mw滿負(fù)荷運行,主機及改造設(shè)備運行穩(wěn)定無異常。

(2)改造后空預(yù)器煙氣側(cè)阻力持續(xù)平穩(wěn),再無增加趨勢。

(3)空預(yù)器漏風(fēng)率及排煙溫度正常,對機組煤耗及廠用電率影響不明顯。

(4)物理熱解防堵灰系統(tǒng)能在熱風(fēng)溫度300℃以上的工況下長期安全運行,設(shè)備無異常。

5預(yù)防空預(yù)器阻力升高的輔助措施

燃煤發(fā)電機組實施煙氣污染物超低排放改造以后,空預(yù)器堵灰、阻力升高已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)火力發(fā)電機組普遍存在的問題和難題。安慶電廠2×1000Mw機組鍋爐空預(yù)器物理熱解法防堵灰改造是從堵塞機理上出發(fā),徹底根治問題的一種解決途徑,經(jīng)過機組運行實踐,效果明顯。但空預(yù)器堵塞的問題應(yīng)該采取協(xié)同治理的方法,多管齊下,多種措施共同預(yù)防,不可僅僅局限于一種技術(shù)的應(yīng)用。以下是就協(xié)同治理提出的幾點補充措施:

(1)運行中控制脫硝入口N0C濃度<250mg/Nm3,控制脫硫塔出口N0C濃度>35mg/Nm3,小時平均值<50mg/Nm3,盡可能減少噴氨量,降低氨逃逸率,減少硫酸氫銨(ABs)的生成。

(2)結(jié)合機組檢修周期,每年進(jìn)行一次脫硝噴氨流場優(yōu)化試驗,根據(jù)煙氣流場的分布特點,調(diào)整噴氨調(diào)節(jié)門開度,合理分布sCR入口噴氨量,盡可能減少局部區(qū)域噴氨量過量,降低氨逃逸率,減少硫酸氫銨生成。

(3)利用機組檢修時間,根據(jù)空預(yù)器蓄熱元件堵塞的嚴(yán)重程度,可將空預(yù)器高溫段、中溫段和冷端蓄熱元件全部吊出進(jìn)行解體,逐包逐片清洗,盡可能采用干刷清洗。蓄熱元件在回裝前進(jìn)行壓縮空氣吹掃和高溫?zé)煔夂娓?對破損或腐爛的蓄熱片進(jìn)行更換。

(4)對脫硝反應(yīng)器進(jìn)行煙氣旁路封堵,催化劑模塊進(jìn)行積灰清理并做透光檢查,對噴氨格柵和調(diào)節(jié)門進(jìn)行清理,保證噴氨流暢均勻,防止氨氣旁路導(dǎo)致空預(yù)器內(nèi)發(fā)生硫酸氫銨堵塞。

(5)對脫硝催化劑進(jìn)行定期性能分析和劣化趨勢分析,防止催化劑失效導(dǎo)致噴氨量增加。

(6)空預(yù)器需更換新的蓄熱元件時,要充分考慮換熱效率和煙氣阻力之間的矛盾問題,建議采用換熱效果好但煙氣阻力低的新型版型,若是采用大通道波形板,則可考慮通過高溫段和中溫段二合一的改造方法,補償換熱效果。

(7)可以考慮在空預(yù)器入口風(fēng)道增加暖風(fēng)器,提高空預(yù)器進(jìn)口綜合風(fēng)溫,緩解堵塞現(xiàn)象。

6結(jié)語

隨著火力發(fā)電機組超低排放改造工程的大面積鋪開,大部分電廠對空預(yù)器進(jìn)行了應(yīng)對脫硝的防堵灰改造,如換熱元件的重新計算選型、密封系統(tǒng)改造、ABs物理熱解方案改造、增加暖風(fēng)器改造、煙氣再循環(huán)改造等。本文以安慶電廠2×1000Mw超超臨界燃煤發(fā)電機組空預(yù)器物理熱解法防堵灰改造的實戰(zhàn)經(jīng)驗為基礎(chǔ),總結(jié)成功經(jīng)驗,提出幾點措施,可以為行業(yè)內(nèi)遇到同樣問題的電廠提供有效參考。