高硫煤機組尾部煙道中灰硫分布規(guī)律研究

張知翔，徐黨旗，車宏偉，賈兆鵬，李文鋒，鄒小剛，李 楠

（1.西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司，陜西 西安 710054；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

燃煤鍋爐空氣預(yù)熱器出口排煙溫度實際運行一般比設(shè)計值高出20~50 ℃[1]，排煙溫度高會導(dǎo)致機組熱效率降低、靜電除塵器效率降低、濕法脫硫系統(tǒng)水耗增加等一系列問題[2]。為了更充分地回收排煙余熱，以低低溫省煤器為核心的煙氣余熱利用技術(shù)得到了快速發(fā)展，低低溫省煤器聯(lián)合暖風(fēng)器技術(shù)既提高了排煙余熱利用率，又改善了空氣預(yù)熱器的運行環(huán)境，在中低硫煤機組上得到了廣泛應(yīng)用[2-6]。但高硫煤機組由于存在嚴(yán)重的低溫腐蝕和黏性積灰風(fēng)險，低低溫省煤器技術(shù)尚未得到推廣。

低低溫省煤器出口排煙溫度低于煙氣酸露點，受到SO3低溫腐蝕的威脅。日本三菱重工試驗研究表明，灰硫比大于10時，可避免低溫腐蝕。美國南方電力公司研究認(rèn)為當(dāng)含硫量低于2.5%時，灰硫比在50~100以上可避免低溫腐蝕；當(dāng)含硫量高于2.5%時，灰硫比在200以上可避免低溫腐蝕[5-7]。我國典型煤種的灰硫比均大于100[7]，實際運行時，發(fā)生低溫腐蝕的現(xiàn)象較少。

文獻[8]研究了低溫腐蝕與黏性積灰之間的耦合機理，認(rèn)為積灰速率與換熱管壁溫成反比，黏性積灰分為內(nèi)中外3層，并給出了黏性積灰層中溫度和SO3質(zhì)量濃度的分布模型。文獻[9]研究了顆粒物吸附硫酸酸霧后的團聚現(xiàn)象，認(rèn)為吸附反應(yīng)后單個顆粒物存在4種表面形態(tài)，顆粒物間存在4種團聚形態(tài)。文獻[10]通過試驗和數(shù)值模擬研究了中低溫?zé)煔鈸Q熱器氣側(cè)積灰、磨損及腐蝕機理。文獻[11]通過高硫煤低低溫省煤器中試試驗臺，研究了低低溫省煤器對SO3的協(xié)同脫除。文獻[12]介紹了高硫高灰低溫?zé)煔猸h(huán)境下SO3的行為特性，認(rèn)為低低溫省煤器后SO3的質(zhì)量濃度主要受煙氣溫度的影響。

現(xiàn)有研究均以煙道中SO3和灰分均勻分布為前提，未對煙道中SO3和灰分的分布規(guī)律進行研究。高硫煤機組尾部煙氣中SO3質(zhì)量濃度可能達到，煙道中SO3和灰分的不均勻分布容易造成局部灰硫比低于100。因此有必要對煙道中灰、硫的分布規(guī)律進行研究，推薦適合的灰硫比，以保障低低溫省煤器本體的安全。

本文在某高硫煤燃煤機組上搭建低低溫省煤器試驗臺，對低低溫省煤器前后不同煙道截面的SO3及飛灰質(zhì)量濃度進行了測試，研究灰、硫在尾部煙道中的沿程分布規(guī)律，提出適用于高硫煤機組的安全灰硫比，以期對高硫煤機組低低溫省煤器的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗方法

1.1 試驗系統(tǒng)

某電廠鍋爐為亞臨界、倒“U”型布置、中間一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣、W型火焰鍋爐。尾部配有2臺雙室四電場靜電除塵器。2016年進行了WGGH系統(tǒng)改造，在靜電除塵器入口加裝低低溫省煤器，將靜電除塵器入口煙溫降低至100 ℃左右，提高機組熱效率和靜電除塵器效率，減少脫硫塔水耗。

機組設(shè)計煤種的收到基硫分為4.06%，2016—2018年期間燃煤收到基全硫的平均值大于3.14%，屬典型高硫煤機組。

高硫煤機組低低溫省煤器試驗系統(tǒng)如圖1所示。從鍋爐空氣預(yù)熱器出口尾部煙道抽取10 000 m3/h（標(biāo)態(tài)）煙氣，煙氣經(jīng)低低溫省煤器、靜電除塵器和引風(fēng)機后回到靜電除塵器入口的尾部煙道取風(fēng)口下游[12]。其中前3組模塊布置在水平煙道，用于研究水平煙道不同截面上灰、硫的分布規(guī)律；后2組模塊布置在豎直煙道，用于研究豎直煙道上不同截面灰、硫的分布規(guī)律。每2組模塊中間布置有聲波吹灰器。

圖1 高硫煤機組低低溫省煤器試驗臺Fig.1 The ultra low temperature economizer test bed for high sulfur coal-fired unit

1.2 測試方法

試驗測點布置在換熱模塊入口水平煙道上中下，第3組模塊出口水平煙道上中下，第5組模塊出口豎直煙道內(nèi)中外，每處在煙道的不同截面測試煙氣中的SO3及飛灰質(zhì)量濃度3組數(shù)據(jù)。

采用控制冷凝法對煙氣中的SO3質(zhì)量濃度進行測試，具體試驗方法及系統(tǒng)見文獻[12]。

2 尾部煙道內(nèi)灰硫比分布

2.1 低低溫省煤器前分布規(guī)律

表1為低低溫省煤器入口水平煙道不同斷面的飛灰和SO3質(zhì)量濃度測試結(jié)果。

表1 低低溫省煤器進口水平煙道灰硫比測試結(jié)果Tab.1 The test result of ash-sulfur ratio in horizontal flue at inlet of the ultra low temperature economzier

由表1可見：水平煙道內(nèi)飛灰質(zhì)量濃度在不同斷面下高上低，SO3質(zhì)量濃度下低上高，灰硫比下高上低。這主要是由于重力作用，飛灰在水平煙道內(nèi)存在分層現(xiàn)象，而在酸露點以上飛灰對SO3有物理吸附作用，飛灰質(zhì)量濃度高吸附作用強，因此飛灰與SO3質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。

2.2 低低溫省煤器后分布規(guī)律

表2為低低溫省煤器后垂直煙道和水平煙道不同斷面的SO3質(zhì)量濃度測試結(jié)果。水平煙道測孔位于第3個模塊后，垂直煙道測孔位于第5個模塊后。由表2可以看出：

1）低低溫省煤器后水平煙道內(nèi)SO3質(zhì)量濃度在不同斷面上無明顯差別。主要原因是雖然在水平煙道不同斷面上飛灰含量有所不同，但根據(jù)酸露點以下灰硫比對SO3脫除率的影響可以看出，當(dāng)灰硫比超過100時SO3脫除率受灰硫比的影響較小，而水平煙道上層截面的灰硫比也超過100，因此在低低溫省煤器中降溫后，不同斷面上SO3質(zhì)量濃度均較小，無明顯變化。

2）低低溫省煤器后垂直煙道內(nèi)SO3質(zhì)量濃度呈現(xiàn)外高內(nèi)低的規(guī)律。主要原因是SO3在低溫狀態(tài)下以飛灰為核心凝結(jié)成硫酸液滴，其質(zhì)量大大增加，與飛灰同一量級，因此遇到彎頭，會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

表2 低低溫省煤器出口煙道SO3質(zhì)量濃度測試結(jié)果Tab.2 The test results of SO3 mass concentration in flue at outlet of the ultra low temperature ecnomizer

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 最小安全灰硫比確定

水平煙道的主要問題是飛灰在重力作用下的沉降，水平煙道灰硫比均勻度分析見表3。由表3可見，同一個煙道內(nèi)飛灰質(zhì)量濃度、SO3質(zhì)量濃度以及灰硫比的最大最小比值分別在1.48、1.13、1.67左右。

文獻[11]試驗條件下煙氣灰硫比在105.2~436.7之間變化，低低溫省煤器出口SO3質(zhì)量濃度在7.4~20.6 mg/m3變化，平均值為13.4 mg/m3，出口殘余SO3量較小。另外，結(jié)合高硫煤機組低低溫省煤器實爐運行3年，未發(fā)生腐蝕，認(rèn)為灰硫比在100以上比較安全。根據(jù)文獻[11]的研究成果，當(dāng)?shù)偷蜏厥∶浩魉讲贾脮r，考慮到灰硫比的不均勻性最高達到1.76，推薦水平布置的安全灰硫比為150。豎直布置的低低溫省煤器需要做流場優(yōu)化，確保煙道截面上飛灰的不均勻性小于10%，因此灰硫比較為均勻，可以認(rèn)為安全灰硫比為100。

表3 水平煙道灰硫比均勻度分析Tab.3 Analysis result of the uniformity of ash-sulfur ratio in horizontal flue

3.2 灰分對SO3的物理吸附

低低溫省煤器進口煙道飛灰對SO3的物理吸附率測試結(jié)果見表4。根據(jù)測試結(jié)果，可以得出水平煙道下部最大飛灰質(zhì)量濃度與水平煙道上部最小飛灰質(zhì)量濃度的差值，同時可以得出水平煙道上部最大SO3質(zhì)量濃度與水平煙道下部最小SO3質(zhì)量濃度的差值。此時SO3質(zhì)量濃度的降低值是由于飛灰質(zhì)量濃度的提高值引起的，由于煙氣溫度處于酸露點以上，因此引起SO3質(zhì)量濃度降低的主要因素是飛灰的物理吸附。

定義飛灰對SO3的物理吸附比為吸附單位質(zhì)量的SO3所需要的飛灰質(zhì)量，則利用同一工況下不同截面處飛灰質(zhì)量濃度的提高值除以SO3質(zhì)量濃度的降低值便可以得出飛灰對SO3的物理吸附比，通過不同測點處的飛灰質(zhì)量濃度乘以該工況下的物理吸附比，便可以得出不同測點處飛灰對SO3的物理吸附量，由此得出總的SO3質(zhì)量濃度和飛灰對SO3的物理吸附率。從計算結(jié)果可以看出，同一工況下不同煙道截面測點處總的SO3質(zhì)量濃度基本相同，從側(cè)面證實本文算法的正確性，也證實了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

飛灰對SO3的物理吸附率在15.69%~32.45%，同一工況下飛灰對SO3的物理吸附率與飛灰的質(zhì)量濃度成正比，水平煙道下方測點處的吸附率高于水平煙道上方測點處的吸附率，主要是因為飛灰質(zhì)量濃度高，則吸附面積大，吸附量也大。

不同工況下，飛灰對SO3的物理吸附量與飛灰的質(zhì)量濃度總體上成正比，但相關(guān)性不強。主要是由于不同工況煤質(zhì)差別較大，飛灰顆粒的粒徑及表面孔隙率有差異，導(dǎo)致其物理吸附能力有差異。總的SO3質(zhì)量濃度越高，飛灰對SO3的物理吸附率越低，主要是因為總的SO3質(zhì)量濃度越高，分母越大，則吸附率越低。

表4 低低溫省煤器進口煙道飛灰對SO3的物理吸附率測試結(jié)果Tab.4 The physical adsorption ratios of fly ash to SO3 at inlet flue of the ultra low temperature economizer

3.3 煙道內(nèi)灰、硫遷移模型

根據(jù)測試結(jié)果提出了煙道內(nèi)灰、硫的遷移分布模型，即水平煙道和豎直煙道內(nèi)加裝低低溫省煤器前后灰分、硫分以及灰硫比在不同煙道截面上的分布規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

圖2 煙道內(nèi)灰、硫的遷移分布模型Fig.2 The migration and distribution model of ash and sulfur in flue duct

低低溫省煤器前SO3為氣相，飛灰對其僅為物理吸附，因此其質(zhì)量濃度與飛灰質(zhì)量濃度成反比。飛灰由于重力作用其質(zhì)量濃度在水平煙道內(nèi)的分布是上低下高，因此SO3的質(zhì)量濃度分布為上高下低，灰硫比的分布為上低下高。

低低溫省煤器后煙氣溫度降低至酸露點以下，SO3為霧狀，與飛灰的反應(yīng)為化學(xué)反應(yīng)，且殘余質(zhì)量濃度在15 mg/m3以下，飛灰對其物理吸附差異不明顯，因此在水平煙道截面上分布較均勻，而飛灰由于重力作用其質(zhì)量濃度在水平煙道內(nèi)的分布是上低下高，因此灰硫比為上低下高，由此計算的灰硫比分布同樣為上低下高。遇到彎頭后分布規(guī)律受慣性力的影響，飛灰質(zhì)量濃度外高內(nèi)低，SO3質(zhì)量濃度也是外高內(nèi)低，但是SO3由于霧滴顆粒非常細(xì)小，受慣性力影響較小，其質(zhì)量濃度內(nèi)外差異不大，因此相應(yīng)的灰硫比為外高內(nèi)低。

4 結(jié) 論

1）低低溫省煤器前水平煙道內(nèi)飛灰質(zhì)量濃度在不同斷面下高上低，SO3質(zhì)量濃度下低上高，灰硫比下高上低。

2）低低溫省煤器后水平煙道內(nèi)SO3質(zhì)量濃度在不同斷面上無明顯差別，在垂直煙道內(nèi)外高內(nèi)低。

3）當(dāng)?shù)偷蜏厥∶浩魉讲贾脮r，推薦安全灰硫比為150。當(dāng)?shù)偷蜏厥∶浩髫Q直布置時，推薦安全灰硫比為100。

4）飛灰對SO3的物理吸附率在15.69%~32.45%，飛灰對SO3的物理吸附率與飛灰的質(zhì)量濃度成正比，總的SO3質(zhì)量濃度越高，飛灰對SO3的物理吸附率越低。