風量分切防堵灰技術在回轉式空氣預熱器的研究與應用

王映磊，何 韜

(國家能源集團重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶 400805)

空氣預熱器(以下簡稱“空預器”)作為鍋爐五大受熱面之一，是火力發(fā)電廠的主要輔助設備，其功能是利用鍋爐尾部煙道的煙氣余熱來加熱鍋爐燃燒所需的空氣[1]。空氣預熱器的運行阻力、漏風率以及排煙溫度是其運行過程中最重要的性能參數(shù)。目前為了防止空預器堵塞，降低空預器運行阻力，電廠一般會加裝蒸汽吹灰和高壓水在線沖洗裝置。但與此同時，會造成冷段換熱元件加速破損、散包、坍塌的后果，嚴重時空氣預熱器轉子會卡澀停運。另外，換熱元件的堵塞、沾污，導致空預器蓄熱能力下降，排煙溫度升高；同時堵塞促使送、引風機出力提高，導致了空氣和煙側差壓提高，漏風率上升。

國家能源集團重慶恒泰發(fā)電有限公司(以下簡稱“恒泰電廠”)現(xiàn)擁有2臺300 MW火電機組，是國家“十五”期間的重點工程之一，其中 1#機組于2006年12月26日投產(chǎn)發(fā)電，2#機組于2007年5月21日投產(chǎn)發(fā)電。恒泰電廠所配回轉式空氣預熱器均為東鍋設計制造，三分倉結構。由于鍋爐燃煤含硫量高，加上脫硝投入產(chǎn)生硫酸氫氨，使得1#和2#爐空氣預熱器發(fā)生低溫腐蝕及堵灰嚴重。為了解決1#和2#爐空預器所存在的低溫腐蝕及堵灰現(xiàn)象，恒泰電廠于2018年9月進行了2#鍋爐空氣預熱器防堵灰改造，于2019年10月進行了1#鍋爐空氣預熱器防堵灰改造。

在此闡述了空氣預熱器堵灰的形成機理，分析了不同原因所致堵灰的解決方法，介紹了解決空預器堵灰及低溫腐蝕問題的空預器分量分切防堵灰技術。借助數(shù)值模擬方法，分析了該技術運用前后空預器內(nèi)的溫度分布情況，同時結合恒泰電廠2臺鍋爐空預器進行防堵灰技術改造前后實際運行數(shù)據(jù)，驗證了技術的可行性和有效性。

1 空氣預熱器堵灰的機理及預防治理方法

1.1 空氣預熱器堵灰機理

回轉式空氣預熱器的傳熱元件布置比較緊密，氣流通道狹窄又彎曲，因而容易積灰甚至堵灰?？疹A器堵灰是一個相對復雜的過程，自SCR脫硝系統(tǒng)加裝之后，空預器內(nèi)堵灰過程大致是：首先，燃料在爐膛燃燒后流經(jīng)省煤器和SCR脫硝系統(tǒng)，在未經(jīng)任何除塵設備的情況下，煙氣中含有大量的灰塵，在流經(jīng)狹窄而彎曲的蓄熱元件通道時，不可避免會有少量灰塵沉積在干凈的蓄熱元件表面；其次，煙氣中的黏性物質(水、酸性物質、硫酸氫銨等)將作為粘結劑，阻止干灰從蓄熱元件表面脫離，促進灰分的積累直至形成堵灰。因此，含大量灰的煙氣、狹窄的通道和適當?shù)恼辰Y劑構成了空預器堵灰的因素，并且只要有粘結劑存在，無論何煤種，都有可能嚴重堵灰，粘結劑是造成空氣預熱器堵灰的關鍵因素。依據(jù)目前火電廠空預器運行狀況進行分析，發(fā)現(xiàn)造成空預器堵灰的粘結劑主要來自硫酸液滴和硫酸氫銨。

煙氣中含有水蒸氣和硫酸蒸氣，水蒸氣與SO3結合生成硫酸蒸氣是放熱反應。在煙氣溫度高于200～250 ℃時，反應很慢；當煙溫低于110 ℃后，基本上全部反應生成硫酸蒸氣。煙氣在流過低于露點(129～149 ℃)的蓄熱元件表面時，硫酸蒸氣將在蓄熱元件表面凝結成硫酸液滴[3]。硫酸溶液溶解蓄熱元件表面的氧化膜，對蓄熱元件產(chǎn)生低溫腐蝕。同時，硫酸液滴還作為粘結劑吸附煙氣中的飛灰從而造成空預器堵塞；另一方面還與金屬和飛灰反應生成酸性粘結灰加劇空預器的堵塞。

在煙氣進入空預器之前，由于煤燃燒所產(chǎn)生的部分SO2將轉化為SO3，同時為了保證SCR脫銷效率，脫硝過程中將不可避免產(chǎn)生一定的氨逃逸量，SO3將與NH3進一步發(fā)生反應生成硫酸銨((NH4)2SO4)和硫酸氫銨(NH4HSO4)[4]：

在空預器運行溫度范圍內(nèi)，硫酸銨通常呈固體顆粒狀，將隨著煙氣流過空預器被后面的除塵設備所捕集，不會在空預器運行過程中造成腐蝕、堵灰等危害，從而不會影響空預器的安全穩(wěn)定運行。

而硫酸氫銨在空預器運行溫度范圍內(nèi)將分別呈現(xiàn)氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。硫酸氫銨在146～207 ℃為黏稠的液態(tài)物質，具有高粘結性，高過207 ℃繼續(xù)升溫轉為氣態(tài)，低于146 ℃繼續(xù)降溫轉為固態(tài)。空預器在運行過程中，煙氣中所含的氣態(tài)硫酸氫銨將以氣體形式隨煙氣排除，固態(tài)硫酸氫銨以顆粒物形式隨煙氣排除。而液態(tài)硫酸氫銨則很容易附著在空預器蓄熱元件表面并不停吸附煙氣中的飛灰，從而造成空預器堵塞，堵塞換熱元件通道，減小空預器內(nèi)流通截面積，導致空預器運行阻力的增加。

1.2 解決空預器堵灰的思路

近年來，用于空預器防堵灰治理的技術層出不窮，包括蒸汽吹灰、水沖洗、熱風再循環(huán)、雙介質吹灰等。這些技術可以歸結為兩個方面：一是通過熱氣反吹來改變空預器內(nèi)蓄熱元件的溫度分布，不同技術的區(qū)別在于熱風的來源及加熱位置等；二是通過物理吹掃，主要區(qū)別在于吹掃介質(水、灰或者氣等)不同。依據(jù)空預器的堵塞原理，要解決空預器堵塞問題，必須先解決硫酸蒸氣和硫酸氫銨這兩大粘結劑。

對于由硫酸液滴引起的空預器堵塞和低溫腐蝕問題，依據(jù)硫酸液滴生成機理，一方面可以提高煙氣溫度，避免低于110 ℃，從而減緩硫酸蒸氣的生成；另一方面對于已經(jīng)生成的硫酸蒸氣則可以通過提高蓄熱元件溫度使其達到酸露點(129～149 ℃)之上，避免硫酸液滴在蓄熱元件表面凝結，以硫酸蒸氣的形式隨煙氣排出從而避免空預器低溫腐蝕和堵塞。由于硫酸液滴是在煙氣側產(chǎn)生并凝結的，為了防止轉子進入空氣側之后進一步腐蝕蓄熱元件，則需要在轉子進入空氣側之前對蓄熱元件進行升溫，使其最低點溫度達到酸露點(129～149 ℃)之上。

與硫酸蒸氣相同，硫酸氫銨也是在煙氣側生成并凝結的，轉子轉入空氣側之前，煙氣中所含的氣態(tài)硫酸氫銨將以氣體形式隨煙氣排除，固態(tài)硫酸氫銨以顆粒物形式隨煙氣排除。而以液態(tài)形式存在的硫酸氫銨將在蓄熱元件表面沉積，要么以粘稠狀態(tài)一直黏附在蓄熱元件表面，要么在轉子進入空氣側之后由液態(tài)變?yōu)閳杂驳墓虘B(tài)堵塞空預器通道。對于黏稠的液態(tài)硫酸氫銨及其吸附的飛灰，可以用高溫煙氣作為介質對其進行物理吹掃，而沉積后板結的硫酸氫銨則難以去除。因此解決硫酸氫銨引起的空預器堵塞物體，其關鍵是防止轉子進入空氣側之前附著在蓄熱元件表面的硫酸氫銨的板結。

2 空氣預熱器風量分切防堵灰技術

依據(jù)以上對空預器堵灰原理及解決思路的分析，運用空氣預熱器風量分切防堵灰技術結合熱氣反吹和物理吹掃兩大技術，合理設置循環(huán)風倉位置，對空預器堵塞問題起到防治結合的作用。

2.1 技術介紹

空氣預熱器風量分切防堵灰技術的基本原理是，在轉子轉入空氣側之前增設循環(huán)風分倉，通過循環(huán)風道將循環(huán)風倉上下兩端連接起來使之形成一個獨立的通道。從空預器熱端抽取煙氣作為熱風使其從空預器冷端循環(huán)風分倉流入，對空預器冷端蓄熱元件進行加熱，防治硫酸液滴的凝結和硫酸氫銨的板結。此外，在循環(huán)風機作用下，循環(huán)風道內(nèi)高速流動的高溫煙氣將會以物理吹掃的機制帶走已經(jīng)附著在蓄熱元件表面的硫酸氫銨及其吸附的飛灰，在蓄熱元件轉入空氣側之前徹底清理掉已沉積的硫酸蒸氣的硫酸氫銨，同時解決了低溫腐蝕和空預器堵灰兩大問題。

圖1為風量分切防堵灰技術的改造示意圖，采用該技術對空預器進行防堵灰改造的過程中，設備改造主要包括循環(huán)風分倉的增設、循環(huán)風道及循環(huán)風機的增設，整個系統(tǒng)的循環(huán)動力由循環(huán)風機提供。具體改造過程：通過改變空預器原有扇形板的角度以及煙氣側(或二次風側)的通流面積，在不增加空預器漏風率的情況下增設一個循環(huán)風分倉；并通過循環(huán)風管道將循環(huán)風分倉上下兩端連接起來，并加裝循環(huán)風機作為循環(huán)動力。

2.2 溫度場分析

運用Ansys Fluent軟件模擬空預器風量分切防堵灰技術運用前后空預器內(nèi)的溫度分布情況，對空預器風量分切防堵灰技術的可行性進行評價。

(a)循環(huán)風分倉增設示意圖

(b)整體改造示意圖圖1 風量分切防堵灰技術改造示意圖

2.2.1 數(shù)值模型的建立

為了簡化模型，考慮到回轉式空氣預熱器一般是由48個倉格組成，選取回轉式空預器的一個倉格(7.5度)進行數(shù)值模擬計算，并運用ICEM CFD軟件進行了合理的結構化網(wǎng)格劃分(如圖2所示)。模型選用標準k-ε湍流模型，煙氣及空氣物性參數(shù)采用分段線性分布，并運用多孔介質非熱平衡模型模擬空預器內(nèi)的蓄熱元件，氣體入口邊界條件為質量入口，出口邊界為壓力出口[5]。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

計算過程中采用非穩(wěn)態(tài)計算模型，讓不同流量和溫度的煙氣和空氣分別從不同方向在不同時間流過空預器隔倉，以此來模擬空預器的實際運行狀態(tài)。此外，為了評估空預器風量分切防堵灰技術的可行性，分別模擬了該技術運用前后空預器內(nèi)蓄熱元件的溫度分布情況。其中數(shù)值模擬的兩種工況如表1所示。

表1 數(shù)值模擬計算工況

2.2.2 數(shù)值結果分析

在數(shù)值結果分析過程中，以空預器冷端為0 m基準面，空預器總高度為2.2 m，每隔一定高度提取空預器內(nèi)蓄熱元件的溫度。圖3所示為風量分切防堵灰技術應用前(case0)空預器內(nèi)，不同高度截面上溫度隨分倉角度(以煙氣入口為0°)的分布情況。從圖中可以看出，空預器的整個運行溫度處于空氣入口溫度(45 ℃)與煙氣入口溫度(350 ℃)范圍內(nèi)，煙氣側隨著分倉角度的增大，空預器內(nèi)溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢，在空氣側(一次風和二次風)隨著分倉角度的增大空預器內(nèi)溫度呈整體下降趨勢，空預器內(nèi)溫度在進入煙氣側(0°或360°)和轉出煙氣側(180°)時分別達到最小值和最大值。空預器內(nèi)距冷端0～0.5m高度內(nèi)的蓄熱元件處于煙氣露點(147 ℃)以下，將產(chǎn)生低溫腐蝕；空預器內(nèi)距冷端0.4～0.9 m高度內(nèi)的蓄熱元件處于硫酸氫銨液態(tài)區(qū)，轉子進入空氣側之后將發(fā)生硫酸氫銨板結，造成嚴重堵灰。

圖3 CASE1情況下空預器內(nèi)溫度分布

圖4所示為運用空預器風量分切防堵灰技術前后，空預器內(nèi)蓄熱元件轉至空氣側之前溫度隨高度的分布情況。從圖中可以看出，循環(huán)風道的增設使空預器冷端溫度得到了明顯的提高(特別是0.8 m以下的部分)，使得蓄熱元件進入空氣側之前的最低溫度由76 ℃升高至168 ℃，最低溫度(168 ℃)在硫酸氫銨凝固點(147 ℃)之上，有效地防止了硫酸氫銨的板結。

圖4 蓄熱元件轉至空氣側之前溫度隨高度分布圖

以上通過數(shù)值模擬方法，分析了空預器風量分切防堵灰技術應用前后空預器內(nèi)蓄熱元件的溫度分布情況。數(shù)值結果表明，在空預器風量分切防堵灰技術應用之前，即將進入空氣側的0.5 m以下蓄熱元件的冷端溫度均在酸結露點和硫酸氫銨板結點之下，如果不加以修正，在轉子進入空氣側之后將造成低溫腐蝕和硫酸氫銨板結；在空預器風量分切防堵灰技術應用之后，即將進入空氣側的0.8 m以下蓄熱元件的溫度均得到了明顯提高，蓄熱元件進入空氣側之前的最低溫度達到168 ℃，避免了硫酸液滴的凝結和硫酸氫銨的板結，為通過物理吹掃清除硫酸氫銨提供了必要條件。

2.3 實際改造效果

恒泰電廠2#爐空氣預熱器進行風量分切防堵灰技術改造前后的實際運行數(shù)據(jù)如表2所示，其中選取改造前后3個不同時間段的一、二次風進出口溫度和壓差，以及煙氣進出口溫度和壓差進行了對比分析。對比空氣及煙氣進出口溫度可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過空預器風量分切防堵灰改造，空預器一、二次風出口溫度及煙氣出口溫度均沒有受到影響，與防堵灰改造前的數(shù)據(jù)基本保持一致。通過對比改造前后一、二次風及煙氣側壓差則可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過防堵灰改造，空預器內(nèi)的運行壓差得到了明顯的改善，一次風側壓差由改造前的3 000 Pa以上降至改造后的1 400 Pa以下；二次風側壓差由改造前的800 Pa以上降至改造后的600 Pa以下；煙氣側壓差由改造前的1 450 Pa以上降至改造后的1 200 Pa以下。

表2 空氣預熱器風量分切防堵灰技術改造前后運行數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)進一步表明，經(jīng)過空預器風量分切防堵灰改造，空預器內(nèi)的溫度場得到很好的改善，防止了硫酸氫銨板結，有效改善了空預器內(nèi)的堵塞問題，也進一步證明了空預器風量分切防堵灰技術的可行性及有效性。

3 總結

本文分析了造成空氣預熱器低溫腐蝕和堵灰的原因，并針對不同原因分析其解決思路。提出應用空預器風量分切防堵灰技術解決空預器低溫腐蝕和堵塞問題，并簡要敘述了該技術的改造方案。最后借助Fluent數(shù)值模擬軟件，模擬了空預器風量分切防堵灰技術應用前后空預器內(nèi)蓄熱元件進入空氣側之前的溫度分布情況，表明該技術的應用將蓄熱元件最低溫度由76 ℃升高至168 ℃，能夠有效避免硫酸液滴的凝結和硫酸氫銨的板結，為通過物理吹掃清除硫酸氫銨提供必要條件。此外，通過恒泰電廠鍋爐空預器改造前后實際運行數(shù)據(jù)對比，表明防堵灰改造在不引起空氣和煙氣溫度變化的前提下能很好地降低空預器運行壓差，進一步證明了空預器風量分切防堵灰技術的可行性和有效性。