超低排放燃煤機(jī)組空預(yù)器防堵新方法

任福春，任育杰，王 啟，張 新

(中節(jié)能工業(yè)節(jié)能有限公司，北京 100082)

空預(yù)器是電站鍋爐的重要設(shè)備，它利用鍋爐尾部煙氣余熱加熱燃燒所需要的空氣，以降低排煙損失，提高鍋爐熱效率。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用空預(yù)器將空氣升溫150～160℃，則排煙溫度將降低110～120℃，鍋爐熱效率將提升7%～7.5%，節(jié)約燃煤11%～12%，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

燃煤電站鍋爐空預(yù)器主要有管式和回轉(zhuǎn)式兩種。由于現(xiàn)代大型電站鍋爐煙氣量巨大，而回轉(zhuǎn)式空預(yù)器具有占地少、重量輕的比較優(yōu)勢(shì)，因此，電站鍋爐大量使用回轉(zhuǎn)式空預(yù)器。

隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)和綠色發(fā)展理念的切實(shí)貫徹，我國(guó)環(huán)境保護(hù)政策日趨嚴(yán)格，污染物排放濃度限值越來(lái)越低。2014年發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014～2020)》，更進(jìn)一步提出了燃煤電站污染物超低排放限值，排放濃度低至煙塵<10 mg/m3，SO2<35 mg/m3，NOx<50 mg/m3。

由此，掀起了燃煤機(jī)組超低排放改造高潮。為了滿足超低排放要求，電站鍋爐廣泛采用技術(shù)成熟、脫硝效率高的選擇性催化還原(SCR)技術(shù)控制煙氣中氮氧化物濃度。隨著SCR系統(tǒng)的投運(yùn)，空預(yù)器普遍出現(xiàn)了嚴(yán)重的堵塞[1-3]，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力不能滿足鍋爐穩(wěn)定燃燒需求、限制了機(jī)組帶負(fù)荷能力、增加了風(fēng)機(jī)電耗，對(duì)機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)了嚴(yán)重影響。

我國(guó)能源的自然稟賦決定了在目前和今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，煤電仍將是我國(guó)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的壓艙石。截止2021年底，煤電超低排放機(jī)組總裝機(jī)容量達(dá)9.8億kW、占煤電總裝機(jī)88.3%[4-5]。謝和平等[6]指出，即使在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)后，我國(guó)仍需保持3～4億kW煤電裝機(jī)。因此，在超低排放和“雙碳”目標(biāo)下，保障空預(yù)器的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)與長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

在總結(jié)和分析了現(xiàn)有防堵技術(shù)的局限后，利用國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下開(kāi)發(fā)的高溫除塵技術(shù)，構(gòu)建了一種空預(yù)器防堵新方法，并分析和討論了在某410 t/h燃煤鍋爐上的應(yīng)用效果。

1 SCR投運(yùn)后空預(yù)器堵塞加劇的原因與目前的防堵措施及其局限

1.1 超低排放燃煤機(jī)組SCR布置

燃煤機(jī)組為了滿足超低排放要求，廣泛采用了SCR技術(shù)控制煙氣中氮氧化物的濃度。SCR技術(shù)利用還原劑(NH3)在催化劑的作用下選擇性地和煙氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和水，從而降低煙氣中的NOx濃度。

催化劑是SCR的核心。由于性價(jià)比較高的催化劑，通常在280～420℃的溫度區(qū)間具有較高的反應(yīng)效率。因此，目前超低排放機(jī)組SCR均布置在鍋爐和空預(yù)器之間，如圖1所示。

圖1 超低排放機(jī)組SCR位置

1.2 空預(yù)器堵塞加劇的危害及其原因

SCR投運(yùn)后，確實(shí)滿足了煤電機(jī)組氮氧化物的超低排放要求。但是，隨著SCR的投運(yùn)，普遍性地很快加劇了空預(yù)器的堵塞，給機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)了嚴(yán)重影響。某電廠600 MW機(jī)組，在完成超低排放改造投運(yùn)3個(gè)月后，空預(yù)器的堵塞就導(dǎo)致一側(cè)的一次風(fēng)壓從1.13 kPa激增至2.30 kPa，負(fù)荷最大只能帶至70%。再增加負(fù)荷時(shí)，爐膛負(fù)壓波動(dòng)范圍由-50～200 Pa擴(kuò)大到-100～500 Pa，風(fēng)機(jī)出力已不能滿足鍋爐穩(wěn)定燃燒要求[1-2]；根據(jù)對(duì)某600 MW機(jī)組的測(cè)算，空預(yù)器煙氣側(cè)阻力增加1.5 kPa，則引、送風(fēng)機(jī)電耗增加0.2%。若電價(jià)以0.4元/kWh計(jì)，僅風(fēng)機(jī)電耗增加每年就高達(dá)312萬(wàn)元[3]。

對(duì)空預(yù)器堵塞加劇的主要原因及其影響因素已經(jīng)有了較為深入的分析[1,7-9]。SCR投運(yùn)后，未參與脫硝反應(yīng)的逃逸氨NH3與煙氣中的SO3和水蒸氣反應(yīng)生成硫酸氫銨NH4HSO4(ABS)，其沸點(diǎn)為350℃，熔點(diǎn)為147℃。大型燃煤機(jī)組空預(yù)器的冷端溫度通常為120～230℃，在此區(qū)間ABS將由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)。具有很強(qiáng)黏性的ABS粘附大量的飛灰顆粒，堆積粘附在空預(yù)器的換熱元件壁面，從而加劇空預(yù)器的堵塞。

決定堵塞速度和程度的主要因素有空預(yù)器冷端溫度和煙氣中NH3、SO3、飛灰的含量。長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，空預(yù)器溫度較低，堵塞較快程度較大。NH3、SO3、飛灰的含量越高，堵塞越嚴(yán)重。某機(jī)組的空預(yù)器，煙氣中NH3小于1 μL/L時(shí)，堵塞較輕；2 μL/L時(shí)，運(yùn)行半年阻力增加30%；3 μL/L時(shí)，運(yùn)行半年阻力增加50%[10]。由此可見(jiàn)，氨逃逸生成的NH4HSO4是根本原因[12]，飛灰則加快和加劇了堵塞。

1.3 目前的防堵措施及其局限

因硫酸氫銨導(dǎo)致的空預(yù)器堵塞對(duì)超低排放機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重影響，因此，已發(fā)展出許多防堵措施。文獻(xiàn)[1]總結(jié)了空預(yù)器防堵的6種措施，認(rèn)為循環(huán)風(fēng)防堵效果較明顯；文獻(xiàn)[2]介紹了循環(huán)風(fēng)防堵措施的改造內(nèi)容及其效果；文獻(xiàn)[11]對(duì)常見(jiàn)防堵措施的應(yīng)用情況進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為風(fēng)量分切防堵的實(shí)際效果較好；文獻(xiàn)[12]通過(guò)分區(qū)控制格柵式噴氨系統(tǒng)來(lái)提高煙氣中氨分布的均勻性以減少氨逃逸，進(jìn)而減輕硫酸氫銨堵塞。

實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，上述措施或在經(jīng)濟(jì)性方面或在安全性方面均存在一定局限。一些常見(jiàn)措施如高壓在線水沖洗，因冷端溫度變化大易導(dǎo)致空預(yù)器變形和卡澀、換熱元件產(chǎn)生裂紋或搪瓷脫落；增大冷端鍍搪瓷面積，會(huì)降低空預(yù)器換熱能力，則需增加換熱面積；增大吹灰的蒸汽壓力和吹灰的頻次，則導(dǎo)致?lián)Q熱元件疲勞破損甚至吹損；進(jìn)行熱風(fēng)再循環(huán)，則導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)口葉片的磨損加重；配置暖風(fēng)器則導(dǎo)致鍋爐效率下降，某660 MW機(jī)組實(shí)際運(yùn)行表明，進(jìn)口風(fēng)溫升至60℃，則供電煤耗上升1.68 g/kWh[11]；風(fēng)量分切防堵技術(shù)在氨逃逸量較大的機(jī)組上達(dá)不到預(yù)期效果[11]；分區(qū)控制格柵式噴氨系統(tǒng)需要加裝數(shù)百個(gè)噴氨噴嘴，增加了噴氨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和控制難度[12]。

2 高溫袋式除塵技術(shù)

2.1 超低排放燃煤機(jī)組除塵技術(shù)

靜電除塵器因其設(shè)備阻力小、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在燃煤電站得到廣泛應(yīng)用[13]，其排放濃度一般在20～30 mg/m3。在進(jìn)行超低排放改造時(shí)，有的在脫硫塔后增加1套濕式電除塵，有的將靜電除塵器的后部電場(chǎng)改為袋式除塵以構(gòu)成電袋復(fù)合除塵。

超低排放改造后，由于硫酸氫銨的生成，導(dǎo)致靜電除塵器容易出現(xiàn)極線裹灰和板結(jié)，極大地影響了靜電除塵效率。

2.2 高溫袋式除塵

袋式除塵具有比靜電除塵更高的效率，且不受燃煤成分、負(fù)荷變化的影響。一方面，近年來(lái)可再生能源發(fā)電迅猛發(fā)展，煤電機(jī)組參與調(diào)峰的數(shù)量越來(lái)越多、程度越來(lái)越深，另一方面電站實(shí)際燃煤來(lái)源越來(lái)越不穩(wěn)定，燃煤成分變化頻繁，二者均使得袋式除塵的優(yōu)勢(shì)更加突出。袋式除塵可采用分室結(jié)構(gòu), 在發(fā)生故障時(shí)可分室檢修, 不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

(1)普通高溫濾料

袋式除塵的關(guān)鍵是濾料的性能。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展，我國(guó)濾料生產(chǎn)已有長(zhǎng)足進(jìn)步。在高溫濾料方面，工程上實(shí)際使用的濾料主要有Nomex(芳綸)、P84(聚酰亞胺纖維)、玻璃纖維、PTFE(聚四氟乙烯纖維)等，其工作溫度見(jiàn)表1。

表1 濾料的工作溫度

(2)金屬間化合物膜高溫濾料

為了研究低成本的污染物深度脫除，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，開(kāi)發(fā)了一種全新的高溫濾料。它是一種由氣體過(guò)濾要求所決定的多種金屬粉末、通過(guò)粉末冶金工藝在真空電爐內(nèi)燒結(jié)生成的金屬間化合物膜多孔材料，微觀結(jié)構(gòu)和成品如圖2和圖3所示。

圖2 濾料微觀結(jié)構(gòu)

圖3 濾料成品

金屬間化合物膜高溫濾料，由于通過(guò)燒結(jié)反應(yīng)成孔，所生成的孔隙曲折因子小、孔壁光滑，因此具有過(guò)濾精度高、不易堵孔和阻力低等特點(diǎn)。在燒結(jié)反應(yīng)過(guò)程中，金屬間通過(guò)共價(jià)鍵形成了更加穩(wěn)定的混鍵結(jié)構(gòu)，因此具有更高的耐溫性和更強(qiáng)的抗腐蝕能力。

表2 金屬膜高溫濾料主要參數(shù)

將金屬間化合物膜高溫濾料成品按照袋籠的尺寸剪裁后，通過(guò)縫焊工藝將濾料和袋籠焊接在一起形成金屬膜高溫濾袋。金屬膜高溫濾袋的安裝、使用方法與PPS濾袋等完全相同。

3 空預(yù)器防堵新方法及應(yīng)用效果

通過(guò)1.3的分析可知，目前主要的防堵措施，幾乎都是圍繞硫酸氫銨生成后如何避免其與飛灰黏附在換熱元件表面以減輕空預(yù)器堵塞的思路來(lái)展開(kāi)。已有研究表明[12]，硫酸氫銨的生成量與氨逃逸量和煙氣中SO3含量成正相關(guān)。因此，若能降低SCR的氨逃逸和SO3生成量、同時(shí)減少進(jìn)入空預(yù)器的飛灰含量，則能從根本上消除空預(yù)器的堵塞。

3.1 空預(yù)器防堵新方法

圖4 新方法SCR位置

3.2 在某410 t/h燃煤鍋爐上的應(yīng)用及其效果

某在役燃煤鍋爐型式為無(wú)中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、固體排渣、燃燒器四角切圓布置，額定蒸發(fā)量410 t/h、壓力10 MPa、溫度540℃，利用新方法工藝進(jìn)行了改造。

(1)高溫除塵器主要參數(shù)

采用金屬間化合物膜材料作濾袋，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后[13]，主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 高溫除塵器主要參數(shù)

(2)空預(yù)器及其運(yùn)行狀況

空預(yù)器為三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式、型號(hào)為2-24.5VI(50°)-1700(76″)SMCR。設(shè)置4個(gè)蒸汽吹灰器和1套壓力水(0.49 MPa、60℃)清洗裝置、1套暖風(fēng)裝置。

投運(yùn)前對(duì)空預(yù)器進(jìn)行了常規(guī)檢修和維護(hù)，未對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改變。改造投運(yùn)后，蒸汽吹掃由原來(lái)的每班1次、每天3班、每次15 min改為每月1次、每次15 min。

由圖3可知，感官評(píng)分隨著菜籽油添加量的增加呈先增大后減小的變化。菜籽油為棕黃色液體，有濃郁菜籽香氣，適當(dāng)?shù)牟俗延唾x予“貢椒魚(yú)”火鍋良好的風(fēng)味口感，且適量的菜籽油與貢椒中的滋味成分、香氣成分以及色素有機(jī)結(jié)合，賦予“貢椒魚(yú)”火鍋油層良好的香氣、麻味以及顏色。過(guò)量的菜籽油，稀釋了油中麻味成分及香氣成分的含量，從而對(duì)“貢椒魚(yú)”火鍋的風(fēng)味產(chǎn)生不利的影響。因此，菜籽油添加量在600～700 g之間時(shí)，“貢椒魚(yú)”火鍋油層呈淺綠色，油量適中且均勻，椒麻風(fēng)味濃郁，口感最佳。

運(yùn)行期間，機(jī)組CEMS和第三方獨(dú)立機(jī)構(gòu)抽樣檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，O2含量6%下，污染物排放濃度值一直穩(wěn)定在煙塵<2.5 mg/m3，SO2<10 mg/m3，NOx<30 mg/m3，優(yōu)于目前執(zhí)行的煤電超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

CEMS顯示，全負(fù)荷下空預(yù)器阻力均有所降低，當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量為310 t/h時(shí)，阻力如圖5所示。

圖5 空預(yù)器煙氣側(cè)壓差

對(duì)空預(yù)器的內(nèi)部進(jìn)行了停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)空預(yù)器煙氣入口面沒(méi)有積灰、換熱元件表面沒(méi)有明顯的硫酸氫銨沉積或飛灰沉積。新方法應(yīng)用前后空預(yù)器內(nèi)部狀況對(duì)比如圖6所示。

圖6 空預(yù)器內(nèi)部狀況

3.3 結(jié)果分析與討論

無(wú)論是從空預(yù)器的阻力數(shù)值還是從空預(yù)器換熱元件的實(shí)際狀況均可發(fā)現(xiàn)，即使將污染物排放濃度控制在低于超低排放要求限值的情況下，新方法的應(yīng)用使超低排放機(jī)組空預(yù)器換熱元件表面沒(méi)有出現(xiàn)硫酸氫銨沉積、空預(yù)器沒(méi)有出現(xiàn)堵塞、阻力有所降低。其原因主要是：

(1)SCR氨逃逸量減少

一方面，除塵后進(jìn)入SCR的飛灰含量由20 g/m3級(jí)降低到10 mg/m3級(jí)，極大減輕甚至幾乎消除了SCR通道的堵塞和催化劑中毒[14]，保證了脫硝效率。另一方面，噴氨柵格布置在除塵器前，氨氣和煙氣在除塵器的大空間內(nèi)進(jìn)行充分混合，顯著提升了進(jìn)入SCR的均勻性，進(jìn)一步提升了脫硝效率[15]。

脫硝效率的提高，避免了運(yùn)行中常常發(fā)生的過(guò)量噴氨現(xiàn)象，從根源上減少了氨逃逸。第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行抽樣檢測(cè)，SCR出口氨含量1.72 mg/m3，對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)則是3.4 mg/m3，減少了約50%，如圖7所示。

圖7 舊系統(tǒng)和新方法氨逃逸

(2)SO3轉(zhuǎn)化量減少

煙氣中SO3主要來(lái)自脫硝催化劑對(duì)SO2的轉(zhuǎn)化。電廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明[16]，SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率沿?zé)煔饬鞒坛尸F(xiàn)出加速趨勢(shì)，如圖8所示。

圖8 SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率

由于新方法保證了SCR具有更高的效率，因此僅使用了2層催化劑，減少了一層催化劑。從而SO2在SCR中向SO3的轉(zhuǎn)化量?jī)H為舊系統(tǒng)約37%。

氨逃逸和SO3的減少，顯著地減少了硫酸氫銨的生成量，從根本上減輕了由此導(dǎo)致的堵塞。

(3)進(jìn)入空預(yù)器飛灰含量減少

第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)抽樣檢測(cè)，空預(yù)器入口飛灰濃度僅為6.6 mg/m3，對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)則為20 g/m3，如圖9所示。

圖9 進(jìn)入空預(yù)器飛灰含量

硫酸氫銨的減少消除了空預(yù)器冷端可能發(fā)生的堵塞，飛灰含量的減少則減輕了飛灰沉積，不僅降低了空預(yù)器的運(yùn)行阻力，而且提升了空預(yù)器換熱效率。

(4)低負(fù)荷效應(yīng)

負(fù)荷越低則進(jìn)入空預(yù)器的煙溫越低，空預(yù)器冷端面積擴(kuò)大，舊系統(tǒng)硫酸氫銨沉積面積越大，堵塞越嚴(yán)重。因此，負(fù)荷越低新方法的效果越突出。

4 結(jié)論

利用金屬膜過(guò)濾材料將超低排放燃煤機(jī)組除塵器移至SCR前，構(gòu)建的空預(yù)器防堵新方法可實(shí)現(xiàn)：

(1)消除脫硝催化劑堵塞、磨損和中毒、提高氨氣和煙氣混合均勻性，提升脫硝效率，既降低NOx排放濃度又減少了氨逃逸。

(2)可減少脫硝催化劑使用量，既降低建設(shè)和運(yùn)維成本又減少了SO3和硫酸氫銨的生成。

(3)進(jìn)入空預(yù)器的飛灰含量減少，既降低了空預(yù)器的運(yùn)行阻力又提高了空預(yù)器的換熱效率。

(4)隨著可再生能源發(fā)電快速發(fā)展，參與深度調(diào)峰的煤電機(jī)組越來(lái)越多，新方法的低負(fù)荷效應(yīng)將會(huì)更具意義。

空預(yù)器堵塞的消除和運(yùn)行阻力的降低、SCR建設(shè)和運(yùn)維成本的降低，較大程度提高了超低排放燃煤機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，新方法具有一定的推廣價(jià)值。