1000MW超超臨界機組同步脫硝空氣預熱器優化

尹 進

(廣東省電力設計研究院 廣東 廣州 510663)

0 概述

燃煤機組對環境排放的污染物主要有二氧化碳（CO2）、硫的氧化物（主要是 SO2，少量SO3）、氮氧化物（主要是 NO、NO2以及少量的N2O）、粉塵。其中二氧化碳是所有石化燃料燃燒都會產生的廢氣，目前工業上還不能大規模收集和處理。而煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、粉塵已經有成熟的工業技術可以進行處理，其中二氧化硫可以通過吸收劑進行化學反應固化，粉塵可以通過靜電、過濾等技術收集，氮氧化物可以通過催化劑的作用與反應劑反應，生成無害的氮氣（N2）和水（H2O）。

按照目前國內正在報批的新環保標準《火電廠大氣污染物排放標準》（二次征求意見稿），新建燃煤機組必須同步設置除塵、脫硫設備和脫硝裝置，NOx的排放濃度不得高于100mg/Nm3。新建燃煤機組的脫硝采用高含塵SCR工藝，減少機組的NOx排放量，達到環保標準的要求。脫硝裝置布置在空氣預熱器上方，鍋爐煙氣從省煤器出來后進入SCR裝置，經過脫硝反應器后再進入空預器。

1 煙氣脫硝對空氣預熱器的主要影響

1.1 脫硝工藝中的主要化學反應

氮氧化物在脫硝裝置內主要有以下反應：

在氮氧化物的還原反應同時，煙氣中的SO2在催化劑的作用下，與煙氣中的O2、NH3發生以下反應：

同時，煙氣中的SO3還和煙氣中的H2O發生以下反應：

在脫硝的催化反應器內，希望催化劑能盡量提高（A1）～（A4）的反應效率，以提高脫硝效率，但是催化劑效率提高的同時，也會提高（B1）～（B3）的反應，對機組運行造成不良影響。

1.2 脫硝副產品的影響

在脫硝反應器中，主要副產品是把煙氣中的SO2氧化為SO3，催化劑活性越強，產生的SO3副產品量越多。

在燃燒過程中燃料中的可燃硫大部分氧化成SO2，未脫硝前，SO3在煙氣含量極少。進入脫硝催化反應器后，在催化劑的作用下，SO2被煙氣中的O2氧化成SO3。雖然SCR工藝中整個反應過程氨的摩爾比例是不過量的，但是在氨噴入反應器后，在局部區域氨是過量的，煙氣中的SO3便與過量的氨發生（B2）和（B3）的反應生成硫酸氫 銨（NH4HSO4）和 硫酸銨（（NH4）2SO4）。 其中硫酸氫銨（NH4HSO4）在溫度 180～230°C 時開始凝固，形成粘性極大的產物，在空預器的換熱元件上積聚，并且導致煙氣中的粉塵的附著在換熱元件上，形成嚴重的堵灰。由于硫酸氫銨粘性大，附著在換熱元件上后，一般的吹灰器無法清除，如果不采取有效措施，1～3個月后機組就會因為空預器的阻力增加過大，導致引風機的壓頭不足以克服而停機。

除了空預器阻力大幅度增加以外，由于積灰中含有硫酸氫銨（NH4HSO4）、硫酸銨（（NH4）2SO4），這兩種物質都有極強的吸潮性，在空預器的低溫段會吸附水蒸氣和硫酸（H2SO4），在金屬表面上形成酸性的環境，對空預器造成嚴重的腐蝕而導致報廢。

2 空預器設計的優化

雖然機組帶脫硝運行會引起一系列的新問題，但是經過實踐摸索，電力行業內已經具有一定的經驗，采用一定的措施應對這些新問題。

由于機組帶脫硝裝置以后對空氣預熱器的運行影響很大，因此必須對傳統的空氣預熱器進行優化設計，以使空氣預熱器能適應新的運行工況。

2.1 空預器結構的優化

脫硝反應中的副產品是不可避免的，目前只能控制副產品的反應率或生成量，空預器中銨鹽的積聚只是時間長短的問題。銨鹽在180～230℃時開始凝固，在溫度低于180℃的區域積灰最為嚴重，而這段區域處于傳統回轉式空預器的中溫段和低溫段之間。即使是高壓的吹灰器，吹灰射流在通過低溫段以后，在中溫段和低溫段之間的檢修空間中壓力迅速衰減，射流到達中溫段時已經沒有吹灰效果。針對這個問題，采取的措施是重新設計空氣預熱器及其換熱元件的結構，達到控制銨鹽積聚區和強化吹灰效果的目的。

2.1.1 增加低溫段高度

重新分配空氣預熱器各段受熱面，適當加高低溫段的高度，減少中溫段的高度甚至取消中溫段，使低溫段入口的煙氣溫度盡量提高。這樣可以防止中溫段以及低溫段入口處銨鹽的積聚，控制銨鹽只在低溫段區域積聚，避免了問題的復雜化。每個鍋爐廠的受熱面分配方案不完全相同，因此同樣的條件下，不同鍋爐廠的空氣預熱器的入口溫度都不完全相同，但是排煙溫度是基本相同的，所以可以從空氣預熱器的出口排煙溫度反向核算，得出低溫段的最小高度。空氣預熱器的低溫段高度至少要在1000mm左右，才能在大部分運行負荷區域避免銨鹽在低溫段以上積聚。但是低溫段高度超過1.2～1.6m以后，受鍋爐鋼架以及檢修空間的限制，低溫段換熱元件更換時非常不方便。因此低溫段的高度需有一個合適的范圍，要兼顧檢修的要求。

對于一個具體工程，帶SCR脫硝裝置運行的機組，在低溫段高度已經滿足的前提下，空氣預熱器內部采用2段式(高溫段、低溫段)還是3段式(高溫段、中溫段、低溫段)，要根據空氣預熱器出口熱風溫度的要求，計算出需要的換熱面積再決定。

2.1.2 優化換熱元件的板型

調整空氣預熱器各段的換熱元件高度，是銨鹽只在低溫段沉積，空氣預熱器的高溫段和中溫段都可以采用常規成熟的設計方案。低溫段由于存在銨鹽沉積區，不能再采用以前的設計方案，而要重新設計換熱元件的板型，以便于吹灰。

以往常規設計的低溫段換熱元件采用預壓有波形的鋼板，煙氣流過波形板的時候產生紊流，強化換熱效果，減少材料的消耗量。當空氣預熱器存在銨鹽沉積區后，低溫段要采用平板形元件，煙氣流過的時候為層流，減輕積灰的工況。而且換熱元件每個煙氣流通單元要封閉，這樣的板型吹灰介質流過的時候壓力衰減最小，可以保證吹灰射流貫通整個低溫元件，強化吹灰效果。

低溫段換熱元件的板型采用平板形后，換熱效果有一定程度的下降，鍋爐的排煙溫度會提高，導致鍋爐效率下降。如要保證鍋爐的效率不變，空氣預熱器的換熱面積要增加。雖然設備的制造成本有一定的增加，但是在保證鍋爐效率不變的前提下明顯的減輕空預器堵灰的情況，有利于機組的安全、穩定運行。

2.2 低溫段采用搪瓷防腐蝕

通過改進空預器的結構可以控制銨鹽的沉積區只發生在低溫段，減輕銨鹽沉積所帶來的影響。但是銨鹽在低溫段的沉積還是客觀存在的現實，在沉積區還是會發生金屬腐蝕。為了減輕腐蝕，空氣預熱器的低溫段要采取有效的防腐措施。以往燃用硫分較高煤種的機組低溫段一般采用耐侯鋼(如考頓鋼等)作為防腐措施，而且效果很明顯。當機組帶脫硝運行后，由于硫酸類銨鹽和微量濃硫酸(主要由煙氣中的SO3生成)的作用，腐蝕機理和腐蝕速度已經不同，一般的耐侯鋼已經不能滿足要求。

為了減輕腐蝕，帶脫硝裝置運行的機組目前最有效的辦法就是對低溫段換熱元件進行鍍搪瓷處理。經過鍍搪瓷后，一方面把金屬和腐蝕性物質隔離，另一方面搪瓷光滑的表面可以減少積灰并有利于吹掃。

空氣預熱器的低溫元件工作條件比較惡劣，在負荷變化時有熱應力的存在，另外還要接受粉塵和吹灰介質的沖刷和磨損，所以搪瓷的工藝要求較高，搪瓷層要有一定的厚度保證使用壽命，還要控制搪瓷層的微孔和裂紋。如果搪瓷層的微孔和裂紋達不到控制的工藝要求，一旦煙氣從這些地方滲入，腐蝕低溫換熱元件的金屬基材，會引起附近的搪瓷層開裂或者脫落，引起連鎖反應。本文建議采用質量較好的搪瓷材料（歐美或日本進口），嚴格控制搪瓷的工藝。

2.3 采用新式吹灰器

由于硫酸氫銨有較強的粘性，一般的蒸汽吹灰器或者壓縮空氣吹灰器不能有效的吹掃，所以空氣預熱器的冷端吹灰器要采用雙介質吹灰器，平時運行時采用蒸汽噴吹進行清掃，當空氣預熱器進出口的差壓增加，積灰情況開始嚴重，蒸汽吹掃已經不能有效清除的時候，就要采用高壓水噴吹進行在線清洗。一般經過高壓水在線清洗后，空預器的阻力可以迅速回落到正常的水平。

3 建議運行中采取的措施

通過對空氣預熱器的優化設計，可以最大限度的減輕脫硝反應副產品對機組運行的影響，在運行過程中還可以采取措施進一步減輕空預器堵灰的情況。

首先，要控制硫酸氫銨的生成，從源頭上控制空氣預熱器堵灰。在機組調試時要盡量使氨噴射格柵分配均勻，減輕局部氨過量的情況。在運行過程中要注意氨逃逸率的控制，當裝置的脫硝效率明顯下降的時候，及時更換催化劑，而不能增加噴氨量來提高脫硝效率。

第二，空氣預熱器要定時吹掃。積灰過程是一個逐步加劇的過程，在積灰剛發生還沒有擴大的時，及時的吹掃可以控制積灰情況的惡化。

4 結論

4.1 通過優化空氣預熱器的結構，可以從設計上減輕機組帶脫硝運行時堵灰的情況。

4.2 空氣預熱器的低溫段要采用高質量的搪瓷工藝，減輕腐蝕情況。

4.3 采用雙介質吹灰器，在堵灰嚴重的情況下采用高壓水在線沖洗，可以使空預器煙側的阻力迅速降低到正常水平。

4.4 合理的運行方式可以減少硫酸氫銨的生成，減緩空預器堵灰。