加熱爐引風機葉片積灰及對策

丁明生

(中國石油化工股份有限公司揚子石化分公司，江蘇 南京 210048)

C2102 引風機處于常壓爐和二級減壓爐的聯合空氣預熱器系統中，引風機的主要作用是依靠電機輸入的機械能來提高加熱爐燃燒產生的煙氣壓力，促進煙氣流動，進行強制通風。引風機規格型號為Y4-73-NO18D 左180°，軸功率為220 kW，額定流量為121 830 Nm3/h，操作壓力與工作溫度分別為-70 Pa 和140 ℃，工作介質為煙氣。2014 年2 月24 月發現引風機出現非正常振動，停車檢查發現引風機葉片上存在積灰現象，導致引風機轉子失去平衡，振動超標被迫停機。之后利用高壓水槍和其它機械手段清垢，使引風機恢復平衡正常運轉。2014 年3 月10 日，該引風機再次出現非正常振動，停車檢查發現葉片積灰仍是主要原因。文章就積灰形成原因及對此進行了探討。

1 故障分析

1.1 宏觀分析及取樣

C2102 引風機因非正常振動停車后，對引風機內部進行觀察發現:引風機葉片背面及葉片根部邊緣均存在積灰現象，葉片上積灰厚度分布不均勻，見圖1。

圖1 引風機葉片上積灰現象

引風機葉片上積灰具體分布情況，見圖2，圖2 中B 為葉片剖面圖。從圖2 中可看出葉片積灰大致可以分成3 部分:第一部分是葉根到葉片的大約處，這部分積灰較少，但厚度逐漸加大;第二部分是葉片的四分之一處至三分之一處之間，這部分積灰迅速增厚，達到最厚;第三部分是葉片的三分之一處至葉片頂部，積灰厚度緩慢變薄。

圖2 引風機葉片上積灰分布

葉片上積灰的分布出現上述特點，主要是因為引風機在低于額定流量下運轉時煙氣并非平行于葉片進入，而是與葉片存在一定角度。由于該角度的存在，煙氣在葉片背部會產生漩渦，見圖3。這部分煙氣和葉片背面的相對速度較低，煙氣中的帶水灰塵很容易黏附在葉片背面，造成積灰。因旋渦的位置大約在葉片的四分之一處，所以該位置的積灰最厚。而在葉片的頂部，由于葉片的高速旋轉，使旋渦的強度下降，煙氣流動趨向平緩，且葉片與煙氣的相對速度增大，積灰情況逐漸減輕。而葉片根部邊緣處最先與煙氣接觸，且存在倒角，因此灰漿會在此處堆積，并很快脫水形成灰殼［1］。

圖3 實際中煙氣進入葉片剖面示意

另外，在引風機出口通道內可見到大量積灰存在，因此對葉片背面、葉片根部邊緣及引風機出口通道內積灰分別進行取樣，進行成分分析。

在取樣過程中發現葉片背部積灰表面較軟且黏度較高，越靠近積灰內部其硬度越高，而葉片根部邊緣積灰硬度較高，表面未存在軟化。

1.2 積灰垢污能譜分析(EDX)

將葉片背面、葉片根部邊緣及引風機出口通道內三個不同位置的積灰樣品進行EDX 分析，其成分分析相似，葉片背面的分析數據見圖4。通過數據對比發現:葉片背面、葉片根部邊緣及引風機出口通道內三處積灰成分主要為S，O 和Fe，并含有少量的Ca，Zn，Mg 和Si 等元素，進而可說明煙氣中存在較高含量的S 和O，且含有金屬及非金屬組成的固體顆粒;葉片背部與葉根根部邊緣處積灰中硫質量分數基本相同，分別為24.03%和24.3%，其明顯高于通道內積灰中的硫質量分數(16.22%)，進而推斷葉片背部及邊緣出現積灰是由于煙氣中的硫含量過高引起。

圖4 葉片背面積灰EDX 分析結果

1.3 垢污X 射線衍射(XRD)

通過能譜儀對葉片背面、葉片根部邊緣及引風機出口通道內3 個不同位置的積灰樣品進行了成分分析。為進一步說明積灰的物相，又采用XRD 法對積灰樣品進行定性分析，1 號式樣葉片背面積灰的成分分析結果見表1。

表1 XRD 分析結果匯總

從表1 可以看出:1 號、2 號和3 號積灰樣品均檢測出ZnSO4，Fe2O3，Fe2(SO4)3，CaSO4和Al2(SO4)3;而1 號和3 號試樣還檢測出CaSO3;1號和2 號試樣還檢測出FeSO3。

通過上述XRD 分析結果，可發現S 元素在積灰內主要以兩種形式存在，即和由于氣體中的SO2溶于水形成H2SO3而產生。而一方面是氣體中的SO3溶于水形成的H2SO4而產生，另一方面是被氧化而生成，但該過程在無催化劑的情況下反應較為緩慢，因此推斷主要是SO3直接溶于水產生的，其中有少量的是由于被氧化而生成。因此，可推斷出煙氣內含有SO2和SO3。

積灰中陽離子主要為Fe3+，Fe2+，Zn2+，Ca2+和Al3+，結合能譜分析，積灰內主要成分為鐵離子，推斷其可能為H2SO4或H2SO3與引風機葉片、主軸或煙道等金屬反應生成，但酸根離子是與哪部分反應生成的金屬化合物無法判斷。另外，因積灰物相成分主要為酸根離子與金屬離子結合的化合物和金屬氧化物，進而可排除積灰是由于襯里材料脫落而形成污垢堆積而成。

1.4 引風機葉片積灰原因分析

1.4.1 引風機葉片積灰原理

煙氣中SO3與O2含量偏高，使煙氣的露點溫度升高。當煙氣進入引風機內與葉片接觸時，煙氣因露點溫度升高，其中固體顆粒與空氣中的微小水滴在葉片表面發生凝結，形成黏度很大的灰漿，附著在葉片上。隨著引風機的運轉，灰漿中水分會逐漸蒸發，灰漿將轉變為硬度很大的灰殼。然后灰殼上再逐步積累灰漿，通過葉片旋轉脫水，逐漸使灰殼的厚度增大，導致引風機轉子平衡被破壞，風機整體出現非正常振動。另外，在葉片上提取樣品時發現，積灰表面較軟而黏度很大，越靠近積灰內部硬度越大，其進一步證明了積灰形成的過程。

1.4.2 引風機葉片積灰的原因

(1)燃料中有一定硫含量。煙氣含硫會提高煙氣露點溫度，使煙氣更易在葉片上凝結形成灰漿;

(2)煙氣濕度較高。排出的煙氣一般會攜帶少量的水蒸氣。若煙氣中攜帶的水蒸氣較多(即煙氣濕度過高)時，這些水蒸氣更容易與煙氣中的小顆粒結合，形成黏稠性溶液黏附在葉片表面，導致引風機葉片積灰現象越明顯。引風機葉片第一次發生積灰現象后，利用高壓水槍進行清洗。在清洗后一周再次出現葉片積灰現象，這次可能是因為清洗后引風機內存在水，當設備正常運轉時水蒸發，導致煙氣濕度加大，進而加快了積灰的形成速度。因此在清洗后一周再次出現積灰現象;

(3)煙道漏風。煙道因長期使用會存在漏風，會降低通道內煙氣溫度，導致煙氣中水分凝結，使煙氣濕度增大，進而引起積灰現象。另外煙道漏風也會使得煙氣系統流通阻力增大，進而導致煙速降低、飛灰濃度升高，最終引起積灰現象發生;

(4)爐膛內存在過剩的空氣。爐膛內若存在過剩空氣，會增加煙氣中的粉塵和SO3含量，使煙氣露點溫度升高，在與葉片接觸時更易形成積灰現象。

2 煙氣成分對結垢的影響

在露點溫度以下，氣體會凝結為液體而沾在固體表面。燃料氣燃燒時先形成SO2，部分SO2再轉化為SO3。清華大學李彥等人通過實驗研究發現，在接近露點溫度時，SO2在煙氣中的濃度雖遠大于SO3，但SO2在煙氣中極少溶解于H2O 而形成亞硫酸蒸汽，因此SO2不能提高煙氣的露點溫度。而SO3在煙氣中任何溫度下均能完全溶解于H2O 形成硫酸蒸氣，進而提高煙氣的露點溫度［2］。SO3分壓是決定煙氣露點溫度的主要因素，進一步說明以SO2濃度來直接推斷煙氣的露點溫度是不準確的，計算露點溫度必須以SO3為基礎。另外，煙氣中H2O 含量也能影響煙氣露點溫度。由于燃料氣燃燒后，水蒸氣含量較高，會加快SO2和SO3形成酸根離子的速度，進而間接提高煙氣的露點溫度。

煙氣中SO3含量與酸露點溫度的關系見表2。

表2 煙氣中SO3含量與酸露點溫度的關系

從表2 中可看出，隨著SO3含量的升高，酸露點溫度逐漸升高。能譜分析結果中檢測到葉片背面及葉根邊緣處積灰硫元素質量分數高達24.03%和24.3%，而通過XRD 分析可推斷出積灰是由于煙氣中SO2和SO3溶于水形成的酸根離子與金屬反應生成，以上分析均間接說明了煙氣中SO2和SO3含量偏高。而煙氣中SO2和SO3含量偏高，會提高煙氣的露點溫度［3］。綜上所述，該煙氣中SO2和SO3含量偏高，導致露點溫度偏高，當煙氣與葉片接觸時更易沾在葉片上。

能譜分析結果中葉片背面與葉片根部邊緣積灰中硫含量高于通道內積灰的硫含量高的原因可能是:煙氣因露點溫度偏高，在與葉片接觸時發生凝結進而沾在葉片上，隨著葉片上出現積灰，煙氣中硫含量逐漸減少，進而導致煙氣出口積灰中硫含量偏少。這進一步說明葉片上出現積灰是由于硫元素引起的。

三處位置積灰中氧的質量分數高達30%以上，說明煙氣中氧含量較高。煙氣中的氧含量偏高，可能是因為爐膛中存在過剩空氣量。爐膛內存在過剩空氣量，會使燃燒產生的SO2轉化為SO3的量增加，進而導致煙氣露點升高。煙氣露點溫度升高，會導致煙氣與葉片接觸時出現積灰現象。因此，煙氣中氧氣含量較高，將加快葉片上的積灰。另外，三處積灰中均檢測出含有ZnSO4，Fe2O3，Fe2(SO4)3和CaSO4等金屬氧化物或金屬間化合物，其來源主要是SO2和SO3溶于水形成的酸根離子與金屬反應生成，而金屬離子可能是煙氣中含有的固體顆粒，也可能是酸根離子與葉片、煙道等金屬設備反應生成。

3 結論及建議

(1)此次引風機葉片出現積灰現象導致轉子失去平衡，引起設備發生非正常振動的主要原因是煙氣中的SO3含量偏高，升高了煙氣的露點溫度，導致固體顆粒與空氣中的微小水滴在葉片表面發生凝結，形成黏度很大的灰漿，附著在葉片上。隨著引風機的運轉，灰漿中水分會逐漸蒸發，灰漿將轉變為硬度很大的灰殼。隨著灰殼的逐漸積累，導致引風機轉子平衡被破壞，最終風機整體出現非正常振動。而煙氣中O2含量過高與煙氣濕度過大進一步加快引風機的失效;

(2)引風機葉片積灰在清理后一周又出現積灰現象，可能是因為利用高壓水槍清洗后引風機內存在殘留水。當引風機正常運轉時水蒸發，導致煙氣濕度加大，進而加速的了積灰形成的速度;

(3)使用脫硫燃料氣，減少煙氣中的粉塵及SO2含量;

(4)適當提高排煙溫度，保持煙氣的干燥性，降低露點腐蝕;

(5)保證爐膛各密封部位不漏風，杜絕冷空氣進入爐膛，定期檢查設備是否存在密封不良現象;

(6)采用噴嘴吹掃的方法防止葉片積灰;

(7)采用搪瓷葉輪等辦法，減少垢污的附著性。

［1］楊子軍.引風機葉片積灰狀況及分析［J］.發電設備，1997 (5):22-23.

［2］李彥，武彬，徐旭常.SO2、SO3和H2O 對煙氣露點溫度影響的研究［J］.環境科學學報，1997，17(1):126-130.

［3］李東.鍋爐空氣預熱器積灰和腐蝕的原因分析及預防措施［J］.化工技術與開發，2006，35(6):26-28.