煤粉爐低溫空預(yù)器堵塞原因分析與對(duì)策

聶廣華

（中國(guó)石化巴陵分公司，湖南岳陽(yáng) 414014）

巴陵分公司熱電部10號(hào)鍋爐是燃煤高壓自然循環(huán)單爐膛汽包爐，2012年投用。鍋爐采用水平濃淡直流式煤粉燃燒器，正四角切向布置，制粉系統(tǒng)采用鋼球磨，中間倉(cāng)儲(chǔ)熱風(fēng)送粉系統(tǒng)，尾部煙道換熱組件自上而下依次為高溫省煤器、高溫空預(yù)器、低溫省煤器、低溫空預(yù)器。

1 低溫空預(yù)器堵塞過(guò)程分析

2015年，根據(jù)環(huán)保要求10號(hào)鍋爐進(jìn)行了脫硝改造，采用低氮燃燒＋選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，脫硝入口煙氣從高溫空預(yù)器右側(cè)通過(guò)煙道分隔板引出，脫硝出口煙氣通過(guò)分隔板先傾斜進(jìn)入低溫省煤器，再豎直進(jìn)入低溫空預(yù)器。改造后低溫空預(yù)器左側(cè)和右側(cè)出口煙氣溫度出現(xiàn)偏差，左側(cè)煙溫偏低，右側(cè)煙溫升高，偏差呈上升趨勢(shì)，排除煙氣溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)量因素，分析認(rèn)為低溫預(yù)熱器已經(jīng)堵塞。

2016年2月，10號(hào)鍋爐停爐檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)低溫預(yù)熱器入口有少量積灰，且主要集中在爐前和爐左側(cè)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)低溫省煤器管右側(cè)磨損非常嚴(yán)重，鍋爐廠家對(duì)低溫省煤器入口煙氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字模擬，對(duì)導(dǎo)流板重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。2017年4月按照新的設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行了低溫省煤器進(jìn)口煙道導(dǎo)流板、均流柵格、省煤器管排的改造，將光管改為H型鰭片管。2017年12月停爐檢查發(fā)現(xiàn)低溫省煤器入口左側(cè)有積灰，H型鰭片管沒(méi)有磨損現(xiàn)象；低溫省煤器積灰處正下方的低溫空預(yù)器仍有積灰，積灰量明顯大于低溫省煤器改造前，爐前、爐后的積灰面積約為低溫空預(yù)器入口截面的1/6。2018年3月在鍋爐運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)低溫空預(yù)器出口煙溫偏差增大，引風(fēng)機(jī)入口開(kāi)度到達(dá)上限，10號(hào)鍋爐負(fù)荷最高只能達(dá)到380 t/h。2018年9月停爐檢修，低溫空預(yù)器積灰情況較之前更加嚴(yán)重，已達(dá)到了入口截面積的3/4，低溫空預(yù)器段差壓由600 Pa逐步上升至1 200 Pa，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 低溫空預(yù)器堵塞原因分析

2.1 煙氣流場(chǎng)不佳

由于10號(hào)鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)高溫空預(yù)器與低溫省煤器空間狹窄，SCR出口煙氣只能通過(guò)斜板進(jìn)入低溫省煤器再進(jìn)入低溫空預(yù)器，由于煙氣流動(dòng)慣性，造成右側(cè)煙氣流速高，左側(cè)出現(xiàn)煙氣渦流，流速降低，為低溫空預(yù)器入口左側(cè)區(qū)域積灰提供了條件。2018年12月25日測(cè)試了低溫空預(yù)器入口截面流速分布，見(jiàn)表1，由于測(cè)點(diǎn)有限，只測(cè)試了12個(gè)點(diǎn)位。從表1可以看出左側(cè)煙氣平均流速4.33 m/s，右側(cè)8.16 m/s，左側(cè)低于右側(cè)3.83 m/s。

表1 低溫空預(yù)器入口截面流速測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 氨逃逸量過(guò)大

脫硝系統(tǒng)反應(yīng)后過(guò)量的NH3與SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨，液態(tài)硫酸氫銨具有很強(qiáng)的黏性，附著在空預(yù)器受熱面上捕捉煙氣中的飛灰，2016—2017年均發(fā)生了因粉煤灰含氨量高而滯銷(xiāo)的情況，2018年停爐檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)第二層催化劑有多個(gè)模塊已磨損嚴(yán)重，造成大量氨氣未經(jīng)反應(yīng)而逃逸。

2.3 排放標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)

為享受減免大氣污染物排放環(huán)保稅，2018年1月起，在沒(méi)有增加催化劑，也沒(méi)有核算催化劑體積量能否滿(mǎn)足脫硝效率要求的情況下，將10號(hào)鍋爐NOx排放標(biāo)準(zhǔn)由100 mg/m3降至70 mg/m3，甚至低于50 mg/m3，使氨逃逸進(jìn)一步加劇。

2.4 脫硝裝置保溫效果差

脫硝系統(tǒng)保溫效果不佳，多處表面溫度超標(biāo)，散熱損失大，造成脫硝出口較脫硝入口煙氣溫度降低了7～10℃，導(dǎo)致低溫空預(yù)器入口煙溫下降，使硫酸氫銨蒸氣更容易結(jié)晶。

3 低溫空氣預(yù)熱器堵塞的危害

3.1 低溫腐蝕

造成鍋爐尾部受熱面低溫腐蝕的原因有兩點(diǎn)：一是煙氣中存在著SO3；二是受熱面的金屬壁溫低于煙氣中的酸露點(diǎn)溫度。SO2在脫硝催化劑的作用下極易生成SO3，加速硫酸氫銨生成，同時(shí)也造成酸露點(diǎn)溫度升高，因此加劇低溫空預(yù)器硫酸蒸氣腐蝕。2018年11月10號(hào)鍋爐停爐檢修發(fā)現(xiàn)低溫空預(yù)器出口煙道低溫腐蝕穿孔。

低溫空預(yù)器通常是含有水蒸氣和硫酸蒸氣的低溫?zé)煔鈪^(qū)域，工作條件比較惡劣，容易出現(xiàn)低溫腐蝕，一旦發(fā)生低溫腐蝕，就會(huì)造成低溫空預(yù)器煙氣側(cè)穿孔漏風(fēng)。

3.2 低溫空預(yù)器漏風(fēng)

低溫腐蝕與漏風(fēng)相互影響，2018年12月對(duì)10號(hào)鍋爐進(jìn)行了漏風(fēng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出漏風(fēng)率增大進(jìn)一步降低了空預(yù)器冷端壁溫，加劇了低溫腐蝕。

表2 10號(hào)鍋爐低溫空預(yù)器出口溫度及漏風(fēng)測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出低溫空預(yù)器漏風(fēng)嚴(yán)重，尤其是左側(cè)較為突出。分析認(rèn)為左側(cè)排煙溫度長(zhǎng)期處于100℃以下的低溫狀態(tài)，造成空預(yù)器煙氣側(cè)管壁低溫腐蝕銹穿，冷風(fēng)進(jìn)入煙氣，降低煙溫，加速低溫腐蝕。

3.3 對(duì)布袋除塵器的影響

低溫空氣預(yù)熱器左側(cè)堵塞后，左側(cè)煙氣量減少，左側(cè)出口溫度達(dá)到了硫酸蒸氣的露點(diǎn)溫度，造成煙氣下游對(duì)應(yīng)區(qū)域的布袋糊袋嚴(yán)重，導(dǎo)致左側(cè)電袋區(qū)壓差增大，在鍋爐雙制粉運(yùn)行時(shí)，左側(cè)布袋壓差最高2 200 Pa，比設(shè)計(jì)值高出1 000 Pa。

4 解決措施

4.1 工程設(shè)計(jì)預(yù)防措施

1）脫硝系統(tǒng)應(yīng)能在鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷和最大連續(xù)負(fù)荷（BMCR）之間的任何工況之間持續(xù)安全運(yùn)行，當(dāng)鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況下煙氣溫度不能達(dá)到催化劑最低運(yùn)行溫度時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施以提高反應(yīng)器進(jìn)口煙氣溫度，如可以在高溫省煤器煙氣出口安裝一根管道，將煙氣引至脫硝入口，煙氣流量要經(jīng)過(guò)熱平衡計(jì)算，與催化劑反應(yīng)溫度匹配。

2）SCR反應(yīng)器及入口煙道整體設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮第一層催化劑入口的煙氣流速偏差、煙氣流向偏差、煙氣溫度偏差等，入口煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差率宜小于±15%，入口煙氣夾角宜小于±10°，入口煙氣溫度偏差宜小于10℃，為保證以上技術(shù)要求，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行SCR裝置流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值分析計(jì)算以及流場(chǎng)物理模型試驗(yàn)。

3）綜合散熱、漏風(fēng)和煙氣脫硝化學(xué)反應(yīng)影響造成的SCR反應(yīng)器整體溫降不應(yīng)大于3℃。

4）催化劑設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮煤質(zhì)情況、煙氣特性、飛灰特性和飛灰含量，對(duì)現(xiàn)有煤質(zhì)進(jìn)行元素分析和重金屬成分分析。

5）噴氨混合系統(tǒng)應(yīng)使SCR反應(yīng)器進(jìn)口煙氣流場(chǎng)中的氨氣和煙氣混合均勻，NH3/NOx摩爾比相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差率宜小于5%，還應(yīng)考慮防護(hù)、防堵、防磨和熱膨脹，氨/空氣混合氣體以分區(qū)方式噴入，每個(gè)噴氨支管安裝調(diào)節(jié)閥和差壓流量計(jì)，將信號(hào)接入DCS系統(tǒng)。

6）在脫銷(xiāo)入口噴氨格柵前煙道和脫硝第三層催化劑出口煙道安裝采樣孔，采樣孔數(shù)量、位置與噴氨支管對(duì)應(yīng)，便于投運(yùn)后脫硝系統(tǒng)調(diào)試和噴氨優(yōu)化試驗(yàn)。

4.2 日常運(yùn)行中的預(yù)防措施

為預(yù)防低溫空預(yù)器堵塞，必須采取的運(yùn)行調(diào)整及管理措施：

1）加強(qiáng)SCR在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)噴氨系統(tǒng)的維護(hù)，減小脫硝指標(biāo)調(diào)整的滯后性，確保自動(dòng)投入的穩(wěn)定性，保證脫硝入口煙氣流量、NOx濃度、含氧量，出口NOx濃度、氨逃逸濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2）合理控制噴氨量，監(jiān)視氨逃逸濃度

監(jiān)控脫硝出口與煙囪外排口NOx偏差，由于10號(hào)鍋爐脫硝CEMS系統(tǒng)為單點(diǎn)取樣，但脫硝出口與外排口偏差較大時(shí)，表明噴氨支管氨氣量與煙氣中NOx量不匹配，氨逃逸往往較大，需要根據(jù)脫硝出口截面NOx折算濃度分布情況調(diào)整支管?chē)姲绷浚钡絅Ox分布不均勻度CV值控制在5%以下。

3）增加鍋爐低負(fù)荷時(shí)催化劑層和低溫空氣預(yù)熱器吹灰頻次

鍋爐低負(fù)荷時(shí)煙氣流速下降，煙氣中的粉塵容易沉積在催化劑和低溫空預(yù)器表面，必須確保催化劑聲波吹灰器、蒸汽吹灰器和低溫空預(yù)器激波吹灰連續(xù)運(yùn)行。運(yùn)行中關(guān)注低溫空預(yù)器進(jìn)出口壓差變化，停爐時(shí)對(duì)吹灰器系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，并根據(jù)檢查情況及日常運(yùn)行缺陷情況制定檢修計(jì)劃及改進(jìn)方案，確保吹灰系統(tǒng)運(yùn)行效果。

4）將催化劑檢測(cè)作為脫硝系統(tǒng)檢修的必檢項(xiàng)目，分析理化特性指標(biāo)，包括軸向徑向抗壓強(qiáng)度、磨損強(qiáng)度、比表面積，孔容、孔徑及孔徑分布、主要化學(xué)成分和微量元素；工藝特性指標(biāo)，包括催化劑單元體的脫硝效率、氨逃逸、活性、SO2/SO3轉(zhuǎn)換率。根據(jù)催化劑脫硝效率及活性衰減曲線(xiàn)預(yù)估催化劑的脫硝性能能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，為及時(shí)更換催化劑提供依據(jù)。

4.3 空預(yù)器堵塞后的應(yīng)對(duì)措施

1）停爐后徹底清洗

用高壓水槍對(duì)堵塞的預(yù)熱器管道進(jìn)行沖洗，以確保受熱面清潔，防止堵灰加劇，通過(guò)通光試驗(yàn)確定沖洗質(zhì)量是否合格，沖洗結(jié)束后充分干燥。對(duì)低溫空預(yù)器進(jìn)行漏風(fēng)檢查，對(duì)漏風(fēng)處進(jìn)行封堵并驗(yàn)收至合格為止。

2）脫硝系統(tǒng)診斷與優(yōu)化改造

①原設(shè)計(jì)脫硝入口NOx濃度為600 mg/m3，實(shí)際運(yùn)行入口NOx濃度超過(guò)700 mg/m3，由于入口邊界條件發(fā)生變化，需要核算原有催化劑體積量是否足夠，并對(duì)催化劑進(jìn)行抽樣檢測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室中試檢測(cè)評(píng)估催化劑本身的性能是否滿(mǎn)足要求。

②在催化劑性能良好的前提下，脫硝裝置的煙氣流場(chǎng)決定了整個(gè)裝置的性能能否充分發(fā)揮，其中最重要的一個(gè)影響因素就是催化劑入口的NH3/NOx摩爾比均勻性，這與脫硝裝置的先天流場(chǎng)設(shè)計(jì)和投運(yùn)后的熱態(tài)調(diào)整緊密相關(guān)。首先應(yīng)通過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)整這一常規(guī)手段改善NH3/NOx分布的均勻性，降低SCR出口局部過(guò)高的氨逃逸水平，減緩低溫空預(yù)器硫酸氫銨堵塞的進(jìn)度，同時(shí)評(píng)估原有氨噴射系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能和脫硝裝置的整體性能，輔助診斷流場(chǎng)改造的必要性。

③經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的噴氨優(yōu)化調(diào)整后，如果仍無(wú)法改善NH3/NOx摩爾比均勻性，需要以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流場(chǎng)數(shù)據(jù)作為邊界條件，對(duì)原有SCR脫硝裝置流場(chǎng)進(jìn)行CFD校核計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足常規(guī)流場(chǎng)指標(biāo)要求，則在此基礎(chǔ)上尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化改造和噴氨均流裝置改造。

④流場(chǎng)優(yōu)化改造時(shí)，高溫空預(yù)器煙氣出口過(guò)兩個(gè)彎頭引出，在水平方向混合成一個(gè)煙道進(jìn)入脫硝系統(tǒng)，將低溫省煤器移位至脫硝第三層催化劑出口的正下方，脫硝出口煙氣由原來(lái)的斜板進(jìn)入改為豎直進(jìn)入，煙氣經(jīng)過(guò)低溫省煤器后正向進(jìn)入低溫空預(yù)器。脫硝系統(tǒng)所有的彎道、漸擴(kuò)管、漸縮管均應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流板，在噴氨格柵煙氣下游安裝擾流混合器。

⑤脫硝CEMS使用的氨逃逸測(cè)量方法為抽取式間接測(cè)量，采樣探頭為單點(diǎn)采樣，代表性不強(qiáng)，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)值經(jīng)常嚴(yán)重低于實(shí)測(cè)值，建議更換為激光光譜法測(cè)量氨逃逸，該方法是將激光分析儀直接裝在煙道上，利用不同組分的介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收能力不一樣的原理，選擇對(duì)氨氣組分最敏感的激光光譜布置在儀器探頭的對(duì)面，通過(guò)對(duì)激光光譜強(qiáng)度的衰減進(jìn)行檢測(cè)，可以測(cè)出煙氣中的氨氣濃度，其測(cè)量出的氣體濃度值表征的是光穿過(guò)的整個(gè)路徑上的氣體濃度平均值，也是大多數(shù)電廠采用的氨逃逸監(jiān)測(cè)方法。

4.4 適當(dāng)提高低溫空預(yù)器入口煙溫

在鍋爐爐膛出口溫度不能改變的情況下，采取以下兩種方法均可提高低溫空預(yù)器入口煙氣溫度：①在脫硝出口煙道上引出煙氣至低溫空預(yù)器入口，在管道上安裝調(diào)節(jié)閥，提高煙溫有利于硫酸氫銨結(jié)晶蒸發(fā)；②在送風(fēng)機(jī)入口安裝暖風(fēng)器或復(fù)合相變換熱器，在冬季環(huán)境溫度低時(shí)，提高低溫空預(yù)器冷端壁溫，防止排煙溫度過(guò)低造成硫酸氫銨結(jié)晶堵塞和低溫腐蝕。

5 結(jié)論

低溫空預(yù)器管堵塞已成為電力行業(yè)面臨的主要問(wèn)題，是脫硝系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)、NOx濃度場(chǎng)、噴氨不均勻等單個(gè)或多原因造成氨逃逸量局部過(guò)大，在低溫段形成硫酸氫銨，堵塞后直接造成電廠能耗升高、帶負(fù)荷能力下降，需要在項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)深刻理解火力發(fā)電廠煙氣脫銷(xiāo)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)涵，將審核關(guān)口前移，避免設(shè)計(jì)安裝中可能帶來(lái)的深層次隱患，投運(yùn)后應(yīng)進(jìn)行全面的脫硝性能考核試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、施工安裝問(wèn)題。