高硫煤機組尾部煙道中灰硫分布規律研究

張知翔，徐黨旗，車宏偉，賈兆鵬，李文鋒，鄒小剛，李 楠

（1.西安西熱鍋爐環保工程有限公司，陜西 西安 710054；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

燃煤鍋爐空氣預熱器出口排煙溫度實際運行一般比設計值高出20~50 ℃[1]，排煙溫度高會導致機組熱效率降低、靜電除塵器效率降低、濕法脫硫系統水耗增加等一系列問題[2]。為了更充分地回收排煙余熱，以低低溫省煤器為核心的煙氣余熱利用技術得到了快速發展，低低溫省煤器聯合暖風器技術既提高了排煙余熱利用率，又改善了空氣預熱器的運行環境，在中低硫煤機組上得到了廣泛應用[2-6]。但高硫煤機組由于存在嚴重的低溫腐蝕和黏性積灰風險，低低溫省煤器技術尚未得到推廣。

低低溫省煤器出口排煙溫度低于煙氣酸露點，受到SO3低溫腐蝕的威脅。日本三菱重工試驗研究表明，灰硫比大于10時，可避免低溫腐蝕。美國南方電力公司研究認為當含硫量低于2.5%時，灰硫比在50~100以上可避免低溫腐蝕；當含硫量高于2.5%時，灰硫比在200以上可避免低溫腐蝕[5-7]。我國典型煤種的灰硫比均大于100[7]，實際運行時，發生低溫腐蝕的現象較少。

文獻[8]研究了低溫腐蝕與黏性積灰之間的耦合機理，認為積灰速率與換熱管壁溫成反比，黏性積灰分為內中外3層，并給出了黏性積灰層中溫度和SO3質量濃度的分布模型。文獻[9]研究了顆粒物吸附硫酸酸霧后的團聚現象，認為吸附反應后單個顆粒物存在4種表面形態，顆粒物間存在4種團聚形態。文獻[10]通過試驗和數值模擬研究了中低溫煙氣換熱器氣側積灰、磨損及腐蝕機理。文獻[11]通過高硫煤低低溫省煤器中試試驗臺，研究了低低溫省煤器對SO3的協同脫除。文獻[12]介紹了高硫高灰低溫煙氣環境下SO3的行為特性，認為低低溫省煤器后SO3的質量濃度主要受煙氣溫度的影響。

現有研究均以煙道中SO3和灰分均勻分布為前提，未對煙道中SO3和灰分的分布規律進行研究。高硫煤機組尾部煙氣中SO3質量濃度可能達到，煙道中SO3和灰分的不均勻分布容易造成局部灰硫比低于100。因此有必要對煙道中灰、硫的分布規律進行研究，推薦適合的灰硫比，以保障低低溫省煤器本體的安全。

本文在某高硫煤燃煤機組上搭建低低溫省煤器試驗臺，對低低溫省煤器前后不同煙道截面的SO3及飛灰質量濃度進行了測試，研究灰、硫在尾部煙道中的沿程分布規律，提出適用于高硫煤機組的安全灰硫比，以期對高硫煤機組低低溫省煤器的應用提供指導。

1 試驗方法

1.1 試驗系統

某電廠鍋爐為亞臨界、倒“U”型布置、中間一次再熱、平衡通風、露天布置、全鋼結構、固態排渣、W型火焰鍋爐。尾部配有2臺雙室四電場靜電除塵器。2016年進行了WGGH系統改造，在靜電除塵器入口加裝低低溫省煤器，將靜電除塵器入口煙溫降低至100 ℃左右，提高機組熱效率和靜電除塵器效率，減少脫硫塔水耗。

機組設計煤種的收到基硫分為4.06%，2016—2018年期間燃煤收到基全硫的平均值大于3.14%，屬典型高硫煤機組。

高硫煤機組低低溫省煤器試驗系統如圖1所示。從鍋爐空氣預熱器出口尾部煙道抽取10 000 m3/h（標態）煙氣，煙氣經低低溫省煤器、靜電除塵器和引風機后回到靜電除塵器入口的尾部煙道取風口下游[12]。其中前3組模塊布置在水平煙道，用于研究水平煙道不同截面上灰、硫的分布規律；后2組模塊布置在豎直煙道，用于研究豎直煙道上不同截面灰、硫的分布規律。每2組模塊中間布置有聲波吹灰器。

圖1 高硫煤機組低低溫省煤器試驗臺Fig.1 The ultra low temperature economizer test bed for high sulfur coal-fired unit

1.2 測試方法

試驗測點布置在換熱模塊入口水平煙道上中下，第3組模塊出口水平煙道上中下，第5組模塊出口豎直煙道內中外，每處在煙道的不同截面測試煙氣中的SO3及飛灰質量濃度3組數據。

采用控制冷凝法對煙氣中的SO3質量濃度進行測試，具體試驗方法及系統見文獻[12]。

2 尾部煙道內灰硫比分布

2.1 低低溫省煤器前分布規律

表1為低低溫省煤器入口水平煙道不同斷面的飛灰和SO3質量濃度測試結果。

表1 低低溫省煤器進口水平煙道灰硫比測試結果Tab.1 The test result of ash-sulfur ratio in horizontal flue at inlet of the ultra low temperature economzier

由表1可見：水平煙道內飛灰質量濃度在不同斷面下高上低，SO3質量濃度下低上高，灰硫比下高上低。這主要是由于重力作用，飛灰在水平煙道內存在分層現象，而在酸露點以上飛灰對SO3有物理吸附作用，飛灰質量濃度高吸附作用強，因此飛灰與SO3質量濃度呈現出相反的規律。

2.2 低低溫省煤器后分布規律

表2為低低溫省煤器后垂直煙道和水平煙道不同斷面的SO3質量濃度測試結果。水平煙道測孔位于第3個模塊后，垂直煙道測孔位于第5個模塊后。由表2可以看出：

1）低低溫省煤器后水平煙道內SO3質量濃度在不同斷面上無明顯差別。主要原因是雖然在水平煙道不同斷面上飛灰含量有所不同，但根據酸露點以下灰硫比對SO3脫除率的影響可以看出，當灰硫比超過100時SO3脫除率受灰硫比的影響較小，而水平煙道上層截面的灰硫比也超過100，因此在低低溫省煤器中降溫后，不同斷面上SO3質量濃度均較小，無明顯變化。

2）低低溫省煤器后垂直煙道內SO3質量濃度呈現外高內低的規律。主要原因是SO3在低溫狀態下以飛灰為核心凝結成硫酸液滴，其質量大大增加，與飛灰同一量級，因此遇到彎頭，會出現分層現象。

表2 低低溫省煤器出口煙道SO3質量濃度測試結果Tab.2 The test results of SO3 mass concentration in flue at outlet of the ultra low temperature ecnomizer

3 數據分析

3.1 最小安全灰硫比確定

水平煙道的主要問題是飛灰在重力作用下的沉降，水平煙道灰硫比均勻度分析見表3。由表3可見，同一個煙道內飛灰質量濃度、SO3質量濃度以及灰硫比的最大最小比值分別在1.48、1.13、1.67左右。

文獻[11]試驗條件下煙氣灰硫比在105.2~436.7之間變化，低低溫省煤器出口SO3質量濃度在7.4~20.6 mg/m3變化，平均值為13.4 mg/m3，出口殘余SO3量較小。另外，結合高硫煤機組低低溫省煤器實爐運行3年，未發生腐蝕，認為灰硫比在100以上比較安全。根據文獻[11]的研究成果，當低低溫省煤器水平布置時，考慮到灰硫比的不均勻性最高達到1.76，推薦水平布置的安全灰硫比為150。豎直布置的低低溫省煤器需要做流場優化，確保煙道截面上飛灰的不均勻性小于10%，因此灰硫比較為均勻，可以認為安全灰硫比為100。

表3 水平煙道灰硫比均勻度分析Tab.3 Analysis result of the uniformity of ash-sulfur ratio in horizontal flue

3.2 灰分對SO3的物理吸附

低低溫省煤器進口煙道飛灰對SO3的物理吸附率測試結果見表4。根據測試結果，可以得出水平煙道下部最大飛灰質量濃度與水平煙道上部最小飛灰質量濃度的差值，同時可以得出水平煙道上部最大SO3質量濃度與水平煙道下部最小SO3質量濃度的差值。此時SO3質量濃度的降低值是由于飛灰質量濃度的提高值引起的，由于煙氣溫度處于酸露點以上，因此引起SO3質量濃度降低的主要因素是飛灰的物理吸附。

定義飛灰對SO3的物理吸附比為吸附單位質量的SO3所需要的飛灰質量，則利用同一工況下不同截面處飛灰質量濃度的提高值除以SO3質量濃度的降低值便可以得出飛灰對SO3的物理吸附比，通過不同測點處的飛灰質量濃度乘以該工況下的物理吸附比，便可以得出不同測點處飛灰對SO3的物理吸附量，由此得出總的SO3質量濃度和飛灰對SO3的物理吸附率。從計算結果可以看出，同一工況下不同煙道截面測點處總的SO3質量濃度基本相同，從側面證實本文算法的正確性，也證實了測量數據的準確性。

飛灰對SO3的物理吸附率在15.69%~32.45%，同一工況下飛灰對SO3的物理吸附率與飛灰的質量濃度成正比，水平煙道下方測點處的吸附率高于水平煙道上方測點處的吸附率，主要是因為飛灰質量濃度高，則吸附面積大，吸附量也大。

不同工況下，飛灰對SO3的物理吸附量與飛灰的質量濃度總體上成正比，但相關性不強。主要是由于不同工況煤質差別較大，飛灰顆粒的粒徑及表面孔隙率有差異，導致其物理吸附能力有差異。總的SO3質量濃度越高，飛灰對SO3的物理吸附率越低，主要是因為總的SO3質量濃度越高，分母越大，則吸附率越低。

表4 低低溫省煤器進口煙道飛灰對SO3的物理吸附率測試結果Tab.4 The physical adsorption ratios of fly ash to SO3 at inlet flue of the ultra low temperature economizer

3.3 煙道內灰、硫遷移模型

根據測試結果提出了煙道內灰、硫的遷移分布模型，即水平煙道和豎直煙道內加裝低低溫省煤器前后灰分、硫分以及灰硫比在不同煙道截面上的分布規律，結果如圖2所示。

圖2 煙道內灰、硫的遷移分布模型Fig.2 The migration and distribution model of ash and sulfur in flue duct

低低溫省煤器前SO3為氣相，飛灰對其僅為物理吸附，因此其質量濃度與飛灰質量濃度成反比。飛灰由于重力作用其質量濃度在水平煙道內的分布是上低下高，因此SO3的質量濃度分布為上高下低，灰硫比的分布為上低下高。

低低溫省煤器后煙氣溫度降低至酸露點以下，SO3為霧狀，與飛灰的反應為化學反應，且殘余質量濃度在15 mg/m3以下，飛灰對其物理吸附差異不明顯，因此在水平煙道截面上分布較均勻，而飛灰由于重力作用其質量濃度在水平煙道內的分布是上低下高，因此灰硫比為上低下高，由此計算的灰硫比分布同樣為上低下高。遇到彎頭后分布規律受慣性力的影響，飛灰質量濃度外高內低，SO3質量濃度也是外高內低，但是SO3由于霧滴顆粒非常細小，受慣性力影響較小，其質量濃度內外差異不大，因此相應的灰硫比為外高內低。

4 結 論

1）低低溫省煤器前水平煙道內飛灰質量濃度在不同斷面下高上低，SO3質量濃度下低上高，灰硫比下高上低。

2）低低溫省煤器后水平煙道內SO3質量濃度在不同斷面上無明顯差別，在垂直煙道內外高內低。

3）當低低溫省煤器水平布置時，推薦安全灰硫比為150。當低低溫省煤器豎直布置時，推薦安全灰硫比為100。

4）飛灰對SO3的物理吸附率在15.69%~32.45%，飛灰對SO3的物理吸附率與飛灰的質量濃度成正比，總的SO3質量濃度越高，飛灰對SO3的物理吸附率越低。