回轉式空預器能效提升技術研究與應用

國家能源集團銅陵發電有限公司 梁 勇

1 引言

隨著全球及國內經濟、能源和環保形勢的發展，綠色發電，風光水清潔能源的裝機容量占比越來越大。燃煤電廠作為保障電網安全的穩定電源，燃煤機組的頻繁調峰對鍋爐系統設備的可靠性提出了更高的要求。作為燃煤機組重要輔助設備，回轉式空氣預熱器由于其結構緊湊，傳熱密度高達500m2/m3，占用空間小、換熱效率高等優勢，在國內煤電機組中的應用越來越廣泛，其運行效率直接影響著機組的效率。

國家能源集團某電廠組調峰頻繁、長時間低負荷運行，煙氣溫度較低導致SCR脫硝系統效率下降，為控制NOx的排放，運行過程中噴入過量的氨氣，煙氣中氨逃逸增加，逃逸的氨和煙氣中SO3反應生成的硫酸氫氨在空氣預熱器中低溫段凝結，導致空氣預熱器堵塞嚴重。空氣預熱器的設計壓差為1.1kPa，空預器堵塞時的空預器壓差為3.0kPa，運行漏風率為8%，嚴重影響到鍋爐風煙系統的風壓穩定性，鍋爐的安全穩定運行存在很大的安全隱患。

2 空氣預熱器堵灰的原因

一是空氣預熱器處在電除塵器與省煤器之間，進入空氣預熱器的煙氣未經過任何除塵處理，由于容克式空氣預熱器結構緊湊，內部蓄熱元件間孔隙率較小的特點，極易發生大顆粒灰分的自然累積，形成堵灰。

二是在燃煤機組脫硝改造之前，煤質中硫的燃燒產物是引起空氣預熱器腐蝕和積灰的主要原因，當空氣預熱器冷端蓄熱元件金屬平均壁溫降到低于酸露點，達到最大酸凝結率所對應的溫度時，飛灰的沉積率最大。根據目前國內機組的燃用煤質，一般認為，酸露點溫度在80～120℃，對于燃煤鍋爐，稀硫酸腐蝕和積灰最嚴重處在距離冷端50～300mm。

三是隨著SCR脫硝系統的投運，在控制煙氣中NOx的排放的同時，燃燒生成的SO2在SCR系統催化劑中的活性成分V2O5的催化作用下生成 SO3，煙氣中SO2向SO3的轉化率增加，即煙氣中的SO3含量增加，加速了NH4HSO4的生成。同時，由于煙氣中NH3和SO3的濃度的增加，造成煙氣酸露點溫度升高。

以上兩種或兩種以上凝結物質的相互促進形成了惡性循環，導致回轉式空預器的堵塞和低溫腐蝕愈加嚴重。

逃逸到煙氣的NH3與經過脫硝系統后由SO2轉換的SO3進行反應。NH4HSO4在空氣預熱器中的沉積溫度是150～190℃[1]，處在空氣預熱器蓄熱元件中溫段，同時液態的NH4HSO4極易沾染灰分，且很難通過常規的水沖洗及蒸汽吹灰方式去除，所以導致了空氣預熱器堵灰速率增加[2]。

四是空氣預熱器經過水沖洗后沒有徹底烘干就投入運行，原先沒有徹底清洗留下的殘留物經過煙氣烘干后形成水泥狀的積灰。

運行過程中的諸多因素相互疊加干擾，相互促進，導致了目前燃煤機組空氣預熱器的堵灰問題越來越嚴重。

3 空氣預熱器綜合能效提升技術

3.1 空氣風量分切防堵灰技術

空氣預熱器分量分切防堵灰技術是基于空氣預熱器的堵塞機理，有針對性解決的空預器堵塞的技術[3]。

空預器風量分切防堵灰技術原理如圖1所示，三分倉回轉式空氣預熱器轉子轉向為煙氣側→一次風側→二次風側，蓄熱元件經過一次風、二次風的換熱后轉至煙氣側時，冷端蓄熱元件溫度處于最低點，通常該點的溫度處在酸結露溫度區間內（≤120℃），冷端蓄熱元件容易發生低溫結露。該技術就是通過增加一個集中加熱分倉，對每次轉進循環分倉的換熱元件進行加熱，通過加熱避免稀硫酸的結露，解決空預器冷端稀硫酸結露的問題。

圖1 空預器風量分切防堵灰技術原理

針對蓄熱元件中溫段的NH4HSO4，采用由風機增壓后自循環的高溫（≥350℃）、高流速的熱介質對蓄熱元件表面凝結的NH4HSO4強制蒸發。其次，通過高溫、高流速的熱介質將NH4HSO4由中溫段吹至高溫段，通過空預器熱端自身的熱量氣化凝結的NH4HSO4。

通過在空氣預熱器中增加分倉的方式，對冷端蓄熱元件進行集中加熱，通過提高冷端溫度、強制蒸發的手段，解決由于稀硫酸及硫酸氫銨引起的空預器的堵灰。

3.2 柔性接觸式密封技術

空預器柔性接觸式密封安裝在空預器轉子徑向隔倉，隨著轉子的轉動柔性接觸密封頂部的自潤滑合金始終與扇形板密封面形成柔性接觸的狀態，通過消除漏風面積的方式控制空預器漏風率。柔性密封原理如圖2所示。

圖2 柔性密封原理

通過柔性接觸式密封改造可使密封與扇形板之間零間隙，較好地控制漏風率。

4 空預器綜合能效提升技術的應用

4.1 項目概況

該公司2×630MW機組是東方鍋爐廠生產的DG1900/25.4-Ⅱ1鍋爐，額定蒸發量1900t/h，鍋爐空氣預熱器采用東方鍋爐廠配套的三分倉空氣預熱器。分別于2008年7、9月份投產，2016年8月、2017年8月進行了超低排放改造。同期對空預器蓄熱元件進行改造，自上而下高度分別由300mm、800mm、300mm改為520mm、800mm和1000mm。冷段換熱元件為零碳鋼鍍搪瓷傳熱元件。

為解決空預器堵塞、腐蝕、漏風問題，經過多方調研，決定采用風量分切防堵灰技術對#1鍋爐空預器進行改造。同時對因蒸汽吹灰損壞的自潤滑合金柔性接觸式密封進行修復、重新調整間隙，以達到空預器防堵、防腐、防漏的目標。

本次空預器的綜合能效改造，主要對空預器進行柔性接觸式密封改造和風量分切防堵灰技術改造，其中防堵灰技術主要有四分倉改造，增加一個防堵灰分倉，防堵灰工藝系統以及配套的電氣、熱控系統改造[4]。

根據空預器轉子經過煙氣側、二次風側換熱后由一次風側進入煙氣側的轉向，在空預器一次風側與煙氣側之間安裝防堵灰分倉，通過對空預器進行扇形板改造來隔離出防堵灰分倉。空預器扇形板改造方案如圖3所示。

圖3 空預器扇形板改造方案

原煙氣側與二次風之間15°扇形板位置及角度保持不變；拆除原煙氣側與一次風之間15°扇形板，在保持原一次風通流面積不變的情況下，增加一塊7.5°扇形板。在煙氣側方向，將原15°扇形板距此7.5°扇形板7.5°位置新增一塊，占用煙氣側通流面積15°。中間7.5°位置即為風量分切風倉。

綜上，每臺空預器冷、熱端扇形板改造，新增15°和7.5°扇形板各一個，原一次風、二次風側通道皆保持不變，煙氣側通道面積減小15°。

改造后取得了非常好的效果，改造前壓差2.5kPa，改造后1.5kPa計算，煙氣側壓差下降1kPa，修前8.99%，下降至修后4.26%，漏風率下降4.73%。

4.2 項目改造后的經濟性分析

空預器綜合提效改造后，空預器各項運行參數均得到了很大的改善和優化。機組三大風機的運行電耗得到了很大程度的降低，空預器漏風率得到了非常好的控制，改造后空預器蒸汽吹灰器的投運頻次大大降低，節省了大量的蒸汽。給機組的運行帶來較大的經濟收益，從以下兩方面核算。

一是直接經濟效益：（1008.68萬元/年）。六臺風機節電年收益：455萬元。漏風率下降：修前8.99%，下降至修后4.26%，漏風率下降4.73%，年節約費用242.93萬元；蒸汽耗量：改造前每天冷熱端各9次，每天蒸汽消耗量為89.64t，改造后冷端每天吹1次，每臺每次1h，每天蒸汽消耗量為9.96t，每天節省蒸汽為約79.68t，每噸蒸汽約130元。按年運行300天計算，年節約費用約為310.75萬元。

二是間接經濟效益：（64.47萬元/年）。密封配件節約：按每6年更換一次冷端密封元件時，折算到每年的費用為29.80萬元；空預器檢修水沖洗節省的費用：改造前，#1機組每次停爐都要進行水沖洗，每年倉內沖洗1次，每次8萬元；吊裝清洗1次，每次40萬元；改造后，換熱元件清洗頻率降低至3年一次。平均每年節約的費用為34.67萬元。其他收益：運行檢修成本降低；設備安全性能的提高；事故啟停鍋爐期間除去發電利潤之外所產生的各項相關費用等。

總的經濟收益達到：1073.15萬元/年，通過這樣的整體分析，空預器綜合能效提升改造的靜態投資回收期非常短，在短期內就能收回成本[5]。

5 結語

根據運行監控數據，2號鍋爐自防堵灰系統于2021年6月正式投運，自投運以來風機利用系數為0.7，空預器壓差一直保持穩定，未見上升，風量分切防堵灰技術達到了防堵灰的目的；空預器分量分切防堵灰技術能夠有效的解決空氣預熱器的堵灰問題，通過該技術進行的改造能夠長期保持空氣預熱器的壓差穩定不上升，保證空預器的穩定運行，提高機組運行可靠性；針對靈活性調峰工況的機組，更應該關注空預器漏風率，尤其是空預器冷端的漏風率。通過柔性接觸式密封改造可以有效的控制機組全負荷變化過程中空預器的漏風率，提高機組的運行經濟性；隨著能源結構的調整，對火電機組的調峰深度、靈活性運行提出了更高、更嚴格的調整，通過對機組進行系統性的綜合治理才能有效的保證機組的運行安全性，保障能源供應安全。