燃高硫煤鍋爐回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器防堵及防腐措施及工程應(yīng)用

龔超，武天明，冉燊銘，廖光東，李清明

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001；3.重慶旗能電鋁有限公司，重慶 401420）

0 引言

回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器是大型燃煤鍋爐的主要設(shè)備之一。隨著國家節(jié)能環(huán)保政策趨嚴(yán)，一方面從節(jié)能方面要求鍋爐有更高的效率，降低排煙溫度是提高鍋爐效率的措施之一，該措施造成回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器面臨更低的煙氣溫度及壁溫；另一方面從環(huán)保方面要求鍋爐有更低的污染物排放，其中之一就是更低的NOx排放，大型燃煤鍋爐常采用選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)降低NOx排放，而SCR 技術(shù)隨著催化劑活性的下降，脫硝效率降低，為了滿足國家排放政策要求，電廠常通過過量的噴氨來降低NOx排放，受噴氨均勻性及氨逃逸等影響，SCR 出口有過量未發(fā)生反應(yīng)的NH3逃逸至下游的回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器中［1］。

在鍋爐燃用高硫煤時，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器冷端換熱元件壁溫較低易發(fā)生低溫腐蝕，同時回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器中煙氣的SO3、SCR 逃逸的NH3及水蒸氣在溫度降低時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸氫氨，易冷凝沉積在換熱元件表面，極易吸附煙氣中的飛灰顆粒?；剞D(zhuǎn)式預(yù)熱器的運行煙溫區(qū)間正好處于硫酸氫銨的生成區(qū)域，極易發(fā)生硫酸氫銨沉積并跨層，跨層后極難通過吹灰器吹掉，從而引起回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的堵塞［2-3］。對于燃用高硫無煙煤的W 型火焰鍋爐，此問題愈發(fā)嚴(yán)重。部分鍋爐出現(xiàn)了回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器硫酸氫氨堵塞之后排煙溫度大幅升高，煙風(fēng)阻力急劇增大問題，甚至影響鍋爐出力。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

在防治回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器冷端低溫腐蝕方面，主要有熱風(fēng)再循環(huán)技術(shù)、增設(shè)暖風(fēng)器技術(shù)，這兩種技術(shù)可以提高回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度，進(jìn)而提高回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器冷端綜合溫度。冷端采用耐腐蝕材料，也可有效預(yù)防預(yù)熱器冷端低溫腐蝕。

在防治回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器硫酸氫氨堵塞方面，有不同的解決思路。

從控制硫酸氫氨的生成角度考慮，可以通過爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)控制NOx生成，減少SCR 中噴氨量?？梢酝ㄟ^優(yōu)化流場、全斷面精準(zhǔn)噴氨、控制氨逃逸，減少回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器中硫酸氫氨生成量［2-4］。采用此種技術(shù)措施，可以從根源上減少硫酸氫氨生成量，但不能避免硫酸氫氨的生成，尤其對于燃用高硫無煙煤的W 型火焰鍋爐，其原始NOx排放及煙氣中的SO3含量均較高，更難控制硫酸氫氨的生成。

從回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器本身結(jié)構(gòu)考慮，避免硫酸氫氨跨層沉積，可以通過加高預(yù)熱器冷端換熱元件高度，使硫酸氫氨僅沉積在冷端元件上，避免跨層沉積?？梢圆捎梅旨夘A(yù)熱器，使硫酸氫氨最大限度地沉積在低溫級預(yù)熱器［5］。

從提高回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器冷端綜合溫度方面考慮，目前應(yīng)用較多的為增設(shè)暖風(fēng)器，暖風(fēng)器一般與低溫省煤器聯(lián)合使用，但低溫省煤器運行環(huán)境溫度較低，易發(fā)生硫酸低溫腐蝕和煙氣磨損，進(jìn)而發(fā)生低溫省煤器受熱面泄漏［6］。

從硫酸氫氨生成后有效清除方面考慮，目前有電廠采用單側(cè)空預(yù)器升溫法［7］，使沉積在回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器換熱元件上的硫酸氫氨再次揮發(fā)。

2 問題分析及應(yīng)對措施

2.1 問題分析

2.1.1 低溫腐蝕機理

露點溫度是低溫腐蝕的一個關(guān)鍵指標(biāo)，由于燃煤鍋爐煙氣中存在SO3和水蒸氣，當(dāng)煙氣溫度過低時，煙氣中的SO3和水蒸氣生成硫酸，當(dāng)煙氣中硫酸蒸汽凝結(jié)速率和硫酸液滴的蒸發(fā)速率相等時對應(yīng)的煙氣溫度為酸露點溫度。

當(dāng)煙氣溫度低于酸露點溫度時，硫酸呈液滴狀，并對換熱元件的金屬壁面產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象［8］。

2.1.2 硫酸氫氨生成機理

硫酸氫銨的生成與煙氣中的NH3和SO3密切相關(guān)，SO3主要來自鍋爐燃燒生成及SO2的氧化，NH3主要來自SCR脫硝過程中逃逸的氨。

硫酸氫氨在不同的溫度下分別呈現(xiàn)氣態(tài)、液態(tài)、顆粒狀。對于燃煤鍋爐，煙氣中飛灰含量較高，液態(tài)硫酸氫氨捕捉飛灰能力極強，會與煙氣中的飛灰粒子相結(jié)合，附著于預(yù)熱器傳熱元件或低溫省煤器受熱面上形成融鹽狀的積灰，造成預(yù)熱器或低溫省煤器的腐蝕、堵灰等［9-10］。

2.2 應(yīng)對措施

根據(jù)問題原因分析，提出一種回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器耦合管式預(yù)熱器解決低溫腐蝕及硫酸氫氨堵塞問題的技術(shù)措施。

在回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器之后的煙道中設(shè)置管式預(yù)熱器，通過管式預(yù)熱器對回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器進(jìn)口的冷風(fēng)進(jìn)行加熱，從而提高回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器進(jìn)口風(fēng)溫，提升回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的抗腐蝕及防硫酸氫氨堵塞能力，減緩硫酸氫氨在回轉(zhuǎn)式冷端元件上的沉積速率。在回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器設(shè)計時，通過合理的元件高度設(shè)計，使硫酸氫氨最大限度地在回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的冷端換熱元件生成，然后可通過在線吹灰的方式清除冷端元件上生成的硫酸氫氨。此技術(shù)流程示意見圖1。

圖1 回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器耦合管式預(yù)熱器換熱系統(tǒng)

位于回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器下游的管式預(yù)熱器溫度更低，同樣處于低溫腐蝕發(fā)生區(qū)域及硫酸氫氨沉積堵塞區(qū)域。管式預(yù)熱器采用耐低溫腐蝕材料提高抗腐蝕能力，同時采用熱風(fēng)（煙氣）干燒方式使管式預(yù)熱器內(nèi)已沉積的硫酸氫氨再次受熱揮發(fā)。管式預(yù)熱器熱風(fēng)（煙氣）干燒示意見圖2。

圖2 管式預(yù)熱器布置示意

對管式預(yù)熱器進(jìn)行模塊化分區(qū)設(shè)計，每個區(qū)域的煙氣側(cè)、冷風(fēng)側(cè)可以單獨分割，每個管箱的煙氣入口和空氣入口側(cè)分別設(shè)置一個關(guān)閉擋板門，并可在每個管式預(yù)熱器管箱的煙氣入口引入干燒的熱空氣（煙氣），通過間歇式分區(qū)干燒的方式在線清除管式預(yù)熱器內(nèi)已沉積的硫酸氫氨。

管式預(yù)熱器可立式布置，煙氣走管內(nèi)、冷風(fēng)走管外，冷風(fēng)入口段可采用09CrCuSb 鋼等耐腐蝕性好的鋼材提高管式預(yù)熱器防腐能力。

采用此技術(shù)措施有以下幾方面優(yōu)勢：

1）回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器與管式預(yù)熱器耦合，擴展了煙風(fēng)換熱面積，降低了鍋爐排煙溫度，提高了鍋爐效率；

2）回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器與管式預(yù)熱器耦合，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器布置于高煙溫區(qū)域，其腐蝕和硫酸氫氨堵塞的風(fēng)險降低；

3）管式預(yù)熱器可以通過提高材質(zhì)等級防腐，同時可通過熱風(fēng)（熱煙氣）干燒清除硫酸氫氨。

3 工程應(yīng)用

以某330 MW 亞臨界W 火焰鍋爐解決回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器腐蝕及堵塞問題的方案為例進(jìn)行說明。

3.1 項目概況

鍋爐為亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、W 型火焰燃燒、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、∏型汽包鍋爐，配置2 臺回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，煙氣脫硝采用SCR 工藝。鍋爐長期燃用高硫無煙煤或高硫貧煤。

采用此技術(shù)前，鍋爐面臨的問題：1）回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器腐蝕及堵塞問題較為嚴(yán)重，空預(yù)器阻力最高到近3 000 Pa，影響鍋爐帶負(fù)荷能力；2）鍋爐排煙溫度接近150 ℃，鍋爐效率較低。

鍋爐設(shè)計燃料及實際燃料均為西南地區(qū)高硫無煙煤，煤質(zhì)資料見表1。

表1 煤質(zhì)參數(shù)

3.2 改造方案

工程應(yīng)用中，管式預(yù)熱器布置于回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器下方，管式預(yù)熱器采用立式布置，整體支撐于地面上，煙氣走管內(nèi)從上向下流動，空氣走管外從爐后向爐前流動?？傮w布置方案見圖3。

圖3 管式預(yù)熱器布置位置

采用回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器耦合管式預(yù)熱器技術(shù)方案之后，鍋爐尾部熱力計算匯總見表2。

表2 熱力計算匯總單位：/℃

3.3 改造前后經(jīng)濟性對比

改造前，由于回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器阻力較大，引風(fēng)機壓頭裕量不足，鍋爐最大能帶至290 MW負(fù)荷。鍋爐在289.3 MW 負(fù)荷時，排煙溫度為A 側(cè)136 ℃、B 側(cè)155 ℃，熱一次風(fēng)溫度為A 側(cè)266 ℃、B 側(cè)289 ℃，熱二次風(fēng)溫度為A側(cè)290 ℃、B側(cè)307 ℃，引風(fēng)機入口壓力為A側(cè)-4.89 kPa、B側(cè)-4.85 kPa。

改造后，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器阻力恢復(fù)至設(shè)計值，管式預(yù)熱器煙氣阻力為600 Pa，引風(fēng)機壓頭裕量足夠，鍋爐最大能帶至330 MW 負(fù)荷。鍋爐在319.3 MW 負(fù)荷時，排煙溫度為A 側(cè)121 ℃、B 側(cè)121 ℃，熱一次風(fēng)溫 度為A 側(cè)302 ℃、B 側(cè)306 ℃，熱二次風(fēng)溫度為A 側(cè)315 ℃、B 側(cè)317 ℃，引風(fēng)機入口壓力為A側(cè)-4.39 kPa、B 側(cè)-4.40 kPa，改造前后運行數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 改造前后運行數(shù)據(jù)對比

從表3可以看出：鍋爐排煙溫度降低25 ℃，降低的鍋爐排煙溫度的余熱用于加熱鍋爐的送風(fēng)，提高了回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器出口的熱風(fēng)溫度，一次風(fēng)溫提高了27 ℃，二次風(fēng)溫提高了18 ℃。

3.4 防堵及防腐效果評估

1）回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器抵抗低溫腐蝕風(fēng)險能力提高。技術(shù)改造后，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度提高、排煙溫度升高，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器冷端綜合溫度（回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器出口煙溫與回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器入口冷風(fēng)溫度之和）大幅提高，其抗低溫腐蝕的風(fēng)險能力提高。從表2 可以看出，在40%THA 負(fù)荷，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器冷端綜合溫度為262 ℃，抵抗低溫腐蝕風(fēng)險的能力提高。

2）回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器抵抗硫酸氫氨堵塞風(fēng)險能力提高。該項目燃煤收到基硫含量為3.19%，氨逃逸6.16 mg/m3，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料［11］，硫酸氫氨在204 ℃以上為氣相，在140～204 ℃之間為液相，在140 ℃以下為固相。

技術(shù)改造后，回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度提高、排煙溫度升高，金屬壁溫提高。不同負(fù)荷下金屬壁溫分布見表4。

表4 金屬壁溫分布（沿高度五等分）單位：℃

從表4 可以看出，所有工況下硫酸氫銨結(jié)晶區(qū)域都在冷端元件的覆蓋范圍內(nèi)，有效解決了硫酸氫銨跨層沉積。

3）系統(tǒng)安全可靠性提高。管式預(yù)熱器定期通過熱風(fēng)（煙氣）干燒方式清除硫酸氫氨，冷風(fēng)入口段采用抗低溫腐蝕性能好的材料，整套系統(tǒng)腐蝕及硫酸氫氨沉積的風(fēng)險降低，系統(tǒng)安全穩(wěn)定性提高。

4 結(jié)語

燃用高硫煤鍋爐回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的低溫腐蝕及硫酸氫氨堵塞問題，是目前燃高硫煤項目的一大難題。針對該問題的機理及措施進(jìn)行了分析，并提出了回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器耦合管式預(yù)熱器技術(shù)。

回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器耦合管式預(yù)熱器技術(shù)可以大幅提高回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度，進(jìn)而提高回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器冷端綜合溫度，預(yù)防低溫腐蝕并避免硫酸氫氨跨層生成。

回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器耦合管式預(yù)熱器技術(shù)擴展了煙風(fēng)換熱面積，降低了鍋爐排煙溫度，提高了鍋爐效率。

管式預(yù)熱器冷風(fēng)入口段可采用耐腐蝕性好的鋼材提高其防腐能力，通過熱風(fēng)（煙氣）干燒方式定期、在線清除硫酸氫氨，系統(tǒng)可長期維持安全、穩(wěn)定運行。