引言

空氣預熱器(Air Preheater'簡稱APH)是燃煤電廠鍋爐中的重要設備,在實際運行中,空氣預熱器往往會出現堵塞現象,影響其熱效率[1]。空氣預熱器的堵塞主要是煙氣中含有的灰塵顆粒在APH內壁上沉積所致,這些灰塵顆粒主要來自燃料中的灰分和燃燒過程中的燃燒產物,伴隨煙氣通過APH時,沉積于APH內壁上,形成灰塵層[2—3]。隨著時間的推移,這些灰塵層會逐漸增厚,導致APH的通風阻力增大[4]。因此,如何有效防止空預器堵塞成為燃煤電廠運行管理中的一個重要課題。文獻[5—7]在空預器堵塞治理方面提出的防堵技術得到了廣泛應用。因各企業(yè)設備差異、入爐煤質及氨逃逸等因素的影響,采用單一的防堵技術效果不佳。為此,本文以1 000 MW機組空預器為例進行闡述,采用熱風吹掃防堵技術,治理空預器堵塞問題。

1空預器堵塞機理

鍋爐運行產生的煙氣中會攜帶部分銨鹽,這些銨鹽的生成和沉積會導致空氣預熱器的換熱元件表面積灰,影響熱交換效率,增加系統的阻力。而銨鹽中以硫酸銨為主,在煙氣溫度達到213~308℃時,硫酸銨分解為氣態(tài)硫酸氫銨,在溫度150~230℃范圍,硫酸氫銨是一種高黏性半液態(tài)物質,極易粘附在換熱元件上,最后板結。

如果不能及時清除這些積灰,將導致空氣預熱器阻力不斷增大,積灰現象會越來越嚴重,最終導致空氣預熱器的堵塞。

2空預器熱風吹掃技術

空預器熱風吹掃技術是一種解決空氣預熱器堵塞問題的有效方案,其原理是通過增加循環(huán)風倉、設置扇形板和弧形門等措施,在空氣預熱器本體上形成一個相對密閉的循環(huán)風倉,利用循環(huán)風機產生的高溫高速風流對空氣預熱器內部進行吹掃,以快速清除積灰和防止堵塞的發(fā)生[8]。在實際運行中,空預器熱風吹掃技術的防堵原理主要包括以下幾個方面:

一是通過循環(huán)風倉的設置'可以使循環(huán)風在空氣預熱器內部流場分布均勻'保證吹掃效果的均勻性。由于空氣預熱器內部空間有限'流場的均勻性對于吹掃效果至關重要'因此需要對流場進行優(yōu)化'以保證風量大致均勻。

二是隨著環(huán)境溫度的降低'吹掃風溫度也會相應下降'因此'需要根據環(huán)境溫度的變化來調整吹掃風量'以保證吹掃效果的穩(wěn)定性。在冬季和夏季'由于環(huán)境溫度的不同'所需的吹掃風量也會有所差異'需要根據實際情況進行調整。

三是空預器熱風吹掃技術還需要考慮煙氣硫酸氫銨對空氣預熱器的影響。硫酸氫銨在291℃以上開始分解'在308~419℃時分解為NH3和SO3。同時'溫度在300℃左右時'硫酸氫銨為氣態(tài)'最終氨氣和SOX以氣態(tài)的形式被煙氣帶走'從而緩解、控制或防止空預器堵塞。

3技術指標分析

3.1溫度、風量分析

在空預器熱風吹掃技術中,溫度和風量是兩個關鍵參數,對于防堵效果有著至關重要的影響。隨著環(huán)境溫度的降低,空預器冷端的溫度也會相應下降,這就需要增加吹掃風量來保證空預器的清潔。因空預器冷端的溫度通常低于150℃,在冬季和夏季,大部分硫酸氫銨都已經附著在空預器冷端上,在此情況下,可以將空預器冷端硫酸氫銨吸熱模型理想化,不考慮催化劑性能的變化和煤質的變化。假設空預器冷端蓄熱元件上附著的硫酸氫銨量不變,那么所有附著的硫酸氫銨在加熱至分解溫度291℃時所需的吸熱量為φ。在吹掃風溫度為T時,所需的最小吹掃風量為q,可以近似地認為φ=Tq。以310℃為基準,設定最小吹掃風量為q,計算得到在不同溫度下所需的吹掃風量如表1所示。

通過表1可以看出,吹掃溫度越低,所需吹掃風量越大,尤其是溫度低至295℃時,必須成倍增加風量,才能保證吹掃效果。為此,在實際操作中,需要根據溫度的變化及時調整吹掃風量,以滿足空預器的清潔需求。同時,還需要考慮到空預器冷端的特點,合理設計吹掃風量和溫度,以最大限度地減少硫酸氫銨的附著和堆積,保證空預器的正常運行。在實際操作中,需要根據具體情況靈活調整吹掃風量和溫度,盡量保證吹掃風溫度始終保持在310℃以上,以確?？疹A器的高效運行和長期穩(wěn)定性。

3.2流場分析

在實際應用中,由于空間限制,循環(huán)風倉面積只能占一個倉格,因此空預器內部的流場分布并不均勻。在流場不均勻的情況下,風量較少的區(qū)域無法得到有效吹掃,從而導致了防堵效果的不確定性。因此,需要對流場進行優(yōu)化,以保證吹掃效果的均勻性和有效性。為了解決這一問題,可以通過對空預器內部結構和風道進行優(yōu)化設計,以確保循環(huán)風能均勻地吹掃整個空預器內部。同時,還可以通過調整風機的位置和布局,以提高吹掃效果的均勻性。另外,還可以通過改變風機的葉片結構和數量,以增加吹掃風量,從而提高吹掃效果的覆蓋范圍和均勻性?？傊?空預器熱風吹掃技術在實際應用中存在著流場均勻性不足的問題,需通過優(yōu)化設計和調整風機布局等手段來解決,以確保吹掃效果的均勻性和有效性。

3.3系統前端分析

空預器熱風吹掃技術實質上是對末端產生的硫酸氫銨進行處理,而前端就是控制氨源和氨逃逸,系統前端影響空預器堵塞的主要因素有低氮燃燒器、催化劑區(qū)域煙氣及噴氨流場、催化劑性能、煤質等。

首先,低氮燃燒器的設計能夠有效減少燃燒過程中產生的氮氧化物排放,從而降低空氣預熱器內部的氨逃逸量,減少空預器冷端的硫酸氫銨的生成,進而降低空預器的堵塞風險。

其次,合理的催化劑布置和噴氨流場設計能夠有效降低煙氣中硫酸氫銨的含量,減少硫酸氫銨對空預器冷端的腐蝕和堵塞,從而延長空預器的清潔周期。

此外,優(yōu)質的催化劑能夠更好地催化煙氣中的硫化物,減少硫酸氫銨的生成,降低空預器的堵塞風險。

同時,煤質的好壞也會直接影響燃燒產物中硫化物的含量,進而影響空預器的堵塞情況。

4技術應用

某1 000 MW燃煤火電機組在正常運行時出現空預器堵塞問題,特別是在寒冷的冬季,由于環(huán)境溫度較低,堵塞現象更為嚴重,空氣預熱器壓差高達3.5 kpa。經過對多家國內同類型火電廠的調研,擬采用空預器熱風吹掃技術解決空預器堵塞問題。

方案一:扇形板組件改造。

將冷熱端一次風和煙氣中間的主扇形板更換為兩塊扇形板。此兩塊扇形板中間隔出來的空間作為循環(huán)風在空預器內的通道出入口,從循環(huán)風倉熱端取風,經循環(huán)風機增壓后從冷端送入循環(huán)風倉,提高蓄熱元件壁溫。系統示意圖如圖1所示。

方案二:循環(huán)風倉改造。

循環(huán)風倉通過扇形板將原一次風與煙氣倉格間的22.5O扇形板改成15O十7.5O的兩塊扇形板,兩塊扇形板之間留2O~5O空間作為循環(huán)風倉。示意圖如圖2所示。

改造后經過連續(xù)五個月的運行觀察,循環(huán)風機轉速維持在850 r/min,出口空氣溫度可達300℃以上,可有效抑制硫酸氫銨的生成,空預器煙氣側差壓保持在0.9 kpa內,達到了投運以來的最佳水平,證明本次改造的防堵灰效果較為明顯。但是進入冬季環(huán)境溫度下降,在循環(huán)風機轉速逐漸提高至1 200 r/min時,空預器煙氣側壓差開始呈現上升趨勢,最高至2.0 kpa。雖然空氣預熱器差壓不限制機組出力運行,但仍存在較大的安全隱患,為此,需要進一步探究解決環(huán)境溫度低引起的空預器出口空氣溫度低導致的空預器堵塞問題。

該電廠在機組檢修期間對改造后的空預器冷端蓄熱元件進行解體檢查,發(fā)現空預器內三圈存在積灰板結,外五圈幾乎無積灰板結,如圖3所示。

為了解決冬天空預器差壓問題,該電廠在機組檢修期間對空預器進行了系列改造和清理檢查工作:1)對空預器內三圈進行了清理清潔工作;2)針對運行年限長達五年之余的脫硝催化劑進行更換;3)燃燒器進行了低氮改造等。此外,針對空預器冷端蓄熱元件內三圈存在積灰板結、外五圈無積灰板結問題,該廠外聘某熱工設計院對空預器循環(huán)風倉進行了流場優(yōu)化分析。其中空預器循環(huán)風倉內流場優(yōu)化前后流場分布如圖4所示。

經過空預器循環(huán)風倉內流場優(yōu)化檢修啟動后,機組運行一年期間空預器差壓始終穩(wěn)定保持在0.9 kpa。進入冬天,環(huán)境溫度下降時,同樣將循環(huán)風機轉速提升至1 200 r/min,觀察發(fā)現空預器煙氣側差壓最高至1.2 kpa,完全滿足空預器安全運行條件,這也表明經空預器循環(huán)風倉內流場優(yōu)化改造,可以較好地解決冬天環(huán)境溫度低引起的空預器出口空氣溫度低導致的空預器堵塞問題。

5應用成效

本文提出的技術方案從空預器熱端引出適量的循環(huán)風到空預器冷端的循環(huán)風倉,采用針對性加熱方式,在蓄熱元件轉至煙氣側之前,提高冷端溫度,使溫度最低點高于酸結露點,避開酸結露區(qū)。與已有技術及現狀相比,本技術方案獲得的有益成效如下:1)對冷端進行加熱,通過調節(jié)循環(huán)風量可以使煙氣側冷端表面最低溫度提高30~60℃;2)空預器可長期穩(wěn)定運行,煙氣側壓差在0.9 kpa左右,不發(fā)生堵灰;3)空預器不堵灰之后,空預器換熱效率提升,排煙溫度較原有狀況降低3℃,鍋爐運行效率提高;4)空預器的阻力下降,雖然增加了循環(huán)風機電流,但風機總電流下降,節(jié)能效果明顯。