关键词：空预器；低氮燃烧；SCR脱销；运行措施
Abstract: Based on the combustion process of boiler fuel, this paper expounds the formation mechanism of nitrogen oxide. In order to reduce the emission of nitrogen oxides, SCR Denitrification System is installed, which causes the air preheater to become more blocked. In view of this situation, this paper analyzes and expounds the governance situation, and puts forward countermeasures in operation.
Key words: air preheater; low nitrogen combustion; SCR Denitrification; operation measures
引言
回转式空气预热器是锅炉尾部烟道中的烟气通过内部的散热片将进入锅炉前的空气预热到一定温度的受热面，是一种用于提高锅炉的热交换性能，降低能量消耗的设备。空预器能否健康运行不仅仅影响机组经济性，还将造成一、二次风量不足使负荷受限、还可能引起风机失速抢风、炉膛负压波动、燃烧不稳等，直接影响锅炉运行的安全性。影响空预器安全运行的因素是多方面的，其中脱硝改造后的腐蚀及堵灰加重是最大的安全隐患。为此，对其进行针对性分析，寻找最佳的预防对策及解决方案，以提高空预器在火电厂锅炉系统中长周期、安全稳定运行的可靠性，充分发挥其在发电机组中的作用。
我厂脱硝系统采用选择性催化还原（SCR）法去除烟气中NOx。主要反应原理为：4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O，6NO2+8NH3 → 7N2+12H2O，6NO+4NH3 → 6H2O+5N2。随着催化剂活性降低，氨逃逸增大，烟气中硫酸氨、硫酸氢氨生成量增加并随烟气流动。到达空气预热器冷段，黏附在空预器换热元件表面并吸附飞灰，造成空气预热器堵塞。通过对飞灰实测，飞灰上吸附有较大量的自由态氨、硫酸氨或硫酸氢氨，这些物质主要附着在飞灰表面或孔隙结构中，也恰恰佐证了这一点。从SCR反应方程式可以看出减少NOx量、喷氨量、SO3量、氨逃逸量均可以减少硫酸氢氨生成量。当然减少烟气中的飞灰含量也会起到很客观的效果。此外脱销催化剂加快SO2向SO3转化，酸露点随之升高，当空预器冷端温度低于酸露点时，会液化在空预器受热面上，并吸附飞灰加剧空预器的酸腐蚀和堵灰。
一 氮氧化物的生成
氮氧化物NOx主要由燃料型NOx和热力型NOx两部分组成。热力型NOx是指空气中的N2与O2在高温条件下反应生成NOx。实际上，当温度小于1500℃时, 热力型NOx生成量很少，但大于 1600℃时，热力型 NOx占NOx生成总量的25%～30%。随着炉内燃烧温度的提高，NOx排放量上升。增大负荷率，增加给煤量，燃烧室及尾部受热面处的烟温随之增高，从实际测得NOx体积分数增加和煤量折算成用氨量即可得知。
图1-1 炉温与氮氧化物的关系
燃料型NOx占比约75%~80%，是燃料内含氮在燃烧过程中成离子析出与含氧物质反应生成，生成量与燃料特性、成分、燃烧条件如温度和氧及各种成分的浓度等密切相关。当空气不分级时，降低过量空气系数，在一定程度上会起到限制反应区内氧浓度的目的，因而对热力型NOx和燃料型NOx的生成都有明显的控制作用，采取这种方法可使NOx生成量降低15%~25%。但是CO浓度随之增加，燃烧效率下降。当空气分级时，可有效降低NOx排放量，随着一次风量减少，二次风量增加，N被氧化的速度降低，NOx排放量也相应下降。
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图1-2 过量空气系数对NOx生成的影响
我厂采用的燃烧器是美国B&W公司研制的AireJetTM型超低NOx双调风旋流燃烧器，能有效实现燃料和空气分级燃烧，使炉膛下部的燃烧器区保持富燃料状态，能有效抑制NOx的生成。与B&W公司的双风区OFA喷口联合使用的方式，在补足完全燃烧所需氧量的情况下，进一步降低了NOx的生成量。正常磨组组合，满负荷运行时省煤器出口NOx排放浓度约在300mg/Nm3左右。
二 氨逃逸与SCR催化剂效率
氨逃逸会导致硫酸铵盐生成，硫酸铵盐会沉积在空气预热器的受热面上黏粘积灰从而造成堵塞、腐蚀问题。氨逃逸量的多少可反映出SCR系统运行性能的好坏及催化剂活性。氨气通过混合器与稀释风混合稀释后进入烟道内的涡流混合器与烟气进行充分、均匀的混合，然后进入SCR反应器，选择性地与NOx反应。当反应温度低于280℃，氨很少与NOx反应，而是与SO3和H2O反应生成(NH4)2SO4或NH4HSO4，它们附着在催化剂表面，引起污染积灰并堵塞催化剂的通道与微孔，降低了催化剂效率。我厂喷氨调节阀后设置跳闸阀，脱硝入口烟气温度低于295℃或高于425℃时切断供氨。近两年来深度调峰的频率越来越高，造成SCR入口烟温低（靠近跳闸值），也增加了NH3选择性与SO3和H2O直接反应的机率，低负荷SCR入口温度场的不均也会导致局部过喷。这些状况产生，为满足脱销效率，必然要增加喷氨量，导致氨逃逸率上升。
为防止反应器积灰引起效率下降，每层反应器入口布置有吹灰器，进出口设有差压报警，通过吹灰器的定期吹扫来清除催化剂上的积灰。此外SCR入口的省煤器下方设有冷灰斗，其正常运行也减少灰尘进入催化剂、空预器。
三 空预器腐蚀与粘灰
烟气中水蒸汽的露点一般在30～60℃,正常不会在空气预热器的低温受热面上结露。但与烟气中的SO3形成硫酸蒸汽后，由于酸露点较高，就会凝结在低温受热面上，引起腐蚀，为此我厂将空预器冷段采用搪瓷表面传热元件且加高。经过脱硝催化剂后，SO2向SO3的转化率增加，烟气酸露点温度随之升高。同时逃逸的NH3与烟气中的SO3和H2O形成NH4HSO4，在150～230℃时，NH4HSO4为粘性固体易粘灰尘造成空气预热器堵塞。提高冷端的温度，可以减少腐蚀、凝结、粘灰。我厂从空预器出口热二次管引一路风至送风机入口进一步提高送风机出口温度，从而提高空预器冷端平均温度，使送风机出口温度始终高于20℃。也进行过单侧升温试验，试图将粘在空预器上的硫酸氢氨挥发掉。
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图3-1空预器3B单侧升温试验图（负荷500MW）
将空预器3B烟气出口温度升高至178℃运行47小时，虽然预热器3B烟气侧差压下降了150Pa，但是很快（一天左右）就会恢复之前的差压及上升趋势，并没有起到预想的效果。
由于硫酸氢氨易溶于水，我厂对空气预热器吹灰器进行了改造，采用双介质：蒸汽（吹灰用）和20MPa的高压水（清洗用）。空预器冲洗过程中，由于冲洗水量较小（只有4t/h），空预器电流无晃动现象，风烟系统其它参数也无异常，电除尘器也正常投用，整个冲洗过程中未对机组的安全运行产生明显影响。冲洗后用过热蒸汽吹灰让受热面快速干燥，防止受热面潮湿加剧粘灰及腐蚀。
图3-2空预器3B在线水冲洗前后差压图（负荷500MW）
经过3.5小时的高压水冲洗，预热器3B烟气侧差压下降了100Pa，但是很快（一天左右）就会恢复之前的差压及上升趋势。可见要想减缓差压上升趋势降低氨逃逸率和提升冷端温度应该更为有效。通常氨的逃逸率小于1ppm以下时硫酸氢氨的生成量很少，但是随着其上升，差压上升速度非常明显。
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图3-3氨逃逸引起差压图
图中显示的是空预器3A四个月烟气侧差压变化情况，前二个月逃逸率几乎为零空预器3A差压升高了0.16kPa，后两个月逃逸率反复波动（尖波最高点2.5ppm）导致空预器3A差增加1.02kPa。所以控制氨的逃逸量，是保证空预器性能和正常、安全运行的关键，在环保不超标的情况下力求最大可能减少氨逃逸。
去年我厂对空预器3A进行3.5分仓改造，增加抽漏风机将一部分空预器出口的热一、二次风混合后抽送至空预器冷端二次风侧，以减少硫酸氢氨在冷端粘结。通过测取防堵灰吹出的热风粉尘PH值和尿素检测试验，PH值从4.9分别上升到了5.0，尿素含量在0-0.5mg/L之间。判定有粉尘携带的过量氨，以及由硫酸氢铵受热分解及重新化合后的尿素。可见防堵灰装置确实将吸附在蓄热元件上粉尘带出。由于PH值变化量微小说明氨逃逸量比较低，SCR运行状态良好。
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图3-4空预器3A3.5分仓改造前运行曲线（时长一个月）
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图3-5空预器3A3.5分仓改造后运行曲线（时长一个月）
图3-4、3-5显示的是空预器3A3.5分仓改造前、后空预器3A、3B烟气侧差压变化情况。空预器3A3.5分仓改造前，空预器3A、3B烟气侧差压差压是同步上升且空预器3A烟气侧差压始终高于3B，一个月内3A从1.48kPa上升至1.83kPa，3B从1.40kPa上升至1.76kPa（均是取600MW时的差压值）。空预器3A3.5分仓改造后，空预器3A、3B烟气侧差压对比可以看出A、B侧差压虽同步上升但空预器烟气侧差压3B始终高于3A，差压上升速率3B明显高于3A，一个月内3A从1.20kPa上升至1.43kPa，3B从1.56kPa上升至1.93kPa（均是取600MW时的差压）。最恶劣的一个月空预器烟气侧差压3A从1.40kPa上升至2.27kPa，3B从1.60kPa上升至3.32kPa。
通过空预器在线水冲洗、单侧升温试验前后对比可以看出差压均可下降100至150Pa，但是很快（一天左右）就会恢复之前的差压及上升趋势，这说明水冲洗、升温试验只是将有烟气流通的易于清洗的一小部分受热面堵塞物质进行挥发或冲刷，而堵死的受热面堵塞物质并未清理掉。且仅暂时破坏了原温度基础上通流部分受热面的粘接与挥发的平衡达到了一个暂时的粘接与挥发的平衡，当条件消失就会很快恢复，从空预器拆除的受热面堵塞图片也可以证实这一点。.png)
图3-6冷端边缘少量堵死时
图3-6显示刚开始空预器冷端边缘少量堵死现象，差压上升不明显，此时一般不会进行水洗、升温。
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图3-7冷端大量堵死时
图3-7显示空预器烟气侧差压明显增大时，这时再清洗堵塞部分无论水洗还是升温均很难将堵死部分给打通，这也是水洗、升温效果有限的原因。
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图3-8空预器热端分层堵死而非各层均匀堵塞
从空预器3A3.5分仓改造前、后运行情况来看，吹扫并加热空预器局部蓄热元件效果还是肯定的，防堵灰系统在机组启动负荷稳定后即投用，并适当调整抽漏风机风量，避免出现空预器堵塞情况已经比较严重时再投用，传热元件部分通道被堵，效果会大打折扣。但是就目前运行控制的氨逃逸水平（小于0.2ppm）运行半年是没问题的，待调停时离线清洗，不用担心会因此停机。
四 运行防控措施
1.合理调控加仓硫份，从源头上减少SO2向SO3的转化量及NH4HSO4生成量、降低烟气酸露点。
2.运行时选择最佳的磨组组合，不同的磨煤机投运组合方式，对锅炉NOx排放量影响也比较大，应根据燃烧情况及时调整燃烧器本体风门、燃烬风挡板开度及一、二次风偏置。降低过量空气系数，控制燃料与空气的前期混合，从而降低锅炉燃烧的峰值温度，减少燃烧高温区域范围。根据NOX的排放量和飞灰可燃物含量，及时调整煤粉细度和燃尽风门开度，既降低氮硫氧化物生成，又减少未燃尽煤粉在尾部淤积。
3.机组启停及低负荷运行用油时加强油压或雾化汽压调整，启停前联系检修清理汽孔、油孔，防止堵塞及雾化不佳，及时投入空预器连续吹灰。防止在点火以及长期低负荷运行的情况下，因燃烧不完全，从炉膛带来的凝结油雾和未燃尽的可燃物堆积在空预器传热元件上并粘结飞灰。
4.对运行人员进行定期培训，使运行人员系统掌握脱硝设备及其它附属设施正常运行的具体操作和应急情况的处理措施。建立脱硝系统运行状况、设施维护和生产活动等的记录制度。
5.保证催化剂反应区温度300～410℃，减缓催化剂老化速度，防止NH3选择与H2O和SO3副反应发生。特别是深度调峰时必须严格按照相应的防SCR入口低温预案执行。对氨压力、温度、喷氨调门开度和喷氨流量、SCR反应器出、入口烟气温度、吹灰压力、催化剂差压、NOx和氧气浓度、氨泄漏值等参数加强监视，对表计及参数变化趋势及时分析调整。在保证NOx不超标的情况下，控制氨逃逸率不超标（3ppm）。对故障的氨逃逸率表计及时填单联系处理。现场加强对声波吹灰器检查，发现异常及时联系检修处理。脱硝装置的运行优化调整宜在机组习惯运行负荷下且稳定运行的条件下进行序渐进方式调整，避免出现较大的波动。加强对SCR入口的省煤器下方的冷灰斗料位及设备运行情况检查，减少灰尘进入催化剂、空预器。
6.运行中应加强对空气预热器出、入口一次风、二次风及烟气差压的监视，特别是在冬季气温急剧下降时更应注意，发现异常时，应及时调整。机组启、停时提前投入连续吹灰。深度调峰、在线水冲洗时结束后连续吹灰5小时。机组正常运行时吹灰工作每班必须进行一次，并做好记录，发现缺陷及时联系有关部门进行处理。长期低负荷运行适当增加吹灰频率。吹灰前要将吹灰蒸汽疏水彻底排净，保持足够的过热度，避免湿蒸汽经吹灰器进入空气预热器从而加剧堵灰。吹灰枪运行时注意监视提升阀后温度、压力。吹灰时尽量保持高一点的负荷，以保证受热面一定的壁温。
7.提高空预器冷端平均温度高于酸露点防止腐蚀，减少NH4HSO4生成粘灰。合理控制送风机入口热风再循环，提高空预器冷端入口二次风温，控制送风机出口20℃以上，减少硫酸氢氨在空预器冷端沉积。同时控制风量适当，避免风量过高从送风机入口排向大气，甚至引起送风机失速。
8.防堵灰系统在机组启动负荷稳定后即投用，避免出现空预器堵塞情况已经比较严重时再投用，以防止积灰在蓄热元件上固化，形成难以去除的硬灰情况。当发现空预器风烟侧进出口压差明显增大时，可以适当增大抽漏风机风量。在运行过程中，注意观察风机主要监测参数，每隔2小时应将主要监测参数进行记录，如发现参数有异常变化，应立即查明原因并排除。加强就地检查，发现异常及时联系处理。
结语
保证空预器安全运行的手段很多，每一个手段使用要根据机组的实际情况适时使用，机组设备、参数差别大时效果也会有很大区别，所以要灵活选择运用。当然除了运行防控措施外，利用检修时检查喷氨格栅，对老化催化剂再生，并进行脱硝优化喷氨调整试验，确保喷氨均匀。机组停运后对空预器进行更高压力的水深度冲洗，时间充足拆下换热元件彻底清洗，效果更为明显。
参考文献：
[1]上海克莱德贝尔格曼机械有限公司.双介质 PS-AL吹灰器安装、运行与维修手册.
[2]北京巴布科克?威尔科克斯有限公司.燃烧系统说明书
[3]同方环境股份有限公司.脱硝设计说明书
作者简介：纪成东(1974一)，男，江苏扬州人，大学本科，工程师，主要从事发电厂生产运行工作。
论文作者:纪成东
论文发表刊物:《中国电业》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/24
标签：烟气论文; 预热器论文; 催化剂论文; 温度论文; 硫酸论文; 空气论文; 送风机论文; 《中国电业》2020年第1期论文;