摘要：目前燃煤电厂常用的烟气脱硝技术，火电厂加装SCR脱硝装置后易出现空气预热器空预器腐蚀和堵塞问题。结合该热电SCR脱硝技术的实际运行情况，分析了该SCR脱硝系统锅炉空气预热器堵塞的影响因素，并提出了空气预热器的处理措施。
关键词：烟气脱硝；空气预热器；堵塞
近几年来选择性催化还原法SCR脱硝技术发展较快，在国外得到了广泛的应用，目前氨催化还原法是应用得最多的技术。脱硝系统投运后，即出现了空气预热器严重堵塞，造成高负荷期间空气预热器进出口差压周期性大幅波动和引送风机频繁失速，机组无法接带满负荷，而且严重影响了锅炉燃烧的稳定性。
一、慨述
1、反应原理。选择性催化还原法SCR脱硝技术与选择性非催化还原法脱硝技术的化学反应原理相同，都是在烟气中加入还原剂最常用的是氨和尿素，在一定温度下，还原剂与烟气中的氮氧化物NOx反应，生成无害的氮气和水。在没有催化剂的情况下，化学反应只是在很窄的温度范围850-1100 ℃进行。SCR脱硝技术是在催化剂的作用和在氧气存在条件下，NH3优先和NOx发生还原脱除反应，生成氮气和水，而不和烟气中的氧进行氧化反应。与SCR脱硝技术相比脱硝技术消耗的氨更低。且SCR脱硝系统采用催化剂，提高了反应活化，使脱硝反应可在较低的温度下进行。
2、工艺流程。锅炉空气预热器的烟气温度保持在300 -450 ℃，此温度适用于SCR脱硝反应。故燃煤锅炉的脱硝流程可在锅炉省煤器出口至空气预热器之间增设SCR脱硝系统。其工艺流程如图所示。
二、空气预热器堵塞原因及危害
1、空气预热器的作用及分类。空气预热器是利用锅炉尾部烟道烟气余热来加热燃料燃烧所需空气的一种热交换器，其主要作用如下：降低排烟温度，提高锅炉效率；改善燃料的着火与燃烧条件，降低不完全燃烧损失；节约金属，降低造价，提高燃烧空气温度后，炉膛平均温度升高，强化了炉内辐射传热，在同样蒸发量的条件下，水冷壁可以布置得少一点；降低烟气温度，改善引风机工作条件；采用热风作干燥剂有利于制粉系统的正常工作。空气预热器分为传热式和蓄热式两类：传热式预热器中热量通过受热面由烟气传给空气，烟气和空气各有自己通路；蓄热式预热器中烟气和空气相互交替流经受热面，当烟气通过受热面时，热量由烟气传给受热面金属，并被金属蓄积起来，然后使空气通过受热面，金属就将蓄积的热量传递给空气，完成一个热交换过程。
2、空气预热器堵塞的原因。从SCR脱硝系统逃逸出的氨与烟气中的三氧化硫和水反应生成硫酸氢铵，在空气预热器中沉积引起其压力降增加，严重时会引起空气预热器堵塞。SCR脱硝工艺生产中的催化剂V、Mn、Fe 等在对主要反应起催化作用的同时，也会对SO2的氧化起催化作用，在用含硫燃煤的锅炉中会将烟气中的SO2氧化为SO3：
进入催化剂中的氨除了与NOx反应或者被氧化外，就是作为逃逸氨从SCR脱硝系统中排出。任何催化剂都只能尽量地减少氨的逃逸，却无法杜绝，即使脱硝装置设计时采取了减小氨逃逸率的措施，结垢现象还是会经常发生。究其原因，是SCR脱硝装置负荷瞬变期间，气流层化、氨或NOx的分布不当、系统控制故障、催化剂效果降低等，都会引起氨的逃逸率上升。SO3与氨接触在适当的温度条件230 ℃以下即结合成硫酸氢铵。烟气温度在230 ℃以下，SCR运行中未耗尽的氨和烟气中SO3会发生反应，生成硫酸氢铵和硫酸铵。前者具有黏性，会吸附烟气中的灰尘引起堵塞，使得空气预热器的换热效率降低乃至无法正常运行；后者则是一种干态粉末，不会产生灰堵的危害，但硫酸铵易分解为硫酸氢铵。形成硫酸氢铵和硫酸铵的化学反应如下：
3、硫酸氢铵堵塞的危害。空气预热器发生硫酸氢铵堵塞的危害表现如下：SO3易与NH3结合产生硫酸氢铵，它会沉积在空气预热器的中温段及冷段。由于硫酸氢铵在此温度区间内为液态向固态转变阶段，具有极强的吸附性，造成大量灰分沉降在金属表面和卡在层间，引起堵塞。据脱硝装置的运行经验，在残留氨量为3-5 cm3 /m3时，3-6 个月就能使空气预热器阻力上升一倍，迫使停炉停机，清理堵灰。由于部分SO2转化为SO3，使得烟气中的硫酸露点有所提高，加剧了空气预热器的低温腐蚀。除此之外，硫酸氢铵本身具有腐蚀性，会对空气预热器中的低碳钢及低合金钢部分产生腐蚀作用。
三、空气预热器堵塞的设计
为减少空气预热器补堵塞，采取了以下措施尽量减少SCR脱硝系统中SO3的生成SO3的生成，主要是SCR在脱硝过程中烟气通过催化剂后的SO2氧化造成，所以此项目在设计中选用了SO2 /SO3转化率低的催化剂为载体。采用SO2 /SO3转化率低于1% 的催化剂作为脱硝的催化剂，从而有效降低SO3在通过SCR脱硝系统后的生成量。减少SCR脱硝系统氨的逃逸量一般而言，氨逃逸量在小于3 cm3 /m3 的情况下，辅之以高压吹灰设备的使用，空气预热器仍可维持正常运作且压损不致增加太多。但是当氨逃逸量达到5 cm3 /m3以上时，此时空气预热器的污染情况恶化，虽经吹灰后，压损仍会继续增加。因此SCＲ脱硝系统应有较大的裕度以确保能将氨逃逸量控制在3 cm3 /m3以内见图。
SCR脱硝系统优化设计实例，在该热电脱硝改造中，严格执行氨逃逸控制在小于3 cm3 /m3 的范围，尽量减少氨逃逸对后续空气预热器的影响。在该项目设计中采用以下方法，实现氨逃逸的控制：通过DCS 的有效反馈，及时调整由于系统的负荷等影响氨气供给的用量，优化氨气的控制系统，做到氨气供给不浪费，也减少SCR脱硝系统运行的成本；优化喷氨隔栅系统，设计过程，使氨气在系统中充分与烟气混合，达到均匀混合的目的，为此我方在本项目实施过程中，采用CFD 模拟技术，在项目初期就对其做了必要的优化。以下是通过CFD 模拟后采取的设计优化：在烟道和SCR脱硝反应器中增设必要的导流板。该项目此次CFD 流场优化研究的目的在于更好地设计、测试以及优化配置导流板，从而使烟气能平稳地通过烟道及SCR脱硝系统，同时实现烟气速度和氨浓度在第一层催化剂前的均匀分布。
四、空气预热器的处理措施
1、采用加强型的吹灰器，以增加清理效果。研究证明即使是在经过最优化设计和控制的系统中，在空气预热器的冷端加装高效的清灰器也是清除硫酸氢铵堵塞的最有效办法。热端吹灰对于冷端吹灰可起到一定的加强作用，但仅有热端吹灰并不能完全清除积灰。不管采用蒸汽还是压缩空气作为吹灰介质，介质良好的品质才是防止湿度过大的关键。清除空气预热器硫酸氢铵堵塞，吹扫采用过多的次数和过高的压力都会影响蓄热元件的使用寿命，都是不适宜的。清除积灰的关键是选择合适的换热元件表面和材料，而不是靠加强吹灰操作。巴陵项目采用蒸汽吹灰，吹灰器入口端蒸汽压力不低于1．2 MPa，按照8 小时/次来执行，起到了良好的吹扫效果。
2、优化SCR脱硝系统段的烟道设计。在设计SCR脱硝系统初期考虑到项目含尘量大（达到40g /m3），故在设计中充分考虑不在烟道水平段积灰，以及积灰部分尽量由本系统处理的思路来设计。基于设计的烟道特点主要体现在：烟道的流速控制在15 m/s；②在SCR反应器出口烟道，空气预热器入口烟道水平段设置灰斗除灰。
在火电厂加装SCR脱硝系统，不可避免地会带来一些负面的影响，如造成空气预热器频繁堵灰，使锅炉的经济性下降，安全性降低。在设计上充分考虑了以上对空气预热器运行的影响因素，设计过程中采用通过减少SO3浓度选用低SO2氧化率的催化剂、减少氨逃逸率、优化烟道等措施，从而避免了空气预热器堵灰的加剧。
参考文献：
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［3］高革臣． 锅炉空气预热器堵塞原因分析及解决方案［J］．科技创新导板，2014（18）：92．
论文作者:乔龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
标签：预热器论文; 空气论文; 烟气论文; 系统论文; 催化剂论文; 硫酸论文; 锅炉论文; 《电力设备》2019年第4期论文;