王映磊，何 韜

(國家能源集團重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶 400805)

空氣預(yù)熱器(以下簡稱“空預(yù)器”)作為鍋爐五大受熱面之一，是火力發(fā)電廠的主要輔助設(shè)備，其功能是利用鍋爐尾部煙道的煙氣余熱來加熱鍋爐燃燒所需的空氣[1]?？諝忸A(yù)熱器的運行阻力、漏風(fēng)率以及排煙溫度是其運行過程中最重要的性能參數(shù)。目前為了防止空預(yù)器堵塞，降低空預(yù)器運行阻力，電廠一般會加裝蒸汽吹灰和高壓水在線沖洗裝置。但與此同時，會造成冷段換熱元件加速破損、散包、坍塌的后果，嚴重時空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子會卡澀停運。另外，換熱元件的堵塞、沾污，導(dǎo)致空預(yù)器蓄熱能力下降，排煙溫度升高；同時堵塞促使送、引風(fēng)機出力提高，導(dǎo)致了空氣和煙側(cè)差壓提高，漏風(fēng)率上升。

國家能源集團重慶恒泰發(fā)電有限公司(以下簡稱“恒泰電廠”)現(xiàn)擁有2臺300 MW火電機組，是國家“十五”期間的重點工程之一，其中 1#機組于2006年12月26日投產(chǎn)發(fā)電，2#機組于2007年5月21日投產(chǎn)發(fā)電。恒泰電廠所配回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器均為東鍋設(shè)計制造，三分倉結(jié)構(gòu)。由于鍋爐燃煤含硫量高，加上脫硝投入產(chǎn)生硫酸氫氨，使得1#和2#爐空氣預(yù)熱器發(fā)生低溫腐蝕及堵灰嚴重。為了解決1#和2#爐空預(yù)器所存在的低溫腐蝕及堵灰現(xiàn)象，恒泰電廠于2018年9月進行了2#鍋爐空氣預(yù)熱器防堵灰改造，于2019年10月進行了1#鍋爐空氣預(yù)熱器防堵灰改造。

在此闡述了空氣預(yù)熱器堵灰的形成機理，分析了不同原因所致堵灰的解決方法，介紹了解決空預(yù)器堵灰及低溫腐蝕問題的空預(yù)器分量分切防堵灰技術(shù)。借助數(shù)值模擬方法，分析了該技術(shù)運用前后空預(yù)器內(nèi)的溫度分布情況，同時結(jié)合恒泰電廠2臺鍋爐空預(yù)器進行防堵灰技術(shù)改造前后實際運行數(shù)據(jù)，驗證了技術(shù)的可行性和有效性。

1 空氣預(yù)熱器堵灰的機理及預(yù)防治理方法

1.1 空氣預(yù)熱器堵灰機理

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的傳熱元件布置比較緊密，氣流通道狹窄又彎曲，因而容易積灰甚至堵灰?？疹A(yù)器堵灰是一個相對復(fù)雜的過程，自SCR脫硝系統(tǒng)加裝之后，空預(yù)器內(nèi)堵灰過程大致是：首先，燃料在爐膛燃燒后流經(jīng)省煤器和SCR脫硝系統(tǒng)，在未經(jīng)任何除塵設(shè)備的情況下，煙氣中含有大量的灰塵，在流經(jīng)狹窄而彎曲的蓄熱元件通道時，不可避免會有少量灰塵沉積在干凈的蓄熱元件表面；其次，煙氣中的黏性物質(zhì)(水、酸性物質(zhì)、硫酸氫銨等)將作為粘結(jié)劑，阻止干灰從蓄熱元件表面脫離，促進灰分的積累直至形成堵灰。因此，含大量灰的煙氣、狹窄的通道和適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑構(gòu)成了空預(yù)器堵灰的因素，并且只要有粘結(jié)劑存在，無論何煤種，都有可能嚴重堵灰，粘結(jié)劑是造成空氣預(yù)熱器堵灰的關(guān)鍵因素。依據(jù)目前火電廠空預(yù)器運行狀況進行分析，發(fā)現(xiàn)造成空預(yù)器堵灰的粘結(jié)劑主要來自硫酸液滴和硫酸氫銨。

煙氣中含有水蒸氣和硫酸蒸氣，水蒸氣與SO3結(jié)合生成硫酸蒸氣是放熱反應(yīng)。在煙氣溫度高于200～250 ℃時，反應(yīng)很慢；當(dāng)煙溫低于110 ℃后，基本上全部反應(yīng)生成硫酸蒸氣。煙氣在流過低于露點(129～149 ℃)的蓄熱元件表面時，硫酸蒸氣將在蓄熱元件表面凝結(jié)成硫酸液滴[3]。硫酸溶液溶解蓄熱元件表面的氧化膜，對蓄熱元件產(chǎn)生低溫腐蝕。同時，硫酸液滴還作為粘結(jié)劑吸附煙氣中的飛灰從而造成空預(yù)器堵塞；另一方面還與金屬和飛灰反應(yīng)生成酸性粘結(jié)灰加劇空預(yù)器的堵塞。

在煙氣進入空預(yù)器之前，由于煤燃燒所產(chǎn)生的部分SO2將轉(zhuǎn)化為SO3，同時為了保證SCR脫銷效率，脫硝過程中將不可避免產(chǎn)生一定的氨逃逸量，SO3將與NH3進一步發(fā)生反應(yīng)生成硫酸銨((NH4)2SO4)和硫酸氫銨(NH4HSO4)[4]：

在空預(yù)器運行溫度范圍內(nèi)，硫酸銨通常呈固體顆粒狀，將隨著煙氣流過空預(yù)器被后面的除塵設(shè)備所捕集，不會在空預(yù)器運行過程中造成腐蝕、堵灰等危害，從而不會影響空預(yù)器的安全穩(wěn)定運行。

而硫酸氫銨在空預(yù)器運行溫度范圍內(nèi)將分別呈現(xiàn)氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。硫酸氫銨在146～207 ℃為黏稠的液態(tài)物質(zhì)，具有高粘結(jié)性，高過207 ℃繼續(xù)升溫轉(zhuǎn)為氣態(tài)，低于146 ℃繼續(xù)降溫轉(zhuǎn)為固態(tài)?？疹A(yù)器在運行過程中，煙氣中所含的氣態(tài)硫酸氫銨將以氣體形式隨煙氣排除，固態(tài)硫酸氫銨以顆粒物形式隨煙氣排除。而液態(tài)硫酸氫銨則很容易附著在空預(yù)器蓄熱元件表面并不停吸附煙氣中的飛灰，從而造成空預(yù)器堵塞，堵塞換熱元件通道，減小空預(yù)器內(nèi)流通截面積，導(dǎo)致空預(yù)器運行阻力的增加。

1.2 解決空預(yù)器堵灰的思路

近年來，用于空預(yù)器防堵灰治理的技術(shù)層出不窮，包括蒸汽吹灰、水沖洗、熱風(fēng)再循環(huán)、雙介質(zhì)吹灰等。這些技術(shù)可以歸結(jié)為兩個方面：一是通過熱氣反吹來改變空預(yù)器內(nèi)蓄熱元件的溫度分布，不同技術(shù)的區(qū)別在于熱風(fēng)的來源及加熱位置等；二是通過物理吹掃，主要區(qū)別在于吹掃介質(zhì)(水、灰或者氣等)不同。依據(jù)空預(yù)器的堵塞原理，要解決空預(yù)器堵塞問題，必須先解決硫酸蒸氣和硫酸氫銨這兩大粘結(jié)劑。

對于由硫酸液滴引起的空預(yù)器堵塞和低溫腐蝕問題，依據(jù)硫酸液滴生成機理，一方面可以提高煙氣溫度，避免低于110 ℃，從而減緩硫酸蒸氣的生成；另一方面對于已經(jīng)生成的硫酸蒸氣則可以通過提高蓄熱元件溫度使其達到酸露點(129～149 ℃)之上，避免硫酸液滴在蓄熱元件表面凝結(jié)，以硫酸蒸氣的形式隨煙氣排出從而避免空預(yù)器低溫腐蝕和堵塞。由于硫酸液滴是在煙氣側(cè)產(chǎn)生并凝結(jié)的，為了防止轉(zhuǎn)子進入空氣側(cè)之后進一步腐蝕蓄熱元件，則需要在轉(zhuǎn)子進入空氣側(cè)之前對蓄熱元件進行升溫，使其最低點溫度達到酸露點(129～149 ℃)之上。

與硫酸蒸氣相同，硫酸氫銨也是在煙氣側(cè)生成并凝結(jié)的，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)入空氣側(cè)之前，煙氣中所含的氣態(tài)硫酸氫銨將以氣體形式隨煙氣排除，固態(tài)硫酸氫銨以顆粒物形式隨煙氣排除。而以液態(tài)形式存在的硫酸氫銨將在蓄熱元件表面沉積，要么以粘稠狀態(tài)一直黏附在蓄熱元件表面，要么在轉(zhuǎn)子進入空氣側(cè)之后由液態(tài)變?yōu)閳杂驳墓虘B(tài)堵塞空預(yù)器通道。對于黏稠的液態(tài)硫酸氫銨及其吸附的飛灰，可以用高溫?zé)煔庾鳛榻橘|(zhì)對其進行物理吹掃，而沉積后板結(jié)的硫酸氫銨則難以去除。因此解決硫酸氫銨引起的空預(yù)器堵塞物體，其關(guān)鍵是防止轉(zhuǎn)子進入空氣側(cè)之前附著在蓄熱元件表面的硫酸氫銨的板結(jié)。

2 空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)

依據(jù)以上對空預(yù)器堵灰原理及解決思路的分析，運用空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)結(jié)合熱氣反吹和物理吹掃兩大技術(shù)，合理設(shè)置循環(huán)風(fēng)倉位置，對空預(yù)器堵塞問題起到防治結(jié)合的作用。

2.1 技術(shù)介紹

空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)的基本原理是，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)入空氣側(cè)之前增設(shè)循環(huán)風(fēng)分倉，通過循環(huán)風(fēng)道將循環(huán)風(fēng)倉上下兩端連接起來使之形成一個獨立的通道。從空預(yù)器熱端抽取煙氣作為熱風(fēng)使其從空預(yù)器冷端循環(huán)風(fēng)分倉流入，對空預(yù)器冷端蓄熱元件進行加熱，防治硫酸液滴的凝結(jié)和硫酸氫銨的板結(jié)。此外，在循環(huán)風(fēng)機作用下，循環(huán)風(fēng)道內(nèi)高速流動的高溫?zé)煔鈱晕锢泶祾叩臋C制帶走已經(jīng)附著在蓄熱元件表面的硫酸氫銨及其吸附的飛灰，在蓄熱元件轉(zhuǎn)入空氣側(cè)之前徹底清理掉已沉積的硫酸蒸氣的硫酸氫銨，同時解決了低溫腐蝕和空預(yù)器堵灰兩大問題。

圖1為風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)的改造示意圖，采用該技術(shù)對空預(yù)器進行防堵灰改造的過程中，設(shè)備改造主要包括循環(huán)風(fēng)分倉的增設(shè)、循環(huán)風(fēng)道及循環(huán)風(fēng)機的增設(shè)，整個系統(tǒng)的循環(huán)動力由循環(huán)風(fēng)機提供。具體改造過程：通過改變空預(yù)器原有扇形板的角度以及煙氣側(cè)(或二次風(fēng)側(cè))的通流面積，在不增加空預(yù)器漏風(fēng)率的情況下增設(shè)一個循環(huán)風(fēng)分倉；并通過循環(huán)風(fēng)管道將循環(huán)風(fēng)分倉上下兩端連接起來，并加裝循環(huán)風(fēng)機作為循環(huán)動力。

2.2 溫度場分析

運用Ansys Fluent軟件模擬空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)運用前后空預(yù)器內(nèi)的溫度分布情況，對空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)的可行性進行評價。

(a)循環(huán)風(fēng)分倉增設(shè)示意圖

(b)整體改造示意圖圖1 風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造示意圖

2.2.1 數(shù)值模型的建立

為了簡化模型，考慮到回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器一般是由48個倉格組成，選取回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的一個倉格(7.5度)進行數(shù)值模擬計算，并運用ICEM CFD軟件進行了合理的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分(如圖2所示)。模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，煙氣及空氣物性參數(shù)采用分段線性分布，并運用多孔介質(zhì)非熱平衡模型模擬空預(yù)器內(nèi)的蓄熱元件，氣體入口邊界條件為質(zhì)量入口，出口邊界為壓力出口[5]。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

計算過程中采用非穩(wěn)態(tài)計算模型，讓不同流量和溫度的煙氣和空氣分別從不同方向在不同時間流過空預(yù)器隔倉，以此來模擬空預(yù)器的實際運行狀態(tài)。此外，為了評估空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)的可行性，分別模擬了該技術(shù)運用前后空預(yù)器內(nèi)蓄熱元件的溫度分布情況。其中數(shù)值模擬的兩種工況如表1所示。

表1 數(shù)值模擬計算工況

2.2.2 數(shù)值結(jié)果分析

在數(shù)值結(jié)果分析過程中，以空預(yù)器冷端為0 m基準(zhǔn)面，空預(yù)器總高度為2.2 m，每隔一定高度提取空預(yù)器內(nèi)蓄熱元件的溫度。圖3所示為風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)應(yīng)用前(case0)空預(yù)器內(nèi)，不同高度截面上溫度隨分倉角度(以煙氣入口為0°)的分布情況。從圖中可以看出，空預(yù)器的整個運行溫度處于空氣入口溫度(45 ℃)與煙氣入口溫度(350 ℃)范圍內(nèi)，煙氣側(cè)隨著分倉角度的增大，空預(yù)器內(nèi)溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢，在空氣側(cè)(一次風(fēng)和二次風(fēng))隨著分倉角度的增大空預(yù)器內(nèi)溫度呈整體下降趨勢，空預(yù)器內(nèi)溫度在進入煙氣側(cè)(0°或360°)和轉(zhuǎn)出煙氣側(cè)(180°)時分別達到最小值和最大值?？疹A(yù)器內(nèi)距冷端0～0.5m高度內(nèi)的蓄熱元件處于煙氣露點(147 ℃)以下，將產(chǎn)生低溫腐蝕；空預(yù)器內(nèi)距冷端0.4～0.9 m高度內(nèi)的蓄熱元件處于硫酸氫銨液態(tài)區(qū)，轉(zhuǎn)子進入空氣側(cè)之后將發(fā)生硫酸氫銨板結(jié)，造成嚴重堵灰。

圖3 CASE1情況下空預(yù)器內(nèi)溫度分布

圖4所示為運用空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)前后，空預(yù)器內(nèi)蓄熱元件轉(zhuǎn)至空氣側(cè)之前溫度隨高度的分布情況。從圖中可以看出，循環(huán)風(fēng)道的增設(shè)使空預(yù)器冷端溫度得到了明顯的提高(特別是0.8 m以下的部分)，使得蓄熱元件進入空氣側(cè)之前的最低溫度由76 ℃升高至168 ℃，最低溫度(168 ℃)在硫酸氫銨凝固點(147 ℃)之上，有效地防止了硫酸氫銨的板結(jié)。

圖4 蓄熱元件轉(zhuǎn)至空氣側(cè)之前溫度隨高度分布圖

以上通過數(shù)值模擬方法，分析了空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)應(yīng)用前后空預(yù)器內(nèi)蓄熱元件的溫度分布情況。數(shù)值結(jié)果表明，在空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)應(yīng)用之前，即將進入空氣側(cè)的0.5 m以下蓄熱元件的冷端溫度均在酸結(jié)露點和硫酸氫銨板結(jié)點之下，如果不加以修正，在轉(zhuǎn)子進入空氣側(cè)之后將造成低溫腐蝕和硫酸氫銨板結(jié)；在空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)應(yīng)用之后，即將進入空氣側(cè)的0.8 m以下蓄熱元件的溫度均得到了明顯提高，蓄熱元件進入空氣側(cè)之前的最低溫度達到168 ℃，避免了硫酸液滴的凝結(jié)和硫酸氫銨的板結(jié)，為通過物理吹掃清除硫酸氫銨提供了必要條件。

2.3 實際改造效果

恒泰電廠2#爐空氣預(yù)熱器進行風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造前后的實際運行數(shù)據(jù)如表2所示，其中選取改造前后3個不同時間段的一、二次風(fēng)進出口溫度和壓差，以及煙氣進出口溫度和壓差進行了對比分析。對比空氣及煙氣進出口溫度可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰改造，空預(yù)器一、二次風(fēng)出口溫度及煙氣出口溫度均沒有受到影響，與防堵灰改造前的數(shù)據(jù)基本保持一致。通過對比改造前后一、二次風(fēng)及煙氣側(cè)壓差則可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過防堵灰改造，空預(yù)器內(nèi)的運行壓差得到了明顯的改善，一次風(fēng)側(cè)壓差由改造前的3 000 Pa以上降至改造后的1 400 Pa以下；二次風(fēng)側(cè)壓差由改造前的800 Pa以上降至改造后的600 Pa以下；煙氣側(cè)壓差由改造前的1 450 Pa以上降至改造后的1 200 Pa以下。

表2 空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造前后運行數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)進一步表明，經(jīng)過空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰改造，空預(yù)器內(nèi)的溫度場得到很好的改善，防止了硫酸氫銨板結(jié)，有效改善了空預(yù)器內(nèi)的堵塞問題，也進一步證明了空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)的可行性及有效性。

3 總結(jié)

本文分析了造成空氣預(yù)熱器低溫腐蝕和堵灰的原因，并針對不同原因分析其解決思路。提出應(yīng)用空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)解決空預(yù)器低溫腐蝕和堵塞問題，并簡要敘述了該技術(shù)的改造方案。最后借助Fluent數(shù)值模擬軟件，模擬了空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)應(yīng)用前后空預(yù)器內(nèi)蓄熱元件進入空氣側(cè)之前的溫度分布情況，表明該技術(shù)的應(yīng)用將蓄熱元件最低溫度由76 ℃升高至168 ℃，能夠有效避免硫酸液滴的凝結(jié)和硫酸氫銨的板結(jié)，為通過物理吹掃清除硫酸氫銨提供必要條件。此外，通過恒泰電廠鍋爐空預(yù)器改造前后實際運行數(shù)據(jù)對比，表明防堵灰改造在不引起空氣和煙氣溫度變化的前提下能很好地降低空預(yù)器運行壓差，進一步證明了空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)的可行性和有效性。