蔣良雄 張萬堯

（1.中石化揚子石化熱電廠；2.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司）

由于我國煤炭資源品質(zhì)良莠不齊，大部分火力發(fā)電廠會使用劣質(zhì)煤種或是配煤種替代鍋爐最初的設(shè)計煤種，或者按照環(huán)保要求進行脫硫脫硝改造，這樣就會帶來腐蝕、積灰及管束磨損等一系列問題。

武漢鍋爐廠煤粉鍋爐在下級省煤器上、下兩組省煤器之間的連接管處以及下側(cè)一組省煤器的左右彎頭箱內(nèi)發(fā)現(xiàn)彎管發(fā)生嚴重腐蝕，導(dǎo)致壁厚減薄［1］。 中鹽安徽紅四方股份有限公司熱電裝置的末級空氣預(yù)熱器發(fā)生腐蝕和嚴重堵塞，導(dǎo)致管束壁厚嚴重減薄［2］。 因硫酸氫銨液化導(dǎo)致飛灰粘結(jié)積灰堵塞空預(yù)器的案例有很多，如哈爾濱鍋爐 廠 機 組 空 預(yù) 器［3］、東 方 鍋 爐 廠 空 預(yù) 器［4，5］、杭 州鍋爐廠燃煤鍋爐空預(yù)器［6］、浙能樂清電廠超臨界鍋爐空預(yù)器［7］都曾出現(xiàn)過這一現(xiàn)象，嚴重影響了空氣預(yù)熱器的換熱效果，降低了鍋爐效率。

從國內(nèi)部分失效案例的調(diào)研情況可以看出，國內(nèi)鍋爐失效故障主要有： 換熱管磨損穿孔泄漏； 硫酸氫銨增強了飛灰顆粒之間的粘結(jié)力，加劇了積灰的堵塞；管束上硫酸氫銨的凝結(jié)會造成腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，致使管束嚴重減薄甚至穿孔。

筆者主要對某熱電廠低溫預(yù)熱器飛灰沉積堵塞和爐管穿孔現(xiàn)象開展失效行為分析，并提出相應(yīng)的對策。

1 熱電廠鍋爐的改造情況

隨著環(huán)保排放標準逐步提高，某熱電廠鍋爐先后進行了兩次脫硝改造工作。

第一輪脫硝改造按照《火電廠大氣污染物排放標準》進行設(shè)計，通過改造使鍋爐出口NOx排放濃度小于100 mg/m3（干基、標態(tài)、6%O2，以下NOx濃度均為此狀態(tài)）。 2018 年完成的第二輪脫硝超潔凈排放改造是按照國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》要求進行的，通過改造使鍋爐出口NOx排放濃度小于50 mg/m3。

第二輪超潔凈排放改造對尾部煙道結(jié)構(gòu)進行了改動，去除原SCR 催化劑層煙道，并在此位置增設(shè)煙氣引出煙道、脫硝反應(yīng)器及煙氣引入煙道等設(shè)施。 鍋爐采用低氮燃燒（LNB+OFA）+選擇性非催化還原 （SNCR）+煙道內(nèi)布置選擇性催化還原（SCR）組合脫硝技術(shù)方案。

經(jīng)過兩輪脫硝改造后， 煙氣達到了排放指標，但是卻不斷出現(xiàn)低溫省煤器和低溫預(yù)熱器飛灰沉積堵塞、爐管穿孔等失效行為，增加了運行能耗，降低了換熱效率，縮短了設(shè)備的運行周期。

2 低溫省煤器飛灰沉積堵塞分析

2.1 飛灰沉積現(xiàn)象描述

某熱電廠低溫省煤器的飛灰沉積位置如圖1所示，飛灰沉積主要發(fā)生在支撐梁上方支撐板的兩側(cè)位置（圖1 中圈出的位置）。 低溫省煤器管束的飛灰沉積照片如圖2 所示。

圖1 低溫省煤器管束的飛灰沉積位置

圖2 低溫省煤器管束的飛灰沉積圖

從圖2 可以看出：管束支撐板兩側(cè)積灰現(xiàn)象明顯，而且隨著高度的增加積灰寬度變窄，管束下方積灰面積大于管束上方，可以初步判定積灰從管束下方逐漸累積向上，積灰部位起始于支撐板下方的支撐梁上表面；積灰硬度較大，不是干粉顆粒的表面堆積，明顯是粘附團聚堆積，說明可能與硫酸氫銨團聚有關(guān)。

2.2 飛灰沉積物樣品分析

對低溫省煤器管束上沉積的飛灰進行采樣，采用元素分析儀對沉積物樣品進行元素分析。 通過掃描電子顯微鏡（SEM）獲取沉積樣品的形貌，并配備能譜儀（EDS），可以獲取樣品表面的元素組成。 沉積物樣品用一層薄金濺射涂層制備SEM，其放大范圍為5～30 萬倍，分辨率可達到納米級。

飛灰沉積物的掃描電鏡結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 可以看出，飛灰沉積顆粒個體以球形或近似球形出現(xiàn)，同時顯示出顆粒團簇的現(xiàn)象。 小顆粒間存在團聚現(xiàn)象，原始形狀清晰可見；在大粒徑顆粒表面的較大亞微米顆粒也發(fā)生了形態(tài)變化，大多呈扁平狀貼附在大顆粒表面，并且相對較大粒徑的顆粒之間發(fā)生了相互粘結(jié)的現(xiàn)象。 顆粒與顆粒之間連接緊密， 較多的顆粒不再呈單體形態(tài)，飛灰沉積物有了很大的形貌變化。 同時還可以看出，飛灰顆粒多是突起連接在一起，這是明顯的物理粘結(jié)現(xiàn)象。

圖3 飛灰沉積物的電鏡掃描圖

利用馬爾文粒度儀對飛灰沉積物進行粒徑測試，飛灰顆粒的粒徑分布范圍為0～630 μm，其平均粒徑為84 μm。 飛灰顆粒在沉積物中的尺寸分布如圖4 所示，從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)翅片間沉積物中的飛灰顆粒尺寸較大，而粒徑小于10 μm 的僅占9.68%， 說明在支撐板附近的堵塞飛灰以粒徑較大的飛灰顆粒為主，小粒徑的飛灰顆粒不易在此處發(fā)生沉積。

圖4 飛灰顆粒在沉積物中的尺寸分布

飛灰沉積物的EDS 表面元素能圖譜和元素含量分別如圖5、表1 所示。 由EDS 測試結(jié)果可知， 飛灰沉積物顆?；径己蠧、O、Si、Na、Al、Fe、Ca、Mg 等元素，其中Si、O、Al 等元素含量相對較高，部分測試區(qū)域含有C 元素，說明飛灰中存在未燃盡碳。 另外，在飛灰沉積物樣品檢測中發(fā)現(xiàn)樣品S 元素含量占比0.87%， 尤其在小粒徑飛灰顆粒團聚的區(qū)域。 根據(jù)顏魯?shù)葘α蛩釟滗@粘附研究的實驗數(shù)據(jù)［8］，對原煤灰進行取樣檢測，在原始飛灰顆粒中基本不含S 元素，S 元素主要在煙氣中。 這說明S 元素發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移到了飛灰沉積物中，預(yù)判為產(chǎn)生了硫酸氫銨并對飛灰顆粒產(chǎn)生粘附效果。

圖5 飛灰沉積物EDS 能譜圖

表1 飛灰沉積物EDS 表面元素含量匯總表

2.3 脫硝工藝分析

從飛灰沉積物的樣品檢測中發(fā)現(xiàn)了S 元素，預(yù)測硫酸氫銨對飛灰顆粒產(chǎn)生粘附和團聚作用。下面從脫硝工藝出發(fā)進一步分析硫酸氫銨的產(chǎn)生機理。

熱電廠鍋爐燃煤產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過高溫省煤器、高溫預(yù)熱器、脫硝裝置、低溫省煤器、低溫預(yù)熱器，最終從煙囪排出。 煙氣的流程是一個熱量回收工藝，同時需要保證排放氣體的氮氧化物含量達標。 采用低氮燃燒（LNB+OFA）+選擇性非催化還原 （SNCR）+煙道內(nèi)布置選擇性催化還原（SCR）組合脫硝技術(shù)方案。 即先通過LNB技術(shù)從源頭上減少NOx的排放，將NOx排放濃度降至350～400 mg/m3以下； 然后在鍋爐爐膛燃燒區(qū)域上部和爐膛出口850～1 100 ℃煙氣溫度區(qū)域向煙氣中噴射過量的氨氣， 從而實現(xiàn)SNCR 反應(yīng)，將NOx排放濃度降至240 mg/m3以下；過量的氨氣和從高溫省煤器上部補氨噴槍噴入的氨氣在下游SCR 催化劑的作用下，進一步實施脫硝反應(yīng)， 經(jīng)過上述工藝技術(shù)組合實現(xiàn)較高的脫硝效率。

由于在鍋爐煙氣中存在SO2等氣體，催化劑中的活性組分釩在催化降解NOx的過程中，也會對SO2的氧化起到一定的催化作用，SO2轉(zhuǎn)化為SO3。 脫硝采用過剩注氨法，過剩的氨與SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨（ABS）和硫酸銨（AS）。 硫酸氨是一種干燥粉末狀物質(zhì)，易通過吹灰去除，不會對煙氣飛灰造成過大影響。 硫酸氫銨則是一種粘度極高的物質(zhì)，熔點為147 ℃，沸點為350 ℃，在此溫度區(qū)間內(nèi)，為硫酸氫銨的熔融狀態(tài)，處于液態(tài)的硫酸氫銨具有極強的粘性。 當(dāng)溫度降至185 ℃以下時，煙氣中的氣態(tài)硫酸氫銨會冷凝粘附在飛灰顆粒表面，增加了飛灰顆粒之間的黏性，加劇了飛灰顆粒的沉積，造成低溫省煤器管間阻塞或低溫預(yù)熱器管內(nèi)堵塞，同時腐蝕換熱管及其所接觸的設(shè)備構(gòu)件。

結(jié)合飛灰顆粒的化驗分析結(jié)果和脫硝工藝方案分析結(jié)果，可確定本鍋爐煙氣中存在硫酸氫銨， 工藝上的過量噴氨是產(chǎn)生硫酸氫銨的源頭，是造成飛灰沉積堵塞的主因。

2.4 流場分析

從圖2 可以看出，飛灰沉積是沿著低溫省煤器支撐梁上方的支撐板從下向上逐漸減少的，說明飛灰沉積的初始位置在支撐板的底部，也就是支撐梁的上表面。 由于低溫省煤器的爐管上等間距地布置著H 型翅片，翅片不僅起到增大換熱面積的作用，同時還對煙氣氣流有整流作用，可以使煙氣和飛灰顆粒較均勻地分布流動。 支撐板兩側(cè)的煙氣和飛灰顆粒向下運動到底部支撐梁上表面處會發(fā)生偏轉(zhuǎn)流動，在支撐梁上表面與垂直的支撐板形成一個低速渦流區(qū)。

由于飛灰沉積物中顆粒90%以上都為10 μm 以上的大顆粒，在重力的作用下，慣性沉積占據(jù)了主導(dǎo)地位［9］。 粒徑小于10 μm 的飛灰顆粒隨動性很強，受湍流擴散影響較大，不易在此處發(fā)生沉積。

對于沒有硫酸氫銨的飛灰顆粒在此處會產(chǎn)生松散積灰，當(dāng)填滿這個低速渦流區(qū)后就很難有飛灰顆粒沉積下來，也就不會繼續(xù)向上發(fā)生沉積增長； 對于脫硝產(chǎn)生硫酸氫銨工況下的飛灰顆粒，在這個低速渦流區(qū)會產(chǎn)生粘結(jié)積灰，由于硫酸氫銨的粘附性很強，粘結(jié)積灰的區(qū)域會不斷上升。 當(dāng)飛灰積灰到H 型翅片底部以后，由于H 型翅片限制了煙氣和飛灰顆粒的橫向流動，導(dǎo)致積灰區(qū)相鄰的H 型翅片下行通道被堵，飛灰顆粒在慣性力的作用下逐漸沉積增長。 因此要想有效減小飛灰顆粒的沉積，也可以從抑制初始沉積出發(fā)來制定合理的方案。

3 低溫省煤器爐管穿孔失效分析

在低溫省煤器出現(xiàn)飛灰沉積后，開始陸續(xù)出現(xiàn)低溫省煤器爐管穿孔現(xiàn)象，出現(xiàn)的位置經(jīng)常是在爐管偏下方幾排爐管管束上，爐管穿孔的照片如圖6 所示。 從圖6 可以看出，翅片的上邊緣被磨成楔形坡口，在穿孔周邊有著較為明顯的壁面減薄現(xiàn)象，表明此區(qū)域受到飛灰顆粒切削作用較為嚴重所致。 結(jié)合圖2 可以得出，飛灰沉積堵塞了部分流通面積，煙氣和飛灰顆粒的有效流通面積減小、流速增加、磨損加劇。 由于低溫省煤器下部飛灰沉積堵塞相對上部較大，下部的有效流通面積相對較小， 煙氣和飛灰顆粒流速相對較大，就更容易出現(xiàn)磨損穿孔現(xiàn)象。 因此，消除或抑制飛灰顆粒沉積堵塞是減少管束磨損的重要手段。

圖6 爐管穿孔圖

4 對策

熱電廠燃煤鍋爐脫硝改造解決了污染物排放的問題，但是由于脫硝工藝產(chǎn)生的硫酸氫銨在低溫省煤器處發(fā)生冷凝粘附在飛灰顆粒上，加劇了飛灰顆粒的團聚和沉積，導(dǎo)致發(fā)生飛灰沉積堵塞、爐管磨損穿孔等問題。 根據(jù)上述分析判斷，可以從以下幾個方面入手來解決這個問題：

a. 從工藝上控制硫酸氫銨的含量。硫酸氫銨的冷凝和加劇飛灰顆粒粘附是造成飛灰沉積堵塞的主因， 其工藝源頭是脫硝工藝氨過量加注。要想從根本上解決問題， 要從工藝改進著手，在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上增加硫酸氫銨的監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)精準控制以優(yōu)化工藝、指導(dǎo)操作；還應(yīng)該關(guān)注脫硝新工藝的發(fā)展，尋找不產(chǎn)生硫酸氫銨的脫硝方法。

b. 從結(jié)構(gòu)上抑制飛灰沉積。從現(xiàn)場的飛灰沉積位置、形貌和流場特征分析可以判斷飛灰沉積的起始位置在支撐梁上表面，可以通過在支撐梁附近增加反吹系統(tǒng)，或者優(yōu)化支撐梁上方的H 型翅片結(jié)構(gòu)來抑制飛灰沉積。

c. 從技術(shù)上保護爐管。由于飛灰沉積縮小了煙氣有效流通面積， 增加了煙氣和飛灰顆粒流速，加劇了爐管局部磨損穿孔，因此抑制飛灰沉積可以減少爐管磨損。 同時可以對局部爐管進行涂層處理強化表面耐磨性能，也可以采用安裝防磨瓦等措施。

通過以上方法可以有效地減少低溫省煤器飛灰沉積和爐管磨損， 減少非計劃停工次數(shù)，保證設(shè)備長周期運行。