空預(yù)器熱風(fēng)吹掃防堵技術(shù)在1 000 MW機(jī)組上的運(yùn)用研究

引言

空氣預(yù)熱器(Air Preheater'簡稱APH)是燃煤電廠鍋爐中的重要設(shè)備,在實(shí)際運(yùn)行中,空氣預(yù)熱器往往會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,影響其熱效率[1]?？諝忸A(yù)熱器的堵塞主要是煙氣中含有的灰塵顆粒在APH內(nèi)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(chǎn)物,伴隨煙氣通過APH時,沉積于APH內(nèi)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(dǎo)致APH的通風(fēng)阻力增大[4]。因此,如何有效防止空預(yù)器堵塞成為燃煤電廠運(yùn)行管理中的一個重要課題。文獻(xiàn)[5—7]在空預(yù)器堵塞治理方面提出的防堵技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。因各企業(yè)設(shè)備差異、入爐煤質(zhì)及氨逃逸等因素的影響,采用單一的防堵技術(shù)效果不佳。為此,本文以1 000 MW機(jī)組空預(yù)器為例進(jìn)行闡述,采用熱風(fēng)吹掃防堵技術(shù),治理空預(yù)器堵塞問題。

1空預(yù)器堵塞機(jī)理

鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的煙氣中會攜帶部分銨鹽,這些銨鹽的生成和沉積會導(dǎo)致空氣預(yù)熱器的換熱元件表面積灰,影響熱交換效率,增加系統(tǒng)的阻力。而銨鹽中以硫酸銨為主,在煙氣溫度達(dá)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(zhì),極易粘附在換熱元件上,最后板結(jié)。

如果不能及時清除這些積灰,將導(dǎo)致空氣預(yù)熱器阻力不斷增大,積灰現(xiàn)象會越來越嚴(yán)重,最終導(dǎo)致空氣預(yù)熱器的堵塞。

2空預(yù)器熱風(fēng)吹掃技術(shù)

空預(yù)器熱風(fēng)吹掃技術(shù)是一種解決空氣預(yù)熱器堵塞問題的有效方案,其原理是通過增加循環(huán)風(fēng)倉、設(shè)置扇形板和弧形門等措施,在空氣預(yù)熱器本體上形成一個相對密閉的循環(huán)風(fēng)倉,利用循環(huán)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高溫高速風(fēng)流對空氣預(yù)熱器內(nèi)部進(jìn)行吹掃,以快速清除積灰和防止堵塞的發(fā)生[8]。在實(shí)際運(yùn)行中,空預(yù)器熱風(fēng)吹掃技術(shù)的防堵原理主要包括以下幾個方面:

一是通過循環(huán)風(fēng)倉的設(shè)置'可以使循環(huán)風(fēng)在空氣預(yù)熱器內(nèi)部流場分布均勻'保證吹掃效果的均勻性。由于空氣預(yù)熱器內(nèi)部空間有限'流場的均勻性對于吹掃效果至關(guān)重要'因此需要對流場進(jìn)行優(yōu)化'以保證風(fēng)量大致均勻。

二是隨著環(huán)境溫度的降低'吹掃風(fēng)溫度也會相應(yīng)下降'因此'需要根據(jù)環(huán)境溫度的變化來調(diào)整吹掃風(fēng)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(fēng)量也會有所差異'需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

三是空預(yù)器熱風(fēng)吹掃技術(shù)還需要考慮煙氣硫酸氫銨對空氣預(yù)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(yù)器堵塞。

3技術(shù)指標(biāo)分析

3.1溫度、風(fēng)量分析

在空預(yù)器熱風(fēng)吹掃技術(shù)中,溫度和風(fēng)量是兩個關(guān)鍵參數(shù),對于防堵效果有著至關(guān)重要的影響。隨著環(huán)境溫度的降低,空預(yù)器冷端的溫度也會相應(yīng)下降,這就需要增加吹掃風(fēng)量來保證空預(yù)器的清潔。因空預(yù)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(jīng)附著在空預(yù)器冷端上,在此情況下,可以將空預(yù)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(zhì)的變化。假設(shè)空預(yù)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(fēng)溫度為T時,所需的最小吹掃風(fēng)量為q,可以近似地認(rèn)為φ=Tq。以310℃為基準(zhǔn),設(shè)定最小吹掃風(fēng)量為q,計算得到在不同溫度下所需的吹掃風(fēng)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(fēng)量越大,尤其是溫度低至295℃時,必須成倍增加風(fēng)量,才能保證吹掃效果。為此,在實(shí)際操作中,需要根據(jù)溫度的變化及時調(diào)整吹掃風(fēng)量,以滿足空預(yù)器的清潔需求。同時,還需要考慮到空預(yù)器冷端的特點(diǎn),合理設(shè)計吹掃風(fēng)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(yù)器的正常運(yùn)行。在實(shí)際操作中,需要根據(jù)具體情況靈活調(diào)整吹掃風(fēng)量和溫度,盡量保證吹掃風(fēng)溫度始終保持在310℃以上,以確?？疹A(yù)器的高效運(yùn)行和長期穩(wěn)定性。

3.2流場分析

在實(shí)際應(yīng)用中,由于空間限制,循環(huán)風(fēng)倉面積只能占一個倉格,因此空預(yù)器內(nèi)部的流場分布并不均勻。在流場不均勻的情況下,風(fēng)量較少的區(qū)域無法得到有效吹掃,從而導(dǎo)致了防堵效果的不確定性。因此,需要對流場進(jìn)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(yù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以確保循環(huán)風(fēng)能均勻地吹掃整個空預(yù)器內(nèi)部。同時,還可以通過調(diào)整風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)和數(shù)量,以增加吹掃風(fēng)量,從而提高吹掃效果的覆蓋范圍和均勻性?？傊?空預(yù)器熱風(fēng)吹掃技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在著流場均勻性不足的問題,需通過優(yōu)化設(shè)計和調(diào)整風(fēng)機(jī)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(tǒng)前端分析

空預(yù)器熱風(fēng)吹掃技術(shù)實(shí)質(zhì)上是對末端產(chǎn)生的硫酸氫銨進(jìn)行處理,而前端就是控制氨源和氨逃逸,系統(tǒng)前端影響空預(yù)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(zhì)等。

首先,低氮燃燒器的設(shè)計能夠有效減少燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物排放,從而降低空氣預(yù)熱器內(nèi)部的氨逃逸量,減少空預(yù)器冷端的硫酸氫銨的生成,進(jìn)而降低空預(yù)器的堵塞風(fēng)險。

其次,合理的催化劑布置和噴氨流場設(shè)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(yù)器冷端的腐蝕和堵塞,從而延長空預(yù)器的清潔周期。

此外,優(yōu)質(zhì)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(yù)器的堵塞風(fēng)險。

同時,煤質(zhì)的好壞也會直接影響燃燒產(chǎn)物中硫化物的含量,進(jìn)而影響空預(yù)器的堵塞情況。

4技術(shù)應(yīng)用

某1 000 MW燃煤火電機(jī)組在正常運(yùn)行時出現(xiàn)空預(yù)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(xiàn)象更為嚴(yán)重,空氣預(yù)熱器壓差高達(dá)3.5 kpa。經(jīng)過對多家國內(nèi)同類型火電廠的調(diào)研,擬采用空預(yù)器熱風(fēng)吹掃技術(shù)解決空預(yù)器堵塞問題。

方案一:扇形板組件改造。

將冷熱端一次風(fēng)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(fēng)在空預(yù)器內(nèi)的通道出入口,從循環(huán)風(fēng)倉熱端取風(fēng),經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后從冷端送入循環(huán)風(fēng)倉,提高蓄熱元件壁溫。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

方案二:循環(huán)風(fēng)倉改造。

循環(huán)風(fēng)倉通過扇形板將原一次風(fēng)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(fēng)倉。示意圖如圖2所示。

改造后經(jīng)過連續(xù)五個月的運(yùn)行觀察,循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在850 r/min,出口空氣溫度可達(dá)300℃以上,可有效抑制硫酸氫銨的生成,空預(yù)器煙氣側(cè)差壓保持在0.9 kpa內(nèi),達(dá)到了投運(yùn)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(jìn)入冬季環(huán)境溫度下降,在循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提高至1 200 r/min時,空預(yù)器煙氣側(cè)壓差開始呈現(xiàn)上升趨勢,最高至2.0 kpa。雖然空氣預(yù)熱器差壓不限制機(jī)組出力運(yùn)行,但仍存在較大的安全隱患,為此,需要進(jìn)一步探究解決環(huán)境溫度低引起的空預(yù)器出口空氣溫度低導(dǎo)致的空預(yù)器堵塞問題。

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

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

經(jīng)過空預(yù)器循環(huán)風(fēng)倉內(nèi)流場優(yōu)化檢修啟動后,機(jī)組運(yùn)行一年期間空預(yù)器差壓始終穩(wěn)定保持在0.9 kpa。進(jìn)入冬天,環(huán)境溫度下降時,同樣將循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至1 200 r/min,觀察發(fā)現(xiàn)空預(yù)器煙氣側(cè)差壓最高至1.2 kpa,完全滿足空預(yù)器安全運(yùn)行條件,這也表明經(jīng)空預(yù)器循環(huán)風(fēng)倉內(nèi)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(yù)器出口空氣溫度低導(dǎo)致的空預(yù)器堵塞問題。

5應(yīng)用成效

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