空预器热风吹扫防堵技术在1 000 MW机组上的运用研究

引言

空气预热器(Air Preheater'简称APH)是燃煤电厂锅炉中的重要设备,在实际运行中,空气预热器往往会出现堵塞现象,影响其热效率[1]。空气预热器的堵塞主要是烟气中含有的灰尘颗粒在APH内壁上沉积所致,这些灰尘颗粒主要来自燃料中的灰分和燃烧过程中的燃烧产物,伴随烟气通过APH时,沉积于APH内壁上,形成灰尘层[2—3]。随着时间的推移,这些灰尘层会逐渐增厚,导致APH的通风阻力增大[4]。因此,如何有效防止空预器堵塞成为燃煤电厂运行管理中的一个重要课题。文献[5—7]在空预器堵塞治理方面提出的防堵技术得到了广泛应用。因各企业设备差异、入炉煤质及氨逃逸等因素的影响,采用单一的防堵技术效果不佳。为此,本文以1 000 MW机组空预器为例进行阐述,采用热风吹扫防堵技术,治理空预器堵塞问题。

1空预器堵塞机理

锅炉运行产生的烟气中会携带部分铵盐,这些铵盐的生成和沉积会导致空气预热器的换热元件表面积灰,影响热交换效率,增加系统的阻力。而铵盐中以硫酸铵为主,在烟气温度达到213~308℃时,硫酸铵分解为气态硫酸氢铵,在温度150~230℃范围,硫酸氢铵是一种高黏性半液态物质,极易粘附在换热元件上,最后板结。

如果不能及时清除这些积灰,将导致空气预热器阻力不断增大,积灰现象会越来越严重,最终导致空气预热器的堵塞。

2空预器热风吹扫技术

空预器热风吹扫技术是一种解决空气预热器堵塞问题的有效方案,其原理是通过增加循环风仓、设置扇形板和弧形门等措施,在空气预热器本体上形成一个相对密闭的循环风仓,利用循环风机产生的高温高速风流对空气预热器内部进行吹扫,以快速清除积灰和防止堵塞的发生[8]。在实际运行中,空预器热风吹扫技术的防堵原理主要包括以下几个方面:

一是通过循环风仓的设置'可以使循环风在空气预热器内部流场分布均匀'保证吹扫效果的均匀性。由于空气预热器内部空间有限'流场的均匀性对于吹扫效果至关重要'因此需要对流场进行优化'以保证风量大致均匀。

二是随着环境温度的降低'吹扫风温度也会相应下降'因此'需要根据环境温度的变化来调整吹扫风量'以保证吹扫效果的稳定性。在冬季和夏季'由于环境温度的不同'所需的吹扫风量也会有所差异'需要根据实际情况进行调整。

三是空预器热风吹扫技术还需要考虑烟气硫酸氢铵对空气预热器的影响。硫酸氢铵在291℃以上开始分解'在308~419℃时分解为NH3和SO3。同时'温度在300℃左右时'硫酸氢铵为气态'最终氨气和SOX以气态的形式被烟气带走'从而缓解、控制或防止空预器堵塞。

3技术指标分析

3.1温度、风量分析

在空预器热风吹扫技术中,温度和风量是两个关键参数,对于防堵效果有着至关重要的影响。随着环境温度的降低,空预器冷端的温度也会相应下降,这就需要增加吹扫风量来保证空预器的清洁。因空预器冷端的温度通常低于150℃,在冬季和夏季,大部分硫酸氢铵都已经附着在空预器冷端上,在此情况下,可以将空预器冷端硫酸氢铵吸热模型理想化,不考虑催化剂性能的变化和煤质的变化。假设空预器冷端蓄热元件上附着的硫酸氢铵量不变,那么所有附着的硫酸氢铵在加热至分解温度291℃时所需的吸热量为φ。在吹扫风温度为T时,所需的最小吹扫风量为q,可以近似地认为φ=Tq。以310℃为基准,设定最小吹扫风量为q,计算得到在不同温度下所需的吹扫风量如表1所示。

通过表1可以看出,吹扫温度越低,所需吹扫风量越大,尤其是温度低至295℃时,必须成倍增加风量,才能保证吹扫效果。为此,在实际操作中,需要根据温度的变化及时调整吹扫风量,以满足空预器的清洁需求。同时,还需要考虑到空预器冷端的特点,合理设计吹扫风量和温度,以最大限度地减少硫酸氢铵的附着和堆积,保证空预器的正常运行。在实际操作中,需要根据具体情况灵活调整吹扫风量和温度,尽量保证吹扫风温度始终保持在310℃以上,以确保空预器的高效运行和长期稳定性。

3.2流场分析

在实际应用中,由于空间限制,循环风仓面积只能占一个仓格,因此空预器内部的流场分布并不均匀。在流场不均匀的情况下,风量较少的区域无法得到有效吹扫,从而导致了防堵效果的不确定性。因此,需要对流场进行优化,以保证吹扫效果的均匀性和有效性。为了解决这一问题,可以通过对空预器内部结构和风道进行优化设计,以确保循环风能均匀地吹扫整个空预器内部。同时,还可以通过调整风机的位置和布局,以提高吹扫效果的均匀性。另外,还可以通过改变风机的叶片结构和数量,以增加吹扫风量,从而提高吹扫效果的覆盖范围和均匀性。总之,空预器热风吹扫技术在实际应用中存在着流场均匀性不足的问题,需通过优化设计和调整风机布局等手段来解决,以确保吹扫效果的均匀性和有效性。

3.3系统前端分析

空预器热风吹扫技术实质上是对末端产生的硫酸氢铵进行处理,而前端就是控制氨源和氨逃逸,系统前端影响空预器堵塞的主要因素有低氮燃烧器、催化剂区域烟气及喷氨流场、催化剂性能、煤质等。

首先,低氮燃烧器的设计能够有效减少燃烧过程中产生的氮氧化物排放,从而降低空气预热器内部的氨逃逸量,减少空预器冷端的硫酸氢铵的生成,进而降低空预器的堵塞风险。

其次,合理的催化剂布置和喷氨流场设计能够有效降低烟气中硫酸氢铵的含量,减少硫酸氢铵对空预器冷端的腐蚀和堵塞,从而延长空预器的清洁周期。

此外,优质的催化剂能够更好地催化烟气中的硫化物,减少硫酸氢铵的生成,降低空预器的堵塞风险。

同时,煤质的好坏也会直接影响燃烧产物中硫化物的含量,进而影响空预器的堵塞情况。

4技术应用

某1 000 MW燃煤火电机组在正常运行时出现空预器堵塞问题,特别是在寒冷的冬季,由于环境温度较低,堵塞现象更为严重,空气预热器压差高达3.5 kpa。经过对多家国内同类型火电厂的调研,拟采用空预器热风吹扫技术解决空预器堵塞问题。

方案一:扇形板组件改造。

将冷热端一次风和烟气中间的主扇形板更换为两块扇形板。此两块扇形板中间隔出来的空间作为循环风在空预器内的通道出入口,从循环风仓热端取风,经循环风机增压后从冷端送入循环风仓,提高蓄热元件壁温。系统示意图如图1所示。

方案二:循环风仓改造。

循环风仓通过扇形板将原一次风与烟气仓格间的22.5O扇形板改成15O十7.5O的两块扇形板,两块扇形板之间留2O~5O空间作为循环风仓。示意图如图2所示。

改造后经过连续五个月的运行观察,循环风机转速维持在850 r/min,出口空气温度可达300℃以上,可有效抑制硫酸氢铵的生成,空预器烟气侧差压保持在0.9 kpa内,达到了投运以来的最佳水平,证明本次改造的防堵灰效果较为明显。但是进入冬季环境温度下降,在循环风机转速逐渐提高至1 200 r/min时,空预器烟气侧压差开始呈现上升趋势,最高至2.0 kpa。虽然空气预热器差压不限制机组出力运行,但仍存在较大的安全隐患,为此,需要进一步探究解决环境温度低引起的空预器出口空气温度低导致的空预器堵塞问题。

该电厂在机组检修期间对改造后的空预器冷端蓄热元件进行解体检查,发现空预器内三圈存在积灰板结,外五圈几乎无积灰板结,如图3所示。

为了解决冬天空预器差压问题,该电厂在机组检修期间对空预器进行了系列改造和清理检查工作:1)对空预器内三圈进行了清理清洁工作;2)针对运行年限长达五年之余的脱硝催化剂进行更换;3)燃烧器进行了低氮改造等。此外,针对空预器冷端蓄热元件内三圈存在积灰板结、外五圈无积灰板结问题,该厂外聘某热工设计院对空预器循环风仓进行了流场优化分析。其中空预器循环风仓内流场优化前后流场分布如图4所示。

经过空预器循环风仓内流场优化检修启动后,机组运行一年期间空预器差压始终稳定保持在0.9 kpa。进入冬天,环境温度下降时,同样将循环风机转速提升至1 200 r/min,观察发现空预器烟气侧差压最高至1.2 kpa,完全满足空预器安全运行条件,这也表明经空预器循环风仓内流场优化改造,可以较好地解决冬天环境温度低引起的空预器出口空气温度低导致的空预器堵塞问题。

5应用成效

本文提出的技术方案从空预器热端引出适量的循环风到空预器冷端的循环风仓,采用针对性加热方式,在蓄热元件转至烟气侧之前,提高冷端温度,使温度最低点高于酸结露点,避开酸结露区。与已有技术及现状相比,本技术方案获得的有益成效如下:1)对冷端进行加热,通过调节循环风量可以使烟气侧冷端表面最低温度提高30~60℃;2)空预器可长期稳定运行,烟气侧压差在0.9 kpa左右,不发生堵灰;3)空预器不堵灰之后,空预器换热效率提升,排烟温度较原有状况降低3℃,锅炉运行效率提高;4)空预器的阻力下降,虽然增加了循环风机电流,但风机总电流下降,节能效果明显。