锅炉SCR烟气脱硝空气预热器堵塞原因及其解决措施

锅炉SCR烟气脱硝空气预热器堵塞原因及其解决措施

截至２０１２年４月，建成、在建及签订合同的火电机组锅炉烟气脱硝装置约６５０ 台装机容量共计3.8亿kW，其中投运ＳＣＲ 装置的机组容量超过1.0亿kW。这些机组在安装ＳＣＲ装置时，对部分空气预热器（空预器）换热元件进行了改造，并配置了高效吹灰器。在已投运烟气脱硝装置的机组中，改造过的和尚未改造的空预器均出现过因硫酸氢氨堵塞而造成烟侧阻力增加的现象，部分空预器改造后还出现了排烟温度升高，炉效降低的情况。

１空预器硫酸氢氨堵塞

燃煤锅炉炉膛内烟气中的ＳＯ２约有0.5％～1.0％被氧化成ＳＯ３。加装ＳＣＲ系统后，催化剂在把NOx还原成Ｎ２的同时，将约1.0％的ＳＯ２氧化成ＳＯ３。在空预器中／低温段换热元件表面，ＳＣＲ反应器出口烟气中存在的未反应的逃逸氨（ＮＨ３）、ＳＯ３及水蒸气反应生成硫酸氢氨或硫酸氨：

ＮＨ３ ＋ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ → ＮＨ４ＨＳＯ４

２ＮＨ３＋ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ→ （ＮＨ４）２ＳＯ４

当烟气中的ＮＨ３含量远高于ＳＯ３浓度时，主要生成干燥的粉末状硫酸氨，不会对空预器产生粘附结垢。当烟气中的ＳＯ３浓度高于逃逸氨浓度（通常要求ＳＣＲ出口不大于３μＬ／Ｌ）时，主要生成硫酸氢氨（ＡＢＳ），生成规律见图１。

在１５０～２２０℃温度区间，ＡＢＳ是一种高粘性液态物质，易冷凝沉积在空预器换热元件表面，粘附烟气中的飞灰颗粒，堵塞换热元件通道，增加空预器阻力并影响换热效果。

硫酸氢氨造成的堵灰清除比较困难，严重时需停炉进行离线清洗。为降低硫酸氢氨的影响，目前主要从空预器本体改造或者脱硝系统氨逃逸控制两方面采取措施。

２ 空预器本体改造

２．１改造措施

空预器烟侧进出口温度范围约110～400℃，涵盖了高粘性硫酸氢氨的生成温度区间。为了应对硫酸氢氨的影响，空预器采取了以下改造措施。

（１）传统空预器元件分为高、中、低温3段，冷段高度约300mm，主要为了防止

硫酸低温腐蚀。当硫酸氢氨温度区间跨越２层换热元件时，接缝处的硫酸氢氨吸附飞灰结垢搭桥现象更加严重。为此，需合并传统的冷段和中温段，将换热元件改为２段，冷段高度加大到约800～1200mm，涵盖机组不同负荷下硫酸氢氨的生成温度范围，保证全部硫酸氢氨在冷段完成凝结和沉积。

（２）空预器冷段元件较高，元件下部烟气温度较低，易受到烟气中的酸结露低温腐蚀，造成元件表面锈蚀龟裂，加剧硫酸氢氨粘附挂灰。为提高冷段元件的表面光洁度和防腐蚀能力，通常采用高强度低合金考登钢材质、表面镀搪瓷或者表面使用硅作涂层。根据国外经验［２］，搪瓷镀层能显著降低硫酸氢氨的结垢速率，但如镀层因加工质量而损裂，将不利于防止硫酸氢氨的吸附。ＳＣＲ空预器冷段采用何种型号的换热元件，主要受到煤中硫含量、入口烟气中ＳＯ３浓度、入口烟气Ｏ２浓度、冷段综合温度水平等因素的综合影响。根据国外某公司的经验（图２），煤中硫含量小于1.75％且冷段综合温度大于138℃时，冷段可采用考登钢材质。

（３）加装ＳＣＲ系统后，空预器冷段换热元件通常采用局部封闭、高吹灰通透性的波形（如ＦＮＣ 或ＤＮＦ）替代倾斜的双层皱纹形，使元件表面沉积的飞灰易于被吹灰器清扫。

（４）空预器冷段换热元件即使采用镀搪瓷元件，如果没有有效的吹灰清洗装置相配套，同样会发生严重的堵灰。目前，空预器冷段通常配置回转式双介质高能量射流吹灰器，正常运行过程中，采用高压蒸汽吹扫，当空预器烟侧阻力超过设计值的５０％时，投运高压水冲洗。冲洗主要有离线和在线２种方式，前者是在保持６０％左右机组负荷时，将单侧空预器解列隔离进行高压水冲洗，完成后采用同样方式冲洗另一台空预器；后者是在机组满负荷或部分负荷下，对任一台运行中的空预器进行高压水冲洗。高压水冲洗时，水压达１０MPa以上，水量小于７０kg/min，对烟气成分或烟气温度影响甚微。

２．２改造效果

国内部分进行烟气脱硝机组对空预器低温段元件镀搪瓷，改造前后的结构及性能参数见表１。其中，案例１是６００MＷ机组，空预器低温段元件高度增加271mm，换热面积增加13.9％，漏风率由１２％降低到4.15％，排烟温度约降低7.8℃，但与设计值相比仍相差6.4℃；案例２是350MＷ机组，空预器由２８ＶＩＸ１８００（ＲＴ）型更换为２９ＶＩ（Ｔ）１９５０ ＱMＲ，空预器低温段元件高度增加150mm，换热面积增加9.2％，漏风率由7.0％降低到4.58％，排烟温度降低10.5℃，但比设计值高了13～16℃；案例３是３００MＷ机组，空预器低温段元件总高度不变（许多机组因空间所限，无法增加空预器元件高度），冷段镀搪瓷，换热性能下降，ＢMＣＲ工况和ＢＲＬ工况计算出来的排烟温度比原设计分别高13.6℃和8.4℃。

案例１与案例２机组的空预器改造后，运行过程中的排烟温度降低，除因增加了换热元件面积外，漏风率降低是其主要原因。案例３维持元件高度和漏风率不变，则换热效果降低。因此，针对烟气脱硝进行空预器改造时，需考虑空预器的内部空间及性能现状，否则可能造成排烟温度增加，锅炉效率降低。

３氨逃逸影响分析

烟气脱硝装置运行过程中，除了极端工况造成短时间内过量喷氨外，当氨喷射系统设计不当、烟气流场分布不均匀或者喷氨格栅局部喷嘴被堵塞时，也会造成反应器出口局部区域的氨逃逸过量。不同程度的氨逃逸是造成空预器堵塞的主要原因。对于烟气脱硝装置，除通过氨喷射系统、导流系统、混合系统的设计提高烟气流场的分布均匀性外，日常运行过程中，还需严格控制喷氨量，防止过度喷氨，并定期进行氨喷射系统的喷氨流量平衡调整，防止局部过大氨逃逸。

某１０００MＷ机组锅炉烟气脱硝装置的ＳＣＲ反应器截面为１４m×１７m，在出口截面测得烟气中的NOx浓度分布很不均匀（图３）：沿炉宽方向，测点１至１７，NOx浓度逐渐增加；沿炉深方向，测孔Ｐ１至Ｐ７，NOx浓度逐渐增加。在反应器入口NOx浓度分布相对较均匀的情况下，出口NOx浓度高的区域氨逃逸浓度较低，对应氨喷射格栅区域的氨喷射量较低，而出口NOx浓度低的区域氨逃逸浓度较大，对应氨喷射格栅区域的氨喷射量较高。氨喷射系统局部喷氨量过大，将造成局部氨逃逸过大，会加剧空预器的硫酸氢氨堵塞。

根据豪顿华公司经验，ＳＣＲ出口氨逃逸控制在较低浓度时，空预器阻力仍会因少量硫酸氢氨沉积而缓慢增长。当空预器烟侧阻力超过设计值５０％时，则需要启动高能量双流体喷对空预器冷段进行高压水冲洗。高压水冲洗启动周期与氨逃逸浓度有关，氨逃逸浓度越大，空预器阻力增长的越快，冲洗周期越短（图４）［４］：氨逃逸浓度为４～８μＬ／Ｌ时，冲洗周期约为３个月；氨逃逸浓度为３～６μＬ／Ｌ时，周期约为５～６个月；氨逃逸浓度为２～４μＬ／Ｌ时，周期约为１１个月；氨逃逸浓度为１～２μＬ／Ｌ时，即使运行１２个月也无需冲洗。

４结论与建议

（１）对于投运时间较短或者运行效果良好的空预器，建议不进行空预器改造，但要求适当放大烟气脱硝装置的脱硝效率设计裕量，通过流场优化设计和定期进行氨喷射流量平衡调整提高喷氨均匀性，并严格控制喷氨量，防止局部或整体过量喷氨，减少硫酸氢氨的生成。

（２）对于运行效果较差的空预器，可结合降低排烟温度或者漏风率进行空预器换热元件的综合性改造，提高冷段高度，同时采用大通透板型和高能量吹灰器。换热元件的改造，需要增加换热面积，以维持或不增加排烟温度。

（３）空预器改造时，冷段换热元件采用搪瓷镀层可显著降低硫酸氢氨的结垢速率，但若喷镀工艺不当，搪瓷也易出现龟裂恶化而使硫酸氢氨粘附堵塞。建议在煤中硫含量较低以及出口综合温度较高时采用高性能的考登钢材质。