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电站锅炉中空气预热器腐蚀积灰问题分析

空气预热器作为电站锅炉的重要设备,目前存在的主要问题是空预器易发生腐蚀和堵灰现象,这主要是由于传统的烟气低温腐蚀和氨逃逸带来的硫酸氢铵腐蚀的影响。针对 2 种不同的影响因素,需要采…

空气预热器作为电站锅炉的重要设备,目前存在的主要问题是空预器易发生腐蚀和堵灰现象,这主要是由于传统的烟气低温腐蚀和氨逃逸带来的硫酸氢铵腐蚀的影响。针对 2 种不同的影响因素,需要采取不同的解决措施。在分析空预器堵塞原因的基础上,综述了近年来我国为解决空预器堵塞而采取的相关措施,如优化暖风器设计、采用碱性吸收剂控制 SO3的技术、空气预热器的改造等。

当前燃煤发电作为我国最主要的发电形式,面临节能减排要求的日渐提升,煤价的不断上涨,锅炉空预器的出口烟温也越来越低,仅略高于酸露点的温度。
在低温烟气环境中,空气预热器容易发生低温腐蚀和堵灰现象,某 300 MW 燃煤机组,采用电袋除尘器除尘,机组运行了半年的时间,空气预热器已经堵塞,在滤袋的表面附着着大量的黏附物,黏附物为有较强的黏附能力的黑色硬质物质,黏附物很难通过人为手工去除。
空气预热器堵塞造成电袋除尘器的运行阻力增大,烟尘排放超标;同时也导致风机的通道阻力增大,增加了风机的电耗。若堵灰严重时则必须采取停炉的措施,将增加机组非正常停机的次数,严重影响了电厂的经济效益。
对于北方的电站锅炉,在冬季的情况下,空气预热器由于入口处空气初始温度偏低,低温腐蚀积灰的问题也更加严重。空气预热器堵灰会影响机组高负荷运行,降低机组的经济性和稳定性,因此,解决空气预热器的腐蚀积灰问题对于保障机组的正常稳定运行有重要的意义。
空预器腐蚀积灰的主要原因有2 种:烟气的低温腐蚀和氨逃逸造成的硫酸氢铵腐蚀。针对这 2 种不同的腐蚀积灰原因,必需要采取相应的不同措施,以增强机组的经济性和稳定性。
1 烟气低温腐蚀
烟气低温腐蚀是指当锅炉的排烟温度低于烟气的酸露点时,在锅炉的低温受热面上会凝结烟气中的水蒸气和硫酸蒸气,凝结的水蒸气和硫酸蒸气与传热管壁的金属材质发生化学反应,生成金属硫酸盐,导致管壁处腐蚀,随着反应时间的延长,管壁处发生积灰,积灰导致传热管的传热性能减弱,受热面壁温因此降低。
控制锅炉烟气低温腐蚀从理论上来说就是控制锅炉低温受热面的金属壁温要高于烟气的露点温度,烟气的露点温度一般低于 75 ℃。从电厂的实际运行结果看,锅炉空预器的冷端壁温只要高于 75 ℃,就能够避免发生烟气低温腐蚀。而在冬季工况和机组低负荷工况的情况下,锅炉低温受热面的金属壁温较正常工况下有所下降,需要采取有效的设计措施以防止发生结露现象,才能避免发生低温腐蚀现象。
通常采取的措施是增加暖风器设计,在冬季工况下,通过暖风器换热将锅炉进风温度提高到 20℃;在机组低负荷工况下,也可通过暖风器换热将锅炉进风温度提高到适当温度。以防止烟气的低温腐蚀,同时增加了烟气余热利用率。
一般在空预器进口与送风机出口之间或者送风机入口的管道上安装暖风器。暖风器在一年大部分时间内均可不投入运行,当其停运时,由于作为设备的暖风器本身存在阻力会增加风机的运行电耗,同时暖风器的换热元件上也会积攒灰尘,这些灰尘是随送风机、一次风机风道入口进入的,也增加了风道的阻力。
为了减小暖风器停运时的增加的风道阻力,降低风机的电耗,增加机组的经济性,可采用抽屉式暖风器、旋转式暖风器及热风再循环等方式。经过综合比较来看,其中旋转式暖风器操作简单,在达到暖风器增加进口风温,防止空预器低温腐蚀目的的同时,还能够使厂用电降低,节能降耗。
疏水方式对暖风器的运行效果的有重要的影响,暖风器疏水的回收方式主要有 2 种:
1) 高压疏水方式,即用疏水泵将疏水输送至除氧器;
2) 低压疏水方式,即系统安装疏水器设备,将疏水疏至凝汽器。
比较两种疏水方式,高压疏水方式在实际运行过程中会出现疏水不通畅的现象,从而导致管道内部汽水两相共存,发生振动和腐蚀,造成暖风器的泄漏,致使暖风器不能起到应有的作用[7],而低压疏水方式不存在汽水两相共存的现在,可以保证系统的正常稳定运行,是近年来国内外普遍采用暖风器系统蔬水方式,暖风器低压疏水方式示意图如图 1 所示。
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图 1 暖风器低压疏水方式
2 氨逃逸带来的硫酸氢铵腐蚀
目前国际国内形势下,对燃煤电站的环保排放要求越来越严格,为了达到氮氧化物的排放标准,燃煤电站大量采用在烟道中喷入液氨或尿素等还原剂的方式以降低氮氧化物的排放量,在此过程中氨气发生挥发而后随着烟气的排放而排放,造成氨逃逸现象。
烟气经过SCR装置时,部分SO2在催化剂的作用下发生氧化反应生成SO3,SO3与逃逸的NH3及水蒸气发生化学反应生成NH4HSO4和(NH4)2SO4。其中较多地生成NH4HSO4,而(NH4)2SO4产生量很少,且为粉末状,处于积灰中,对空气预热器几乎无影响。
而NH4HSO4的沸点为350℃,熔点为147℃,空预器的冷端温度较低,温度区间处于NH4HSO4熔点温度范围内,此时NH4HSO4的黏性很大,容易黏附烟气中带入的飞灰颗粒,将其吸附在空预器的冷端管壁上,造成管壁的腐蚀和积灰,增加了空预器阻力的同时降低了空预器的传热能力。不同煤种中硫元素含量的不同对空预器腐蚀的影响程度也不同,含硫量越高的煤种其烟气中SO3的浓度越大,生成的NH4HSO4越多,空预器的腐蚀积灰越严重。
降低空预器的积灰腐蚀需要减少NH4HSO4的生成,即减少烟气中 SO3含量以及 NH3的逃逸量。烟气中的 SO3包括来自入煤中的硫在炉膛通过高温燃烧反应及 SCR 催化剂的催化作用下生成的 SO3,烟气中还存在部分 SO2,烟气中的 SO2经过 SCR 装置时,会生成 SO3,使得 SO3的总体积分数升高可高达 10-4以上,易导致催化剂中毒。
目前,降低烟气中 SO3含量的方法主要是采用碱性吸收剂。该方法是通过向炉膛内或烟气中喷入不同的化学物质与SO3发生化学反应,进而达到脱除 SO3的目的。常用的化学物质包括:碱性氧化物 (氧化镁、氧化钙、碱如氨、氢氧化钙、氢氧化镁等),带碱性的盐类物质 (碳酸钠或者天然碱),SO3的脱除效率能够达到90%以上。这种使用吸收剂的方法能够有效地降低烟气中的 SO3的含量。
烟气中氨的来源主要是逃逸的氨,可以从改造空预器本体以及控制脱硝系统氨逃逸 2 方面考虑,采取措施减少生成硫酸氢氨的危害。
其中对空预器的改造主要包括:
1) 为了避免空预器中温段下部至冷段间的温度在 NH4HSO4熔点温度范围内,可将空预器传热元件设为二段布置,或者三段布置 (热端加防磨层),从而能够避免 NH4HSO4的沉积区域分段导致的局部严重堵灰现象发生。
2) 为了便于清除空预器堵灰,可采用大通道的波纹板作为空预器的冷段材质。该方法能够增大烟气的流通截面,使 NH4HSO4及其他灰尘杂质等不易粘附于表面。
3) 搪瓷材质表面较为光滑,不易黏附杂物,且易于清理,因此可采用在表面镀搪瓷的方法增强换热元件的抗黏附能力。
4) 空预器增设吹灰设备。采用过热蒸汽为介质,清除受热面的积灰。吹灰设备主要有蒸汽吹灰器、激波吹灰器和声波吹灰器。
脱硝系统中当氨的逃逸量为 1 μL/L 以下时,烟气中的氨含量很少,NH4HSO4生成量也很少,此时空预器的堵塞现象较轻;当氨逃逸量增加到 2 μL/L时,空预器正常运行 0.5 年后发生明显的堵塞现象;当氨逃逸量增加到 3 μL/L 时,空预器正常运行 0.5年堵塞现象严重。
因此,控制氨逃逸量是保证空预器性能的关键。脱硝系统实际运行过程中,造成氨逃逸率高的原因主要是催化剂活性降低、NOx和NH3浓度场分布不均匀以及氨过喷。NOx和 NH3浓度场分布不均匀可通过调整喷氨的各阀门开关程度调整浓度场分布。SCR 催化剂的使用寿命一般为3 年。
在催化剂使用 15 000~20 000 h 后,其活性通常约降低 1/3。此时如果要提高 NOx转化率,需要增大催化剂的注入量,但这又会造成 NH3逃逸水平的增高 (>5 μL/L)。因此,工程中采用通过预留催化剂将来层的方法来控制 NH3逃逸率,即在 SCR 投运的初始阶段,使用 2 层或 3 层催化剂;2 年后,新增 l 层催化剂;3 年后,更换已到使用寿命的催化剂,确保 NH3逃逸率始终控制在 3 μL/L 以下。
3 结束语
空预器设备的积灰腐蚀现象是不可避免的,但是可以通过相应的优化措施减轻积灰腐蚀的程度,降低积灰腐蚀对机组运行的影响。烟气低温腐蚀目前主要采用增加暖风器的方法减少腐蚀的影响,在冬季或低负荷工况时暖风器可提高锅炉的进风温度。
在电厂改造增加SCR脱硝系统后,不可避免的会产生氨逃逸现象,在空预器中发生化学反应生成硫酸氢铵。造成空预器的腐蚀积灰,通过对空预器的设计改造包括换热元件材料的升级处理,以及对SCR脱硝系统的优化控制能够有效地减轻硫酸氢铵对空气预热器的不利影响,从而保障空预器的安全稳定运行。
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