火电厂锅炉回转式空预器堵塞原因分析与治理

火电厂锅炉回转式空预器堵塞原因分析与治理

陈文

（酒钢集团宏晟电热电力检修工程分公司，甘肃，嘉峪关，735100）

摘要：火力发电厂锅炉回转式空预器是锅炉最为关键的辅机之一，其对锅炉的运行效率、经济性、安全性都至关重要。本文通过对酒钢宏晟电热公司热电分公司2×350MW机组锅炉空预器存在的堵塞、运行压差大等现状问题为例，对锅炉回转式空预器堵塞问题进行原因分析，并针对原因从治理锅炉回转式空预器堵塞问题方面进行措施分析与梳理。

关键词：锅炉；回转式空预器；换热元件；脱硝；催化剂；氨逃逸；暖风器；蒸汽吹灰

1 前言

火力发电厂锅炉回转式空预器是利用锅炉燃烧后烟气的热量来加热锅炉燃烧所需空气的热交换设备。它的主要作用有四个方面：强化燃烧，提高锅炉助燃空气的温度，可以缩短燃料的干燥时间和促使燃料迅速着火，加快燃烧速度；强化传热，由于使用了热空气增强了燃烧，可以提高锅炉燃烧室内烟气的温度，加强锅炉内部辐射热交换；提高锅炉运行经济性，空预器可以有效降低锅炉排烟温度，减少排烟热损失，提高了锅炉效率；提高了制粉干燥出力，经空预器加热的热空气可作为制粉系统中的干燥介质，对入炉煤粉进行干燥。锅炉回转式空预器的工作原理为：当空预器内部换热元件经过锅炉烟气侧时，烟气携带的一部分热量就传递给换热元件，空预器通过旋转运动当换热元件经过空气侧时又把热量传递给空气。这样，由于空预器回收了烟气的热量，降低了排烟温度，提高了燃料与空气的初始温度，强化了燃料的燃烧，因而进一步提高了锅炉效率。因此，在火电厂锅炉设备结构中，空预器即是锅炉主体换热设备之一，同时又是锅炉的关键节能辅机，在当前火力电站锅炉设备中占有非常重要的地位。

近年来，国家环保法律法规日趋严格，自2011年颁布实施《火电厂大气污染物排放标准》GB 13223-2011及2015年颁布实施《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》以来，火力发电厂均进行了锅炉烟气脱硝改造及相应的提效改造，自此以后，锅炉烟气脱硝反应器登上锅炉主设备历史舞台，并将长期应用于火电锅炉主设备系统，但由此而来对锅炉主系统设备的使用与维护产生了较大的影响。本文主要探讨自烟气脱硝反应器应用于锅炉主系统后，对其直接后续设备—空气预热器所产生的影响及进而产生的问题进行分析与治理。本文以酒钢宏晟电热公司热电分公司2×350MW机组的锅炉空预器为具体事例，进行火电厂锅炉回转式空预器堵塞原因的具体分析的措施梳理。

2 现状与存在问题

酒钢宏晟电热公司热电分公司2×350MW机组锅炉空预器采用东方电气集团东方锅炉股份有限公司生产的LAP11284/2400型三分仓回转式空气预热器。空预器主轴垂直布置，烟气和空气以逆流方式换热，其出口的一次风温度具有干燥设计煤种和校核煤种最大水分的足够能力，空预器入口冷一、二次风加热方式采用暖风器。空气预热器为脱硝空预器，受热面高度为热段1000mm+400mm、冷段1000mm，上下共三层结构布置，其冷端元件可为镀搪瓷，双面镀层厚度总共不小于0.4mm（0.2mm＋0.2mm），基板厚度不小于0.8mm。

宏晟电热公司热电分公司新#5、#6机组建设规模为2×350MW超临界间冷机组，新#5机组于2012年12月31日满负荷试运移交试生产，新#6机组于2013年3月31日满负荷试运移交试生产。自新#5、#6机组投产以来，锅炉空预器在实际运行中，受到锅炉非设计煤种掺烧、脱硝催化剂的活性劣化、尾部烟道积灰、空预器受热面蒸汽吹灰及锅炉一二次暖风器内漏等多方面因素作用下，导致空预器运行工况偏离于原设计，且随锅炉运行时间增加，空预器运行工况会逐渐劣化，加之空预器自身的设计结构特点，导致出现如下几方面问题：

2.1随锅炉非设计煤种的掺烧，导致锅炉燃煤中灰分较高，在一定程度上加剧了锅炉尾部烟道的积灰速率；而空预器受热面在结构上采用三层换热元件布置，同时采用为满足换热效率的小间隙波纹板换热元件结构；空预器受热面多层数、小间隙的结构在锅炉尾部烟道积灰情况加剧的工况下，极易导致空预器受热面积灰，伴随空预器蒸汽吹灰的投入而形成换热元件局部堵塞，导致空预器运行过程中压差增大。

2.2锅炉脱硝反应器催化剂活性随着运行时间增加而逐渐衰减，随脱硝催化剂活性的衰减，为保证锅炉NOx排放达标，导致脱硝反应器氨逃逸量增大，从而容易造成空预器冷段换热元件因硫酸氢氨结垢而堵塞。空预器受热面多层数、小间隙的结构则会间接造成受热面硫酸氢氨结垢后堵塞换热元件的速度加快，导致空预器运行过程中压差增大。

2.3锅炉空预器运行过程中，伴随空预器受热面积灰板结与硫酸氢氨结垢两方面因素对空预器换热元件形成的不均匀堵塞，将影响空预器运行中的热态膨胀情况发生变化，使空预器受热面部分区域产生不均匀热膨胀，长期运行导致空预器换热元件隔仓壳体产生形变，最终造成空预器径向密封变形及安装间隙改变使空预器漏风率增大。

2.4由于空预器受热面的三层换热元件布置及换热元件波纹板间隙小的结构特点，加之每次停炉检修时空预器换热元件均堵塞严重且多为硫酸氢氨硬垢，造成了检修疏通空预器换热元件时存在清洗难度大、工艺繁琐、检修工期紧张、清洗后易发生二次污染、清洗后不易干燥及检修人员作业安全风险高等缺点。

3 原因分析

锅炉回转式空预器堵塞将导致空预器运行压差增大、空预器电流超过额定值且不稳定、空预器换热能力下降造成排烟温度升高、锅炉送引风机及一次风机出力不足易造成风机喘振或失速等问题，其最终反应的是锅炉设备的整体效率下降，严重时将造成锅炉非计划停运。同时由于设备劣化速度的加快，导致维护量的增加，进而造成检修难度大及人员安全风险高等问题，结合行业内其他电厂锅炉回转式空预器堵塞问题的原因，对锅炉回转式空预器堵塞的原因进行分析。

锅炉燃用煤质条件对空预器堵塞的影响

锅炉在燃烧过程中，燃煤中的硫元素经燃烧生成三氧化硫。当前为控制火电机组发电成本，锅炉燃用非设计煤种掺烧已成为必然趋势，当锅炉燃用非设计煤种时，其水分、硫分、灰分均远高于设计煤种，烟气中所生成三氧化硫含量同步增大，三氧化硫在烟气中容易与烟气中的水蒸气进行反应生成硫酸蒸汽，而烟气中硫酸蒸汽的存在使烟气的露点显著升高。由于回转式空预器冷端受热面的温度始终不高，空预器换热元件壁温低于烟气漏点，再加之运行期间空预器蒸汽吹灰的投入或冬季运行时一、二次风暖风器泄漏将导致运行中烟气中水蒸气的含量进一步增大，导致了硫酸蒸汽容易凝结在空预器冷端受热面上，使空预器的冷端换热元件腐蚀后吸灰能力增强，同时经过腐蚀的金属还会使吸着的灰层变硬，最终造成空预器堵塞。

锅炉空预器吹灰蒸汽过热度不足对空预器堵塞的影响

锅炉在运行过程中，若出现空预器吹灰蒸汽系统阀门故障或蒸汽吹灰系统设备操作不当的情况，导致空预器吹灰系统疏水不充分，将导致吹灰蒸汽中带水，进而使空预器受热面吹灰过程中烟气中的灰分结垢速度加快，造成空预器堵塞。

锅炉一、二次风暖风器对空预器堵塞的影响

锅炉在冬季运行过程中，为避免环境温度过低对空预器膨胀及电流形成影响，同时也考虑空预器换热效率的需要，在空预器一、二次风入口均装有暖风器。若暖风器泄漏堵管率较高或内部堵塞时，将导致暖风器的换热效果变差使空预器受热面冷端温度降，进而导致大量硫酸蒸汽凝结造成空预器吸灰堵塞；同时若暖风器运行期间泄漏，则导致空预器入口产生大量水蒸气，导致烟气中大量的灰分直接与水蒸气结合造成空预器结垢堵塞。

脱硝反应器催化剂对空预器堵塞的影响

在当前火力发电厂脱硝机组中，脱硝催化剂已成为影响锅炉炉况的关键设备之一。为控制机组烟气排放始终满足环保要求，在锅炉脱硝系统运行过程中，伴随催化剂活性的衰减势必需适当的提高脱硝系统喷氨量以满足NOX的排放要求，这样一来将增大锅炉尾部烟气中的按逃逸量，导致烟气中硫酸氢氨的生成量增大，由于硫酸氢氨的露点为147℃，而目前300MW及以上机组锅炉回转式空预器出口烟气温度为125℃左右，因此烟气中硫酸氢氨含量的增大必然导致空预器冷端产生大量硫酸氢氨沉积，而液态硫酸氢氨是一种粘性很强的物质，在烟气中极易粘结飞灰造成空预器堵塞。另一方面，脱硝催化剂主体成分中含有五氧化二钒，这就导致了烟气中的二氧化硫很容易被氧化成三氧化硫，使烟气中三氧化硫成分增多，造成空预器冷端硫酸气体增加、吸灰能力变强进而造成空预器堵塞。

空预器受热面结构对空预器堵塞的影响

2×350MW机组锅炉空预器受热面原设计为上下三层换热元件，其结构特点为受热面上下层数多、换热元件波纹板间隙小、层间隔断面积大，如此的结构使空预器在运行中换热元件易堵塞且易堵塞部位点多面广，导致在锅炉燃用非设计煤种烟气灰量大、脱硝催化剂活性降低、暖风器设备状态劣化、吹灰蒸汽含水等工况的综合作用下，使空预器换热元件更容易积灰结垢而导致空预器堵塞。

4 治理措施

根据对火电厂锅炉回转式空预器堵塞的原因分析，结合酒钢宏晟电热公司热电分公司2×350MW机组锅炉空预器的以往的检修维护经验，并借鉴同行业电厂对锅炉回转式空预器运行维护的先进经验，以下从锅炉回转式空预器的设备结构、维护要点、相关设备管理及运行控制等几个方面来梳理锅炉回转式空预器堵塞的治理措施。

4.1通过空预器结构优化治理堵塞问题

热电分公司2×350MW机组锅炉空预器受热面层数多、换热元件波纹板间隙小、层间隔断面积大等易堵塞受热面的缺点，建议将空预器受热面原有的三层换热元件结构改造为两层。即在满足350MW机组锅炉空预器原设计换热效率的基础上，使用大通道波纹板型换热元件对空预器受热面原有的三层换热元件结构改造为两层。由于大通道波纹板型空预器换热元件在设计上考虑了防堵灰的需求，换热元件在运行中具备自输灰能力可防止积灰沉积；同时随空预器换热元件的层数的减少，其层间隔断面积大量减少，极大的降低了空预器换热元件的层间夹灰、夹垢量，从设备结构本身较大的避免了严重了堵塞问题发生。

4.2 通过检修对空预器换热元件进行彻底疏通

热电分公司350MW机组检修的规律通常为单台机组每年度一次小修及一次临检，小修工期18天，临检工期10天。按照以往350MW机组空预器的检修清洗经验，在一次检修中只要对空预器换热元件进行全面彻底的清洗疏通，保证疏通率在95%以上，在机组启动后锅炉空预器前段设备及空预器附属设备参数均正常的前提下，保持对锅炉燃烧的正常合理调整，则空预器是完全能够保持正常的压差参数运行一个检修周期至第二次检修的。以往锅炉空预器清洗有两种方式：一是停止空预器运行后，采用高压清洗车以人工抱枪的方式进行人工清洗，这种清洗方式存在换热元件疏通不均匀、喷枪出口压力低、清洗效果差及清洗人员人身风险高等缺点，往往达不到清洗要求；第二种方法则是采用机械清洗，在空预器内部安装滑轨，并使用可移动式自调喷枪对空预器换热元件实施往复式清洗，同时通过变频手段使空预器转速远远低于正常转速以满足清洗效率，这种清洗方式完全克服了人工清洗的缺点，清洗效果较好，但若清洗水压力过高时会对空预器换热元件造成一定的损坏，这需要在清洗过程中注意。因此，结合机组检修对锅炉空预器实施高压清洗并保证清洗效果是治理锅炉空预器堵塞的一条重要途径。

4.3 保持好空预器上游及附属设备状态，防止空预器堵塞

空预器上游设备主要指锅炉脱硝反应器；空预器附属设备是指锅炉一、二次风暖风器及空预器冷、热端受热面的吹灰系统设备。通过锅炉回转式空预器堵塞的原因分析，我们可知锅炉脱硝反应器催化剂活性严重影响空预器结垢堵塞，对此除按照催化剂使用周期情况定期更换催化剂以保持活性外，还可以通过对脱硝反应器进行烟气流场模拟实验来对氨喷射、混合、导流、整流等装置进行优化，通过实验手段归纳满足NOX排放的合理喷氨量的控制规律；不论是定期更换脱硝催化剂保持活性还是合理喷氨，最终都力求在脱硝系统运行时尽可能降低氨逃逸，从而缓解空预器结垢堵塞。对于锅炉一、二次风暖风器而言，要防止空预器及堵塞则要做好两件事：一是防止暖风器泄漏，二是要保持暖风器换热效果；针对这两方面，可以考虑对暖风器进行改造，将原有的空预器一、二次风入口风道内暖风器改造为抽屉式，运行过程中若暖风器泄漏或换热不良，在不影响风机及空预器正常运行的情况下可将暖风器抽出进行维护，做到保持暖风器运行状态及效率，避免空预器结垢堵塞。

4.4 着眼于空预器下游区域，以技术改造方式防止空预器堵塞

对于锅炉空预器上游设备的治理，不论是脱硝催化剂活性的保持还是寻求合理喷氨量用于调整，归根结底都是从控制氨逃逸量从而避免生成硫酸氢氨方面做文章，但这却无法避免硫酸氢氨在空预器中的存在，因为脱硝系统的氨逃逸量在锅炉尾部烟道中无法被彻底的去除。锅炉烟气经过脱硝反应器和空预器热段后排烟温度降低，硫酸氢氨的物理特性是在180℃-220℃时为粘稠的流动性物质，高过220℃时继续升温则为气态，低于180℃时继续降温则为固态，当排烟温度降低至180℃以下时，在空预器中的硫酸氢氨将在空预器冷段的换热元件上凝固并结垢，因此考虑提高锅炉空预器冷段换热元件的运行温度，改变空预器中硫酸氢氨的结垢区域则成为表面空预器堵塞的方向。通过对锅炉空预器出口尾部烟道安装低温省煤器，并且利用低温省煤器来加热锅炉一、二次风暖风器，则暖风器将极大的提高锅炉空预器冷段入口的一、二次风温度，从而提高空预器冷段温度，进而将硫酸氢氨的液态区域降低至锅炉空预器冷段出口蒸汽吹灰最强的位置，则可通过空预器的日常吹灰将硫酸氢氨去除，来治理锅炉空预器堵塞。

5 结论

综上所述，火电厂锅炉回转式空预器堵塞问题，已成为制约锅炉运行效率、经济性及安全性的重要瓶颈问题，严重时已达到影响机组正常带负荷完成发电任务的程度，因此必须对这一问题加以重视并采取有效措施进行治理。通过本文对此问题的阐述，针对酒钢宏晟电热公司热电分公司2×350MW机组锅炉空预器现状，可得出结论：对空预器受热面结构上将原有的三层换热元件改造为两层；严格按照脱硝反应器催化剂使用周期及定期更换记录对脱硝催化剂进行定期维护以保证催化剂活性；结合机组检修进行脱硝系统烟气流场模拟实验及优化，总结归纳合理的喷氨规律并加以利用；做好锅炉暖风器设备的管理，应通过技术手段对暖风器进行更型改造；做好空预器蒸汽吹灰设备的正确操作与设备管理，保证吹灰蒸汽品质；进行锅炉尾部烟道加装低温省煤器可行性论证，做进一步分析研究；在技术改造手段未成熟形成前，参照以往空预器维护清洗规律，在机组检修期对空预器进行高压射流清洗并确保疏通率合格。

作者简介

陈文（1986-），男，2015年毕业于兰州理工大学，工程师，从事电厂工作。