~SCR脱硝回转式空气预热器智能在线防堵装置
一、技术背景
电站锅炉中 ，燃料燃烧后60%以上的灰分随锅炉烟气向后流动，固态排渣炉中这一比例甚至高达95%，灰分在锅炉各受热面上沉积；我国火力发电厂燃用的动力煤质量普遍较差，目前只有11.08%的动力煤经过洗选除灰处理，所以灰分含量较高，受热严重。锅炉烟气中携带的大量灰分，流过回转式空气预热器下狭窄的波形板金属薄片构成的传热通道时，吸附性较强的微小灰粒更易沉积下来，堵塞加热元件，造成积灰、堵灰，对锅炉运行危害很大。因此，对回转式空气预热器中堵灰产生的原因和机理进行分析研究，找出有效的防治措施对电厂锅炉的安全运行具有重要的意义。
二、堵灰的机理
空气预热器中的堵灰属于积灰，它是灰分在空气预热器受热面中沉积、粘附后导致加热元件通道堵塞的一种极端情况。锅炉的积灰包括炉膛结渣，高温烧结性积灰，低温粘结性积灰及松散性积灰。积灰的物质可分3类：①酸腐蚀所产生的腐蚀产物；②松散性积灰，直接来自烟气中的飞灰；③酸与飞灰中的铁、钠、钙等反应形成的硫酸盐。空气预热器的堵灰多为低温粘结性积灰，3种积灰物质通常都含有。
首先，空气预热器中的堵灰，主要是由于烟气中的硫酸蒸汽凝结在受热面上，产生低温腐蚀所致。在金属受热面上，沉积的硫酸溶解管壁上的氧化膜（Fe3O4）和金属铁（Fe），形成潮湿的腐蚀液，并粘附烟气中的灰粒，与之发生复杂的化学反应，积灰硬化后生成的硬质灰层即为低温粘结灰也叫酸性粘结灰。
烟气中SO3质量浓度在5μg/L以上时，空气预热器的低温腐蚀将很严重，同时烟气中灰粒粘附在腐蚀液覆盖的潮湿受热面上，与硫酸结合成硬质灰层的酸性粘结灰也更多。
其次，回转式空气预热器堵灰的产生与其结构也有很大的关系。回转式空气预热器转子中的传热元件排列紧密，每m3容积布置有300~400m2的受热面，有些元件可达500m2/m3，且传热元件层有一定的高度。因此，烟气中吸附性较强的微小灰粒在这个区域的沉积可能性比锅炉的其它部分大的多，热别在受热密度高的元件及受热面发生腐蚀时，传热元件表面的吸附能力将进一步增强。此时，边界层的流通阻力也随着腐蚀而增加，更易发生灰分吸附现象。
同时，流经空气预热器的烟气流速一般较低，特别在空气预热器受热面冷端，其烟温更低，烟速更慢，通常烟气温度只有150~200℃，烟速只有7~8m/s，有些机组甚至更低，更易发生灰粒沉积。因此，积灰总是从空气预热器的冷端受热面开始，逐渐向热段扩展。且冷端的受热面积灰越不及时清除，越容易引起热段受热面积灰。
在空气预热器的烟气入口段，除了酸性粘接灰的粘结和腐蚀外，还会被从炉内和过热器区域带来的烧结灰碎片和渣粒堵塞，影响空气预热器正常运行。如果吹灰器泄漏或省煤器管破裂漏水，灰分会变得湿润，在表面张力作用下粘接成团，致使空气预热器堵死，这也是空气预热器堵灰的原因。
火电厂机组在安装SCR装置时，对部分空气预热器（空预器）换热元件进行了改造。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铵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。
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)。在150～200℃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。硫酸氢氨造成的堵塞清除比较困难，严重时需停炉进行离线清洗。
三、堵灰的危害
回转式空气预热器发生堵灰后，其危害主要有：
（1）流通通道变窄，有效传热面积减少，传热量减小，导致锅炉热风温度下降，排烟温度升高，锅炉热效率降低。
（2）流通截面积减少，烟空气的流速增加，使空气预热器受热面的磨损加剧。加之堵灰后受热面冲洗次数增加，更换周期缩短，造成空气预热器总体使用寿命下降。
（3）流道面积的减小，灰垢的粗糙等因素使烟、空气的流动阻力增大，造成空气预热器冷端烟、空气压差增大，漏风增加。漏风使空气预热器烟气侧温度降低，低温腐蚀加剧，从而积灰堵灰更严重。
（4）流动阻力的增加使引风机需提供更多的压头，电耗增大，若引风机超载，锅炉将被迫减负荷运行，甚至停炉清理。
（5）受热面传热厚度增加，传热热阻增加，灰层的热阻是金属的上百倍，因此积灰后受热面的换热系数大大降低，传热系数减少，致使锅炉排烟温度升高，锅炉效率降低；同时，积灰与低温腐蚀相互促进，积灰使传热减弱后，受热面壁温将降低，低温腐蚀加剧，而且在350℃以下沉积的灰分能吸收SO3,使低温腐蚀更严重，腐蚀又加剧了堵灰。
在启动阶段可燃成分易沉积于传热元件上，这时的积灰、堵灰还易造成烟道二次燃烧。
四、堵灰的影响因素
影响空气预热器积灰的因素很多，其中燃料性质、飞灰的特性、空气预热器结构及锅炉运行工况为主要因素。
1、燃料特性
对积灰影响较大的燃料成分是灰分、硫分和水分。
（1）灰分对积灰的影响
燃料灰分含量的高低直接影响到锅炉受热面积灰的多少。燃料灰分含量越高，受热面积积灰越多。
灰分的组成成分也决定了灰的沉积程度。灰分的主要成分有：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、Fe3O4、CaO、MgO、Na2O和K2O等，灰分是各组成分的复合化合物或混合物。灰分的不同化学性表现不同的沉积特性：碱性灰的结构松散，而中性、酸性灰则更容易粘结成型且不易吹除。空气预热器中的积灰多为酸性灰。
灰分在燃烧和其后的流动过程中发生的化学反应也影响到积灰。灰中一些低熔点成分-Na、K、Si、Ca等氧化物及其结合而成的共晶体，在高温环境中燃烧时会发生升华，升华的氧化金属呈分子状态，遇到较冷的受热面发生凝结。由此，部分升华的灰分到达空气预热器后会完成凝结过程而留存于积灰中，然后再与烟气中的SO3、氧化铝、氧化铁等化合，可形成各种硫酸盐、复合硫酸盐等。这些硫酸盐在相应的温度条件下呈熔融状态，并具有较大的黏性以这些盐类为粘结剂，在沉积于空气预热器传热元件表面后会进一步吸附烟气中的灰分，在大量捕捉飞灰后，使灰层变厚。此外，燃烧升华出来的碱性金属氧化物Na2O和K2O，也易凝结，易与烟气中的SO3化合形成Na2SO4和K2SO4，易大量捕捉飞灰，并粘结成灰层。
（2）燃料中硫分对堵灰的影响
硫分高时，低温腐蚀严重，空气预热器积灰更多，腐蚀金属还会使灰层变硬。一般折算硫分从0.05%升高到0.3%时，露点可从60℃增加到120℃。当折算硫分达0.5%时，烟气露点可达130℃，并随硫分的增加还会进一步提高。燃用较高硫分的燃料，烟气中的SO3气体会和水蒸气结合形成硫酸蒸汽，直接腐蚀金属。腐蚀后的传热元件表面的积灰能力将增强。同时，灰分在吸收硫酸蒸汽后发生的复杂反应更使灰层变得结构致密。腐蚀形成的传热元件表面点状坑，也将成为吸灰的起始点，腐蚀产生的水分亦更加剧了这一过程。
（3）燃料中水分的影响
燃料中的水分是烟气中的水蒸气的主要来源，烟气中的水分能使烟气露点提高，低温腐蚀加剧，各种原因产生的水分在传热元件上积聚后，将迅速恶化积灰。水膜直接吸收水分、硫酸气和SO2在灰中一些催化成分的作用下产生硫酸，增强腐蚀。水分渗入灰层，在灰变干后，灰的密度增加，在层层烧结后变成水泥状物质而堵塞通道。因此，各种外部水分是堵灰的催化剂，而通过烧结后的水泥状灰层更不易清除。
2、飞灰特性
飞灰的颗粒大小，磨损性对积灰程度有显著的影响。
烟气中飞灰的颗粒直径大都小于200um，其中10~30um的细小灰粒为多。如果飞灰中的粗颗粒灰少而细小灰粒多，则因冲刷作用小而容易积灰；反之，则积灰较少。运行实践也证明，液态排渣锅炉的飞灰量虽不多，但飞灰中的细灰多、粗灰少，故其积灰情况比固态排渣锅炉还要严重。
温度越低，灰分越硬，磨损性越强；空气预热器区域烟温低，尤其是空气预热器的冷段，烟气温度通常只有150~200℃，此时，灰分磨损较强。飞灰对受热面的磨损使空气预热器传热元件中形成“烟气走廊”，烟气流速不均匀，局部流速缓慢处发生积灰、堵灰。因此灰分的磨损对空气预热器积灰、堵灰有加剧的影响。燃料灰分多，空气预热器传热元件磨损大、燃料中的SiO2、Al2O3等磨损性成分含量大时，磨损严重。
3、回转式空气预热器结构
回转式空气预热器传热元件板型、材质、厚度、密封结构对积灰、堵灰都有很大的影响。
回转式空气预热器的结构形式、尺寸应根据锅炉的炉型、制粉系统及主要锅炉辅机（送、引风机，磨煤机）来选取。
回转式空气预热器的漏风使积灰、堵灰加剧。漏风量越大，烟气温度越低，空气预热传热元件的温度也降低，低温腐蚀越严重，堵灰越多。堵灰和漏风互相加强，堵灰使流阻增加，烟、风压差增大，漏风增加。
4、锅炉运行工况
锅炉吹灰装置及水冲洗设备的形式和投运状态直接影响到积灰、堵灰的程度。
锅炉启动及低负荷时投油运行，产生的烟炱、微小油粒及油蒸汽，以及燃煤时烟气中未燃尽的炭黑粒子，在到达处于低温区的空气预热器传热元件中时首先发生凝结，它们的存在将大量吸附烟气中的飞灰粒子使积灰、堵灰加剧。
锅炉负荷降低时，空气预热器区域烟气温度降低，回转式空气预热器壁温下降，其受热面上的冷凝液体量增加，加速了低温粘结灰的沉积速度，同时使部分原来壁温不低于酸露点的受热面移向低于酸露点的区域，从而扩大了低温粘结灰沉积的区域。如果受热面壁温比酸露点温度高（5~10℃），则不会积低温粘结灰。此时如发生积灰也是松散性积灰。因此，烟气露点温度不仅与低温受热面的腐蚀关系很大，而且和低温粘结结灰的形成关系也很大。
同时，锅炉负荷降低时，烟气量减少，空气预热器区域的烟速下降，积灰加重。故额定负荷时空气预热器中的烟速不应过低，一般不低于6m/s。
锅炉启动时，回转式空气预热器的蘑菇形变形使空气预热器动静间隙增大，漏风增加，堵灰加剧。
五、回转式空气预热器的堵灰与清除
低温腐蚀与堵灰关系密切，减轻低温腐蚀的措施有利于减轻堵灰。此外，对回转式空气预热器还有一些专门的防止积灰堵灰的方法。对于冷端受热面上的细粒状沉积和灰垢，可通过改变冷端平均温度加以控制或由吹灰器装置加以清除。回转式空气预热器中还存在热端堵灰。热端堵灰是由于从炉膛中烟气携带大颗粒炉渣或安装过程中建筑材料等碎块嵌入热端受热面，并以此为核心，飞灰聚集而造成。