~SCR脫硝迴轉式空氣預熱器智能在線防堵裝置
一、技術背景
電站鍋爐中 ，燃料燃燒后60%以上的灰分隨鍋爐煙氣向后流動，固態排渣爐中這一比例甚至高達95%，灰分在鍋爐各受熱面上沉積；我國火力發電廠燃用的動力煤質量普遍較差，目前只有11.08%的動力煤經過洗選除灰處理，所以灰分含量較高，受熱嚴重。鍋爐煙氣中攜帶的大量灰分，流過迴轉式空氣預熱器下狹窄的波形板金屬薄片構成的傳熱通道時，吸附性較強的微小灰粒更易沉積下來，堵塞加熱元件，造成積灰、堵灰，對鍋爐運行危害很大。因此，對迴轉式空氣預熱器中堵灰產生的原因和機理進行分析研究，找出有效的防治措施對電廠鍋爐的安全運行具有重要的意義。
二、堵灰的機理
空氣預熱器中的堵灰屬於積灰，它是灰分在空氣預熱器受熱面中沉積、粘附后導致加熱元件通道堵塞的一種極端情況。鍋爐的積灰包括爐膛結渣，高溫燒結性積灰，低溫粘結性積灰及鬆散性積灰。積灰的物質可分3類：①酸腐蝕所產生的腐蝕產物；②鬆散性積灰，直接來自煙氣中的飛灰；③酸與飛灰中的鐵、鈉、鈣等反應形成的硫酸鹽。空氣預熱器的堵灰多為低溫粘結性積灰，3種積灰物質通常都含有。
首先，空氣預熱器中的堵灰，主要是由於煙氣中的硫酸蒸汽凝結在受熱面上，產生低溫腐蝕所致。在金屬受熱面上，沉積的硫酸溶解管壁上的氧化膜（Fe3O4）和金屬鐵（Fe），形成潮濕的腐蝕液，並粘附煙氣中的灰粒，與之發生複雜的化學反應，積灰硬化後生成的硬質灰層即為低溫粘結灰也叫酸性粘結灰。
煙氣中SO3質量濃度在5μg/L以上時，空氣預熱器的低溫腐蝕將很嚴重，同時煙氣中灰粒粘附在腐蝕液覆蓋的潮濕受熱面上，與硫酸結合成硬質灰層的酸性粘結灰也更多。
其次，迴轉式空氣預熱器堵灰的產生與其結構也有很大的關係。迴轉式空氣預熱器轉子中的傳熱元件排列緊密，每m3容積佈置有300~400m2的受熱面，有些元件可達500m2/m3，且傳熱元件層有一定的高度。因此，煙氣中吸附性較強的微小灰粒在這個區域的沉積可能性比鍋爐的其它部分大的多，熱別在受熱密度高的元件及受熱面發生腐蝕時，傳熱元件表面的吸附能力將進一步增強。此時，邊界層的流通阻力也隨着腐蝕而增加，更易發生灰分吸附現象。
同時，流經空氣預熱器的煙氣流速一般較低，特別在空氣預熱器受熱面冷端，其煙溫更低，煙速更慢，通常煙氣溫度只有150~200℃，煙速只有7~8m/s，有些機組甚至更低，更易發生灰粒沉積。因此，積灰總是從空氣預熱器的冷端受熱面開始，逐漸向熱段擴展。且冷端的受熱面積灰越不及時清除，越容易引起熱段受熱面積灰。
在空氣預熱器的煙氣入口段，除了酸性粘接灰的粘結和腐蝕外，還會被從爐內和過熱器區域帶來的燒結灰碎片和渣粒堵塞，影響空氣預熱器正常運行。如果吹灰器洩漏或省煤器管破裂漏水，灰分會變得濕潤，在表面張力作用下粘接成團，致使空氣預熱器堵死，這也是空氣預熱器堵灰的原因。
火電廠機組在安裝SCR裝置時，對部分空氣預熱器（空預器）換熱元件進行了改造。在已投運煙氣脫硝裝置的機組中，改造過的和尚未改造的空預器均出現過因硫酸氫銨堵塞而造成煙側阻力增加的現象，部分空預器改造后還出現了排煙溫度升高，爐效降低的情況。
燃煤鍋爐爐膛內煙氣中的SO2約有0.5%-1.0%被氧化成SO3。加裝SCR系統后，催化劑在把NOX還原成N2的同時，將約1.0%的SO2氧化成SO3。在空預器中/低溫段換熱元件表面，SCR反應器出口煙氣中存在的未反應的逃逸氨（NH3）、SO3及水蒸氣反應生成硫酸氫氨或硫酸氨：
NH3＋SO3＋H2O→NH4HSO4
2NH3＋SO3＋H2O→(NH4)2SO4
當煙氣中的NH3含量高于SO3濃度時，主要生成乾燥的粉末狀硫酸氨，不會對空預器產生粘附結垢。當煙氣中的SO3濃度高于逃逸氨濃度（通常要求SCR出口不大於3μL/L）時，主要生成硫酸氫氨(ABS)。在150～200℃溫度區間，ABS是一種高粘性液態物質，易冷凝沉積在空預器換熱元件表面，粘附煙氣中的飛灰顆粒，堵塞換熱元件通道，增加空預器阻力並影響換熱效果。硫酸氫氨造成的堵塞清除比較困難，嚴重時需停爐進行離線清洗。
三、堵灰的危害
迴轉式空氣預熱器發生堵灰后，其危害主要有：
（1）流通通道變窄，有效傳熱面積減少，傳熱量減小，導致鍋爐熱風溫度下降，排煙溫度升高，鍋爐熱效率降低。
（2）流通截面積減少，煙空氣的流速增加，使空氣預熱器受熱面的磨損加劇。加之堵灰后受熱面沖洗次數增加，更換週期縮短，造成空氣預熱器總體使用壽命下降。
（3）流道面積的減小，灰垢的粗糙等因素使煙、空氣的流動阻力增大，造成空氣預熱器冷端煙、空氣壓差增大，漏風增加。漏風使空氣預熱器煙氣側溫度降低，低溫腐蝕加劇，從而積灰堵灰更嚴重。
（4）流動阻力的增加使引風機需提供更多的壓頭，電耗增大，若引風機超載，鍋爐將被迫減負荷運行，甚至停爐清理。
（5）受熱面傳熱厚度增加，傳熱熱阻增加，灰層的熱阻是金屬的上百倍，因此積灰后受熱面的換熱係數大大降低，傳熱係數減少，致使鍋爐排煙溫度升高，鍋爐效率降低；同時，積灰與低溫腐蝕相互促進，積灰使傳熱減弱后，受熱面壁溫將降低，低溫腐蝕加劇，而且在350℃以下沉積的灰分能吸收SO3,使低溫腐蝕更嚴重，腐蝕又加劇了堵灰。
在啟動階段可燃成分易沉積于傳熱元件上，這時的積灰、堵灰還易造成煙道二次燃燒。
四、堵灰的影響因素
影響空氣預熱器積灰的因素很多，其中燃料性質、飛灰的特性、空氣預熱器結構及鍋爐運行工況為主要因素。
1、燃料特性
對積灰影響較大的燃料成分是灰分、硫分和水分。
（1）灰分對積灰的影響
燃料灰分含量的高低直接影響到鍋爐受熱面積灰的多少。燃料灰分含量越高，受熱面積積灰越多。
灰分的組成成分也決定了灰的沉積程度。灰分的主要成分有：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、Fe3O4、CaO、MgO、Na2O和K2O等，灰分是各組成分的復合化合物或混合物。灰分的不同化學性表現不同的沉積特性：碱性灰的結構鬆散，而中性、酸性灰則更容易粘結成型且不易吹除。空氣預熱器中的積灰多為酸性灰。
灰分在燃燒和其後的流動過程中發生的化學反應也影響到積灰。灰中一些低熔點成分-Na、K、Si、Ca等氧化物及其結合而成的共晶體，在高溫環境中燃燒時會發生昇華，昇華的氧化金屬呈分子狀態，遇到較冷的受熱面發生凝結。由此，部分昇華的灰分到達空氣預熱器后會完成凝結過程而留存於積灰中，然後再與煙氣中的SO3、氧化鋁、氧化鐵等化合，可形成各種硫酸鹽、復合硫酸鹽等。這些硫酸鹽在相應的溫度條件下呈熔融狀態，並具有較大的黏性以這些鹽類為粘結劑，在沉積于空氣預熱器傳熱元件表面后會進一步吸附煙氣中的灰分，在大量捕捉飛灰后，使灰層變厚。此外，燃燒昇華出來的碱性金屬氧化物Na2O和K2O，也易凝結，易與煙氣中的SO3化合形成Na2SO4和K2SO4，易大量捕捉飛灰，並粘結成灰層。
（2）燃料中硫分對堵灰的影響
硫分高時，低溫腐蝕嚴重，空氣預熱器積灰更多，腐蝕金屬還會使灰層變硬。一般折算硫分從0.05%升高到0.3%時，露點可從60℃增加到120℃。當折算硫分達0.5%時，煙氣露點可達130℃，並隨硫分的增加還會進一步提高。燃用較高硫分的燃料，煙氣中的SO3氣體會和水蒸氣結合形成硫酸蒸汽，直接腐蝕金屬。腐蝕后的傳熱元件表面的積灰能力將增強。同時，灰分在吸收硫酸蒸汽后發生的複雜反應更使灰層變得結構緻密。腐蝕形成的傳熱元件表面點狀坑，也將成為吸灰的起始點，腐蝕產生的水分亦更加劇了這一過程。
（3）燃料中水分的影響
燃料中的水分是煙氣中的水蒸氣的主要來源，煙氣中的水分能使煙氣露點提高，低溫腐蝕加劇，各種原因產生的水分在傳熱元件上積聚后，將迅速惡化積灰。水膜直接吸收水分、硫酸氣和SO2在灰中一些催化成分的作用下產生硫酸，增強腐蝕。水分滲入灰層，在灰變干后，灰的密度增加，在層層燒結后變成水泥狀物質而堵塞通道。因此，各種外部水分是堵灰的催化劑，而通過燒結后的水泥狀灰層更不易清除。
2、飛灰特性
飛灰的顆粒大小，磨損性對積灰程度有顯著的影響。
煙氣中飛灰的顆粒直徑大都小於200um，其中10~30um的細小灰粒為多。如果飛灰中的粗顆粒灰少而細小灰粒多，則因沖刷作用小而容易積灰；反之，則積灰較少。運行實踐也証明，液態排渣鍋爐的飛灰量雖不多，但飛灰中的細灰多、粗灰少，故其積灰情況比固態排渣鍋爐還要嚴重。
溫度越低，灰分越硬，磨損性越強；空氣預熱器區域煙溫低，尤其是空氣預熱器的冷段，煙氣溫度通常只有150~200℃，此時，灰分磨損較強。飛灰對受熱面的磨損使空氣預熱器傳熱元件中形成“煙氣走廊”，煙氣流速不均勻，局部流速緩慢處發生積灰、堵灰。因此灰分的磨損對空氣預熱器積灰、堵灰有加劇的影響。燃料灰分多，空氣預熱器傳熱元件磨損大、燃料中的SiO2、Al2O3等磨損性成分含量大時，磨損嚴重。
3、迴轉式空氣預熱器結構
迴轉式空氣預熱器傳熱元件板型、材質、厚度、密封結構對積灰、堵灰都有很大的影響。
迴轉式空氣預熱器的結構形式、尺寸應根據鍋爐的爐型、制粉系統及主要鍋爐輔機（送、引風機，磨煤機）來選取。
迴轉式空氣預熱器的漏風使積灰、堵灰加劇。漏風量越大，煙氣溫度越低，空氣預熱傳熱元件的溫度也降低，低溫腐蝕越嚴重，堵灰越多。堵灰和漏風互相加強，堵灰使流阻增加，煙、風壓差增大，漏風增加。
4、鍋爐運行工況
鍋爐吹灰裝置及水沖洗設備的形式和投運狀態直接影響到積灰、堵灰的程度。
鍋爐啟動及低負荷時投油運行，產生的煙炱、微小油粒及油蒸汽，以及燃煤時煙氣中未燃盡的炭黑粒子，在到達處於低溫區的空氣預熱器傳熱元件中時首先發生凝結，它們的存在將大量吸附煙氣中的飛灰粒子使積灰、堵灰加劇。
鍋爐負荷降低時，空氣預熱器區域煙氣溫度降低，迴轉式空氣預熱器壁溫下降，其受熱面上的冷凝液體量增加，加速了低溫粘結灰的沉積速度，同時使部分原來壁溫不低於酸露點的受熱面移向低於酸露點的區域，從而擴大了低溫粘結灰沉積的區域。如果受熱面壁溫比酸露點溫度高（5~10℃），則不會積低溫粘結灰。此時如發生積灰也是鬆散性積灰。因此，煙氣露點溫度不僅與低溫受熱面的腐蝕關係很大，而且和低溫粘結結灰的形成關係也很大。
同時，鍋爐負荷降低時，煙氣量減少，空氣預熱器區域的煙速下降，積灰加重。故額定負荷時空氣預熱器中的煙速不應過低，一般不低於6m/s。
鍋爐啟動時，迴轉式空氣預熱器的蘑菇形變形使空氣預熱器動靜間隙增大，漏風增加，堵灰加劇。
五、迴轉式空氣預熱器的堵灰與清除
低溫腐蝕與堵灰關係密切，減輕低溫腐蝕的措施有利於減輕堵灰。此外，對迴轉式空氣預熱器還有一些專門的防止積灰堵灰的方法。對於冷端受熱面上的細粒狀沉積和灰垢，可通過改變冷端平均溫度加以控制或由吹灰器裝置加以清除。迴轉式空氣預熱器中還存在熱端堵灰。熱端堵灰是由於從爐膛中煙氣攜帶大顆粒爐渣或安裝過程中建築材料等碎塊嵌入熱端受熱面，並以此為核心，飛灰聚集而造成。