空预器脱硝改造对锅炉性能的影响.docx
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空预器脱硝改造对锅炉性能的影响
专题说明一
空预器脱硝改造对锅炉性能的影响
不论是SCR还是SNCR脱硝方式，都是向烟气中喷入氨水、液氨、尿素等产生氨气的物质，依靠NH3和烟气中的NOx反应，将其还原为氮气。
但是，使NH3完全反应掉是很难的。
残余的氨气成分会和烟气中的SO3和水蒸汽反应，会生成硫酸铵和硫酸氢氨，
硫铵〔（NH4）2SO4〕在预热器段烟气温度范围内（450℃以下）为固体粉末状，而且要在氨气残余成分很高时（一般NH3达数十个ppm体积浓度时）才大量生成，生成的量很微少，包容在灰中，对预热器几乎没有影响。
硫酸氢铵（NH4HSO4）在所有氨气成分的燃煤锅炉烟气中均存在，硫酸氢铵从气态向液态转变的温区正好处在流经预热器部分的烟气温区。
所以在机组增加脱销设备后，必须同步的对预热器进行改造，采用高冷端的镀搪瓷传热元件，并增加双介质的吹灰系统，在预热器进行改造后对锅炉的性能有如下影响：
1.烟气温度的影响
在机组运行脱销系统以后，SCR催化剂提高了SO2向SO3的转化率，因而预热器冷端腐蚀有所加剧。
为保护预热器后面的设备（如静电除尘器、烟道等），适当提高锅炉排烟温度有利于保护这些设备，在烟气中，由于氨气含量很低，烟气成分变化不大，在省煤器出口烟气温度变化不大时，预热器通过追加热端换热面，排烟温度一般不受影响。
但如果冷段堵塞未及时清理，会使排烟温度有所上升，但不足以会危及锅炉安全运行。
在锅炉低负荷工况时，烟气温度降低，氨气逃逸率上升，导致硫酸氢铵沉积带向预热器热端漂移，可能会引起预热器热端堵塞。
故我们一般只计算低负荷及最恶劣工况金属温度场，如此工况满足其余工况必然满足。
2.压差阻力的影响
由于传热元件总高增加，预热器烟空气阻力通常增加150-200Pa，但如果冷段堵灰，阻力上升较明显。
通常在氨气浓度1ppm以下时，硫酸氢铵生成量很少，故预热器堵塞现象不明显，如NH3逃逸增加到2ppm，日本AKK的测试表明，预热器在运行6个月，阻力约增加30%，如NH3逃逸增加到3ppm，预热器在运行6个月，阻力约增加50%。
这对风机的影响较大。
3.对预热器漏风的影响
SCR的使用通常使预热器烟气侧负压增加1Kpa左右。
如使用换热系数不高的传热元件作为冷端元件，为达到同常规预热器相近的排烟温度，需增加预热器换热元件总高，这一般会使预热器烟空气阻力略有上升。
预热器烟空气压力差增加不可避免地造成预热器漏风率上升，通常对30万等级锅炉预热器，计算表明，漏风率增加量为0.5-0.8%；对60-70万等级锅炉预热器，漏风率增加量为0.4-0.6%，由于目前预热器均采用完善的双道密封系统，烟空气压差的影响较早期的单道密封预热器为小，预热器漏风率总体上来讲上升轻微。
4.烟气灰分的影响
烟气中灰分很少时，硫酸氢铵在液相区以液滴形式存在，当燃料灰份/硫份比值小于7时，灰分只能吸附部分硫酸氢铵液滴，但灰粒的黏性非常大，和部分纯硫酸氢铵液滴一起吸附到换热元件表面上；当燃料灰份/硫份比值大于7时，烟气中灰尘在均匀弥散分布时，几乎可以吸附所有硫酸氢铵液滴，此时灰分的黏性也远比无硫酸氢铵液滴时为大。
一般在燃料成分满足灰份/硫份比值大于7时，预热器冷端传热元件入口设防温度可以适当降低，幅度通常是22℃（40F）。
脱硝装置（SCR或SNCR）布置在预热器前部烟道中时，如燃多灰燃料（如煤），称之为高尘布置。
脱硝装置布置在除尘器以后烟道中或在不满足灰份/硫份比值大于7的烟道中（即使在预热器前部）都称为低尘布置。
灰分高并不总是意味着预热器的工况变得安全了。
保证残余NH3在烟气中均匀分布也非常重要，对氨气喷入、反应和离开脱硝装置后的分布均匀性要进行良好控制，避免出现局部过高浓度区。
为保证烟气成分均匀，烟道中采用导流设备是很有必要的。
5.对预热器腐蚀的影响
目前SCR系统所用催化介质最常见的是氧化钛和氧化钒，能使脱硝效率大大提高，但是，部分SO2也同时受其催化转变成SO3，国外纪录到的在SCR催化剂使用寿命内的平均数据是约增加了2-3%的转化率。
对原先常规预热器设计时，对一些低硫煤（折算硫分在1.5%以下），冷端传热元件设计仅考虑采用普通耐腐蚀材料（通常是Corten钢），转化率增加后，将会缩短预热器冷段换热元件使用寿命。
对130℃左右排烟温度的设计，常规预热器冷端腐蚀区仅在冷端100-200mm范围内，在增加了SO3转化率后，硫酸露点通常上升5-10℃，预热器冷端受硫酸腐蚀区将上升到250-450mm，原先普通预热器设定的冷段300mm高度就显得不够了。
因此，预热器转子的一些冷端构件和密封构件（在硫酸腐蚀区工作），必须使用如考登钢、NS1之类的材料，传热元件本身，应尽量使用搪瓷表面。
硫酸氢铵本身的腐蚀性较硫酸为弱。
从国外的使用情况来看，腐蚀也表现为电化学反应，由于其较牢固的粘在元件表面，表现为点状腐蚀，分布在从预热器冷端向上600mm-900mm的范围内（随预热器工作温度情况而变化）。
6.SCR催化剂不同投运阶段对预热器影响分析
SCR催化剂目前各供应商的保证寿命一般为3年左右，但是在SCR投用的开始阶段，由于催化介质活性好，氨气逃逸率可以控制得较低（<2ppm）在良好的完成脱硝任务的同时，对提高SO2转化率的负面影响也较大（最高纪录值是7.7%）。
此时预热器运行面临的主要任务是控制冷端硫酸腐蚀。
在催化剂使用15,000－20,000小时后，活性通常降低三分之一左右，此时如追求高的NOx控制水平，只有增加氨气注入量，从而带来较高的氨气逃逸水平，通常能到5ppm以上，从而生成大量的硫酸氢铵。
通常采用预留催化剂将来层的做法控制氨气逃逸率。
在SCR初投用阶段，投用2层催化剂（也有用3层的），到使用两年后，增加一层新催化剂（共3层或4层同时工作），到使用3年后，更换已到工作寿命的催化剂。
这样能始终将氨气逃逸率水平控制在3ppm以下。
而对SNCR，由于反应效率过低（不到50%），在整个脱硝过程中氨气逃逸率都很高（达50-200ppm以上），对预热器堵灰影响极大，故锅炉系统应尽量避免使用SNCR脱硝方式。
7.投用SCR以后对预热器运行维护的影响
由序6的分析可以得出，随着脱销设备运行的时间越来越长，氨气的逃逸率会越来越大，势必会引起硫酸氢氨的凝结加重，除了在元件选择上采用高冷端的镀搪瓷传热元件，加强吹灰也是保持预热器正常运行的一个必要手段，一种错误的想法是通过提高吹灰压力和吹灰频次来解决积灰问题。
由于过高吹灰蒸汽压力（2Mpa以上）可能使元件开裂，撕裂后的元件弯曲变形，碎片堵塞通道，使得后继的吹灰效果完全丧失，这种方法是完全不可取的。
目前普遍采用的清洗方式是使用双介质（蒸汽和高压水）吹灰器（半伸缩或全伸缩），通常冷端和热端各布置一台。
正常使用时，用蒸汽吹灰，清除位于传热元件上下端面的积灰。
在预热器阻力上升50-60%时，用高压水冲洗。
高压水冲洗在预热器单台隔离状态下可以使用，但仅限于冷端，热端高压水冲洗仅用于在热段层内出现水泥样堵灰物时使用，热态使用水冲洗，不论是高压还是低压水，都会对转子产生很大的温度应力，甚至使转子出现严重不可恢复变形，必须慎重进行。
高压水冲洗的喷嘴是精心选择的。
一般使用小口径（1.5mm左右，水压10-20Mpa），数个喷嘴集中布置以提高清洗效果。
但一次冲洗耗时较长，完全伸缩式需20小时左右（60万机组），半伸缩型时间可以减半（单位时间水量加倍）。
当必须进行冷端在线水冲洗时，必须确保预热器完全隔离。
在转子金属温度冷却到120℃以下时进行。
因为即使用冷端水冲洗，高压水一般能贯穿整个转子而到达预热器上方。
由于预热器在隔离阶段冷却较慢，烟气侧很难完全隔开（挡板并不能做到100%隔离），一种行之有效的做法是设立烟气出口空气旁路，连通冷二次风道和预热器出口烟道，低负荷运行送风机，从而保证预热器转子迅速冷却（一般2-3小时左右）。
更简单的做法是打开预热器烟气侧检修门，使预热器烟气侧压力大于隔离挡板前部烟道，从而阻止烟气在清洗阶段通过预热器转子。
清洗时，被隔离预热器的送风机应打开，以保证吹干转子和维持预热器烟气侧压力高于挡板另一侧。
清洗完毕后应继续用送风吹干转子。
通常的预热器冲洗间隔时间如图4所示。
图4中，由于日本锅炉机组通常使用灰分较低的燃料，硫酸氢铵被灰分吸附不充分，表现为清洗间隔较短；德国机组用煤灰分较高，清洗间隔相对较长。
但是，氨气逃逸率从2ppm上升到3ppm，不论灰分高低，都会使清洗间隔明显缩短。
近年来，日本和欧洲均提出将氨气逃逸率水平控制在2ppm以下，这无疑将对预热器的清洗要求大大降低。
如清洗间隔能控制在10个月以上，预热器清洗可以纳入正常的年度停机检修中。
在停机检修时，由于硫酸氢铵易溶于水，在停炉阶段，先用低压水冲洗装置浸泡一下转子可以大大提高清洗效果。
建议使用大流量水冲洗装置，一方面可以缩短时间，清洗效果也较好。
专题说明二
传热元件专题介绍
1．概述
回转式空气预热器的核心部件是蓄热元件，俗称传热元件。
上海锅炉厂有限公司自1950年代开始设计生产回转式空气预热器，经历了从采用钢丝网作传热元件到高效波纹板为传热元件的全部发展过程。
目前上海锅炉厂有限公司已经拥有十几个系列，近百个品种的传热元件产品，是国内波形品种最多的专业供货商。
我们具有传热元件独立开发能力，拥有传热元件性能测试风洞系统。
本公司拥有三条自动波形板流水线，每年生产各种波形传热元件3万吨以上。
2．主要传热元件波形及其特点
上海锅炉厂有限公司拥有的常规传热元件特性如下表：
表1典型换热元件特性
分类名称
示意图
通道形式
几何特点
换热特点
阻力特性
适应燃料
适用场合
NF3、NF6
封闭
由一块平板和一块通灰槽板组成，无斜纹
单位体积换热面积较少，故换热能力
很差
直通道，阻力系数低
全部
极易堵灰的换热器冷端。
NU、UNU、TC3
开放
交叉纹
优秀
一般
DN、DN3、DUN
封闭
交叉纹
较好
优秀
DL、DL3
开放
松排列斜顺波纹
较好
一般
UNF、TC2
半封闭
波纹板
较好
较好
DU2.4～3.5
开放
传统波型，调整波深能改变性能
较好
一般
DNF、TC1
封闭
一片为直波纹，另一片为波纹板
一般
较好
FNC
开放
宽纯交叉波纹
优秀
较差
图1常用元件换热能力比较
图2常用元件阻力特性比较
3．上海锅炉厂传热元件选择的原则
上海锅炉厂有限公司在选择传热元件时，会考虑到用户的实际情况，从设备长期安全稳定运行的角度出发，适应煤种在一定范围内的变化，确保在使用过程中不堵灰，保持较低的排烟温度，保证在长时间的运行过程中，锅炉的效率保持在较高水平。
而不是像某些公司一样，仅考虑单一设计煤种，在燃料变化后，无法满足机组经济、稳定和安全运行的需要。
元件板型的选择需同时考虑传热效果、流通阻力和堵灰可能三个因素。
采用传热效果好的传热元件能降低制造成本，但是不一定流通阻力小或耐堵灰，造成运行成本上升。
例如某公司在预热器冷段采用HS7、HS8等DU系列波形元件，虽然预热器转子重量变轻，但是当燃料灰分变多，或用于SCR预热器时，很容易造成堵灰，使阻力上升。
传热效果和流通阻力往往构成一对矛盾，因为提高换热效果是通过加强气流通道的局部紊流状况，即加大换热表面波纹密度或倾斜角，但这种方式也同时加大了流通阻力系数。
上海锅炉厂本着对用户负责的态度，在选用波形和煤种的匹配上，有丰富的经验。
在传热元件的选择上的做法是根据燃料的特性选择合适的传热元件板型，通常在预热器热段和中温段选择DU3、DN、DL等波型传热元件，匹配从无烟煤到褐煤燃料，相对于某公司对任何煤种都使用DU系列波形（如某公司的HS7、HS8），能兼顾换热性能和抗堵能力。
考虑中国煤的特点，对高灰煤和褐煤，在预热器冷段，一般的预热器采用阻力小，不易堵灰的NF6波形传热元件；而在SCR预热器中，冷段通常选用具有良好换热效果和封闭流道的TC1型传热元件。
良好地换热效果可以保证在冷段元件高度增加后基本不降低排烟温度，而封闭流道的良好吹灰效果又确保不易堵灰，如图3所示。
图3封闭流道与开放流道吹灰效果对比
上海锅炉厂在进行空气预热器选型时，会计算预热器转子中金属和气体温度场，根据温度场和硫酸、硫酸氢氨的露点温度来确定各层传热元件的高度，并留有一定余量，以适应煤种变化。
这种做法一方面确保了在SCR预热器中硫酸氢氨的沉积区域完全处于冷段传热元件范围内，采用高硫煤燃料时硫酸也完全沉积在冷段层内，避免层间堵灰，提高冲洗效果，又保证了设备的经济型和安全性。
我公司的各类预热器具有良好地抗堵性能。
而有些公司仅以经验数据来确定冷段元件高度，经常会发生余量不足的情况，造成预热器阻力上升，增加用户成本，甚至影响机组的安全运行。
实际运行证明，上海锅炉厂的空气预热器排烟温度更低。
通常排烟温度每降低20℃，锅炉效率提高1%左右。
按此计算，用户的经济效益十分可观，尤其是上海锅炉厂在元件选择上考虑了机组的长期稳定运行，可以确保性能数据的稳定性，更加节省能源。
4．元件框架
上海锅炉厂将传热元件置于篮子框架之中，篮子框架结构简单，重量轻，易于起吊，便于元件的检查和更换等。
篮子框架的形状上下对称，既可免于在安装过程中区分上下端，简化安装过程，又可在设备使用一定时间元件出现腐蚀和磨损时，将元件倒置使用，提高元件使用寿命。
上锅设计的传热元件框架采用全封角设计，因此不会出现安装散包现象。
上海锅炉厂在传热元件的打包过程中采用专用设备控制其压紧力，确保压紧力不会过高和过低。
压紧力过低会使运行中元件松动，碰撞和摩擦易损坏传热元件。
压紧力过高会使元件变形，影响传热和阻力，甚至损坏搪瓷层。
5．镀搪瓷工艺
上海锅炉厂有限公司生产的元件波形板，委托专业镀搪瓷企业进行镀搪瓷加工，可以采用湿法浸镀、干法静电喷涂等各种加工工艺，满足用户不同的要求。
专题说明三
硫酸氢铵腐蚀区域图（温度场计算）
元件配置－－热段：
1000mm高度，冷段1000mm高度
分层名称
位置角
0
17
33
50
66
83
99
116
132
149
165
高度
热段层
0
322
328
332
336
339
342
342.4
344
346
347
348.6
100
314
320
324
328
331
334
336.4
338
340
341
342.6
200
306
311
316
320
323
326
329.2
332
334
336
337.5
300
297
302
306
311
315
318
321.3
324
327
329
331.4
400
287
292
297
301
305
309
312.8
316
319
322
324.7
500
276
282
286
291
296
300
303.7
307
311
314
317.2
600
265
270
275
280
285
290
294
298
302
306
309
700
252
258
264
269
274
279
283.7
288
292
296
300.2
800
239
245
251
257
262
268
272.7
278
282
287
290.7
900
225
232
238
244
250
256
261.1
266
271
276
280.6
1000
211
218
225
231
237
243
249.2
255
260
265
270.1
冷段层
0
224
226
229
232
235
239
242.5
246
250
254
257.7
100
212
214
217
220
223
227
230.5
234
238
242
245.7
200
200
203
206
209
212
216
219.6
223
227
231
234.8
300
186
189
193
196
200
204
207.6
211
215
219
223
400
172
176
179
183
187
191
194.9
199
203
207
210.8
500
157
161
165
169
173
177
181.6
186
190
194
197.9
600
142
146
150
155
159
163
167.5
172
176
180
184.5
700
125
130
135
139
144
148
152.7
157
162
166
170.4
800
108
113
118
123
128
132
137.1
142
146
151
155.6
900
90.4
96
101
106
111
116
120.9
126
131
135
140.2
1000
72.7
78
84
89
94
100
104.8
110
115
120
124.9
表示NH4HSO4沉积区域
表示H2SO4腐蚀区域
专题说明四
密封系统专题
前言
回转式空气预热器的漏风控制历来受到空气预热器的设计和运行人员的重视，近年来新的密封结构不断出现，为电厂的节能减排做出了一定的贡献。
空气预热器的漏风率指标不断刷新，目前国内新投运机组的预热器漏风率普遍降低到6%以下，一些机组甚至达到了4%以下的国际领先水平。
采用不同的漏风控制手段，虽然目标都是降低漏风率，但其在设备配置、运行、维护等方面的投入是不同的。
一些手段虽然能使漏风率明显下降，但所配套的设备又增加了新的能耗，其综合节能效果值得商榷。
一、控制漏风的原理
预热器的漏风产生原因有两种：
直接漏风和携带漏风。
1.直接漏风
由于烟空气压差引起的漏风叫直接漏风，发生在惰性区密封间隙处。
根据漏风部位，直接漏风分热端和冷端径向漏风、轴向漏风、热端和冷端中心筒漏风，热端和冷端旁路漏风。
计算公式为：
Ld＝K·A·（ρ·ΔP/Z）0.5
式中，K为阻力系数，A为漏风通道截面积，ρ为各产生漏风部位的实际空气密度，ΔP为泄漏缝隙两侧的压力差，Z为密封道数。
根据公式可以看出，通过减小漏风通道截面积A、减小泄漏缝隙两侧的压力差ΔP、增加密封道数Z的方法可降低直接漏风。
2.携带漏风
转子转动会将积存在预热器转子内部的空气和烟气随转动携带到下一分仓，其中携带的空气，通常称为携带漏风。
计算公式为：
Le＝n·V·ρavg
式中，n为转子转速，V为转子内部空腔空间，ρavg为转子内部空气平均密度。
根据公式可以看出，通过减小转子转速n、减小转子内部空腔空间V的方法可降低携带漏风。
二、减小漏风的措施
1.多道密封
采用多道密封减小漏风的形式原理在于降低直接漏风压差。
双道密封即属于这种方式。
双道密封设计的转子密封板，覆盖了两个完整的转子格仓，密封区始终存在两道密封，因此漏风压差只有传统设计单道密封的一半。
在此基础上目前又发展出了三道密封技术，即进一步缩小转子格仓大小，如转子采用48个甚至更多仓格，使得密封板可以覆盖3个转子仓格，保证密封区始终有三道密封，进一步降低漏风压力差。
考虑不增加空气阻力需要，一般只在空气和烟气之间的密封区采用三道密封。
多道密封结构如图1所示。
图1多道密封结构
因为直接漏风和密封道数的平方根成反比，收益为从单道改到双道最明显，可将直接漏风降低约（10.5-（1/2）0.5）/10.5*100%=29%；三道密封能在双道密封的基础上再降低漏风率约（（1/2）0.5-（1/3）0.5）/（1/2）0.5*100%=18%。
由于预热器的漏风率中80%左右为由烟空气压差引起的直接漏风。
如原漏风率为10%，双道密封可以降低总漏风率（10%*80%）*29%=2.32%.漏风率从10%降到7.68%；三道密封可以降低总漏风率（7.68%*80%）*18%=1.10%.漏风率能降到6.58%；
以60万机组双道密封漏风率6%为例，采用三道密封比双道密封降低0.5%的漏风率，可使一次风机、二次风机和引风机总的电流每台炉约降低5A左右，按6kV，3相计算，降低电耗52kw，每年按投运7000h计，电价按0.32元/度计，节电费用11.6万元。
一个大修期内（5年），节电费用58万元。
2.间隙跟踪装置
采用间隙跟踪装置减小漏风的形式原理在于减少漏风通道截面积。
对直径12米以上的预热器，转子蘑菇型变形幅度很大，热端径向漏风占总漏风的一半以上，采用热端不可调设计是不合理的。
如一百万机组，转子变形达55mm，不采用扇形板间隙跟踪装置，热端径向漏风将超过直接漏风的一半。
新型LCS采用了提升装置和扇形板采用铰接避免机械设备损坏、采用带机械放大器的接触式传感器来降低事故损坏率，上锅早就淘汰了不可靠的电涡流传感器，还新开发了采用烟气温度信号来控制扇形板位置的新型系统（没有传感器），已有5年以上连续使用业绩。
目前本公司在近300台60万以上机组上使用LCS，投运率达95%以上。
间隙跟踪装置结构如所示。
图2间隙跟踪装置结构
通常30万机组配备间隙跟踪装置仅降低0.8%～1%的漏风率；60万机组配备间隙跟踪装置可降低1.5%～2%的漏风率；100万机组配备间隙跟踪装置能降低2%～2.5%的漏风率。
对60万机组，以降低2.5%漏风率计算，可以使风机电流合计下降25A（6kV电机）左右，3相计算，降低电耗260kw，按照年运行7000h计算，可以年节约耗电182万kwh，按照电价0.32元/kwh计算，每台机组年节约发电成本58万元。
一个大修期内（5年），节电费用290万元。
因此具有非常明显的经济性。
3.焊接静密封
对可调设计密封板机构，密封板两侧的静密封设置为两片钢板滑移模式，存在的间隙势必造成一定的漏风。
如放弃采用可调密封板设计方案（在小型预热器上使用较多）直接将扇形板侧面焊接到预热器壳体上，或在密封板和预热器壳体之间设置波纹节（用于大型预热器，密封板板仍然可以保留在运行阶段调节功能），则能够完全消除这部分漏风。
由于没有静密封漏风，不需要经常检修密封板。
当长期运行（一个大修期后）使密封片发生磨损或更换密封片时，扇形板内部的调节螺栓可保证迅速调节扇形板水平度，而不需要调动所有密封片，大大加快检修进程。
通过将预热器的静密封采用完全焊接结构来实现（密封板不可调），能将预热器的漏风率指标稳定到在整过密封片使用寿命周期内，漏风率上升不超过2个百分点。
保持预热器的漏风稳定是该技术的又一特点。
图3焊接静密封结构
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