SCR对空预器的影响分析

SCR对空气预热器的影响分析*1罗 志西安热工研究院有限公司2013年12月17日主要内容*2一、绪论*3l随着NOx排放标准火电厂大气污染物排放标准（GB 13223-2011 ）的颁布，火电厂将执行更为严格的NOx排放标准，而SCR技术以高脱硝率、几乎无二次污染等优点，将成为控制NOx排放的主流技术。在近几年火电厂进行的脱硝改造中，几乎都是使用的SCR技术。随着SCR脱硝系统的运行，空气预热器的阻力呈现增加的趋势，部分电厂出现空气预热器严重堵塞而不得不停机清洗的问题。客观的讲，当火电厂进行SCR或者SNCR烟气脱硝改造之后，空气预热器阻力增加的问题是不可避免的，如果电厂运行操作不当是极有可能出现空气预热器严重堵塞的问题。本报告从技术层面上对空气预热器堵塞的机理进行分析，对造成空气预热器堵塞的影响因素逐一进行分析，提供了空气预热器堵塞的判定准则，最后对减轻空气预热器堵塞的方法进行了论述。 二、空气预热器堵塞的机理*4l在火电厂空气预热器烟气环境下，SO3和NH3会发生以下两个反应生成硫酸铵和硫酸氢铵：l 2NH3+SO3+H2O(NH4)2SO4=ammonium sulfate（AS）l NH3+ SO3+ H2ONH4HSO4=ammonium bisulfate（ABS）-造成空预器阻力升高和堵塞l 逃逸氨浓度：3ppm（不是平均值）l SO3浓度：燃烧和灰中钒氧化物附着在受热面上催化生成，0.51.5%生成SO3；l 催化剂催化生成：催化剂中的活性成分V2O5，SO2 SO3小于1% 。二、空气预热器堵塞的机理*5l通常硫酸铵呈颗粒状，颗粒状硫酸铵不会与烟气中的飞灰粒子相结合而造成空气预热器的腐蚀、堵灰等，不会影响空气预热器的换热和机组的正常运行。但是硫酸氢铵在一定的温度区间呈现液态，会捕捉烟气中的飞灰，附着在空气预热器的换热面上，从而造成空气预热器的阻力增加甚至堵塞。l在燃烧中高硫煤机组的SCR系统中，通常进入空气预热器的烟气中SO3的浓度相对于逃逸氨浓度较多。（除非是SCR系统催化剂活性降低之后，逃逸NH3相对于SO3较多）。这种较多的SO3浓度利于硫酸氢铵的生成，容易造成空气预热器的堵塞。同时，国外电厂的运行经验表明，在燃烧中高硫煤机组SCR系统中，如果氨逃逸浓度超过23ppm时，空气预热器将会堵塞。二、空气预热器堵塞的机理*6图1硫酸铵（AS）和硫酸氢铵（ABS）生成区域与SO3、NH3浓度和温度的关系需要指出一点：硫酸氢铵生成的温度受到SO3和NH3浓度的影响，但此温度并不代表空预器发生堵塞的温度。415(213)二、空气预热器堵塞的机理*7l硫酸氢氨在不同的温度下分别呈现气态、液态、颗粒状。只有液态的硫酸氢铵附着在空气预热器受热面上会捕捉烟气中的飞灰从而照成空气预热器的堵塞。而空气预热器堵塞的位置与不仅与液态硫酸氢铵的生成温度，在很大程度上也与烟气中的飞灰浓度大小相关。当烟气中飞灰浓度较低时（通常是在除尘器之后或是湿法脱硫系统中），发生硫酸氢铵沉积导致堵塞的区域的温度与图1中硫酸氢铵生成的温度较为一致；但是当烟气中飞灰浓度高于4g/Nm3时，空气预热器开始发生堵塞的温度区间为300375（150190）（此研究结果来自于EPRI，1998）。二、空气预热器堵塞的机理*8l进入空气预热器的烟气中含有10ppmSO3和3ppmNH3，根据图1可知硫酸氢铵生成的温度为415（213）。l硫酸氢铵污垢开始沉积的温度为375（190）l可以看出，从离冷端大概40inch（1000mm）的位置开始发生硫酸氢铵的污垢沉积；而离冷端26inch（660mm）的地方是硫酸氢铵污垢沉积开始温度与空气预热器受热元件最高温度曲线相交的位置，在26inch高度以下的受热元件的温度总是低于硫酸氢铵污垢沉积开始的温度。而在26inch（660mm）40inch（1000mm）之间的受热元件并不总是处于375（190）以下，所以并不会呈现强烈的堵塞趋势。图2 某空预器ABS区域与各参数的关系图4个换热段：300mm, 900mm, 300mm, 300mm二、空气预热器堵塞的机理*9l随着对于硫酸氢铵堵塞机理的进一步研究表明：1、硫酸氢铵的沉积主要受到进入空气预热器的烟气中NH3和SO3浓度、烟气流速、烟气温度和换热元件表面温度的影响；2、对燃煤机组，烟气中飞灰含量较高，硫酸氢氨在146207温度范围内为液态，容易捕捉烟气中的飞灰形成空预器的堵塞；对于燃油、燃气机组，烟气中飞灰含量较低，硫酸氢氨在146232温度范围内为液态，容易形成空预器堵塞；3、硫酸氢铵发生沉积的温度区间一般在空气预热器的中间受热面。 三、空气预热器堵塞的判定准则*10l由于空气预热器的堵塞主要是由于液态硫酸氢铵的沉积造成，而液态硫酸氢铵的形成和烟气中的SO3、NH3、烟气温度、空气预热器受热面温度等相关，所以Burke和Johnson在1982年提出了一个能够预测空气预热器堵塞严重程度的经验公式：三、空气预热器堵塞的判定准则*11l沉积系数（DN）=（NH3）×（SO3）×（TAbs-Trep）l式中：（NH3）为烟气中NH3的体积浓度，ppm；（SO3）为烟气中SO3的体积浓度，ppm；TAbs为NH4HSO4的生成温度，；Trep=0.7×Tcold-end+0.3×Texit gas，为空预器出口特征温度，；Tcold-end为空预器冷端受热面温度，；Texit gas为空预器出口烟气温度，。l当DN30000，空气预热器堵塞可能性较大。三、空气预热器堵塞的判定准则*12l例如某厂在进行SCR改造后，发现空预器差压增加速度较快，10天内空预器差压增加的幅度是过去未进行SCR改造10个月内差压增加幅度的两倍。经调研发现，该厂近期锅炉燃烧的是高硫煤，硫份达到4%。经计算沉积系数为22486，属于中度偏上堵塞的可能性。序号项目数值单位1逃逸NH3浓度3ppm2SO3浓度54ppm3硫酸氢铵初始形成温度2244空气预热器出口烟气温度1305空气预热器冷端受热面温度66表1某电厂空预器中烟气和受热面参数表三、空气预热器堵塞的判定准则*13l尽管我们可以使用Burke和Johnson在1982年提出的沉积系数计算方法来预测空气预热器的堵塞情况，但是此公式的精确性有待于进一步的验证，可以通过对各电厂SCR系统出口烟气参数、空预器换热器的温度特性等参数进行调研，得出结论。四、空气预热器堵塞影响因素分析*14l硫酸氢铵在空气预热器受热面上的沉积是影响空气预热器堵塞的直接原因。而影响空气预热器堵塞的主要因素有以下两方面：l1、空气预热器中烟气中NH3和SO3的浓度；l2、空气预热器本体结构。四、空气预热器堵塞影响因素分析*15l一、空气预热器中烟气中NH3和SO3浓度的影响分析l对于SO3 l1、煤种的硫份，直接影响燃烧生成的SO3数量； ；l2、烟气中飞灰的无机成分（主要是钒，会随飞灰附着在金属受热面上对SO2转化为SO3有催化作用） l3、SCR催化剂中钒的含量，同样对SO2转化为SO3有催化作用。四、空气预热器堵塞影响因素分析*16l一、空气预热器中烟气中NH3和SO3浓度的影响分析l对于NH3 l1、进入催化剂之前NH3/NOx混合均匀性； l2、烟气温度，不能过高或过低； l3、SCR催化剂的催化活性。四、空气预热器堵塞影响因素分析*17l除了以上因素，锅炉燃料的其它特性也会影响NH3、SO3和ABS的形成。影响最大的因素有：（1）氮、氧和挥发分（影响NOx的生成）；（2）氯，增加了空气预热器的腐蚀；（3）飞灰中的氧化钙和氧化镁，会影响SO3的浓度；（4）钒，主要存在于燃油设备中，会增加SO2的氧化。由于煤种这些物质含量不同，会影响烟气中的NOx含量，从而需要对SCR系统做出相应的调整，如果运行操作不当的话就会造成逃逸氨的增加。 。四、空气预热器堵塞影响因素分析*18l二、空气预热器本体结构的影响分析l1、换热元件的类型l回转式空气预热器的换热片通常有两种形式：开式和闭式。四、空气预热器堵塞影响因素分析*19l二、空气预热器本体结构的影响分析l1、换热元件的类型l所有商业运行的回转式空气预热器的换热元件都是由换热片按照一定的顺序组成供流体通过的通道来传递热量。如图示出的一种闭式换热片（型号：Notched Flat 6mm）。闭式换热片是由一系列凹型金属片倚靠在平板上构成，这种结构结构分隔出很多个独立的流体通道，气体从这些通道流过时，相互之间不接触。四、空气预热器堵塞影响因素分析*20l二、空气预热器本体结构的影响分析l1、换热元件的类型l双波纹式换热片（DU）是一种典型的开式换热元件，如图4所示。这种换热元件波纹状的换热片之间相互搭接，不形成独立的流体通道，气体从开式换热元件通过时相互之间可以接触。四、空气预热器堵塞影响因素分析*21l二、空气预热器本体结构的影响分析l1、换热元件的类型l开式或是闭式换热元件的选择受到多种因素的影响。从吹灰效果的角度来看，闭式换热元件的吹灰效果要比开式换热元件的吹灰效果好。这是因为对于闭式换热元件，吹灰介质的能量能够有效的集中在某个通道内，而不会扩散到相邻通道内，这样会得到更好的吹灰效果。而对于开式换热元件，吹灰介质的能量会扩散到相邻通道中，沉积物受到的吹灰能力相对就弱一些。 四、空气预热器堵塞影响因素分析*22l二、空气预热器本体结构的影响分析l2、换热段的长度/特性（单层或是分层）l加热元件的长度和使用单层或是分层的换热元件影响到硫酸氢铵沉积的严重程度。空气预热器的冷端、中间段和热端换热元件的长度直接影响到空气预热器的温度特性。这个温度特性直接决定了硫酸氢铵的沉积位置。一般来说，较短的中间段换热元件有更高的堵塞可能性。四、空气预热器堵塞影响因素分析*23l二、空气预热器本体结构的影响分析l2、换热段的长度/特性（单层或是分层）l传统的空气预热器设计冷端的长度只有12inch（300mm），从德国开始，然后是日本和美国相继增加了冷端的长度至48inch（1200）。这样修改的目的是确保硫酸氢铵生成的温度区间和酸露点温度都在同一个换热元件内。当然必须要注意的是空气预热器换热元件的温度特性受到了很多因素的影响：元件的材料、口径和旋转速度，这些在换热元件设计时都必须考虑进去。 四、空气预热器堵塞影响因素分析*24l二、空气预热器本体结构的影响分析l2、换热段的长度/特性（单层或是分层）l另一方面，由于层与层之间存在机械破坏，当流体通过两层之间的分界面时，会产生扰动，这种扰动有利于硫酸氢铵沉积物的形成。所以在进行空预器受热面分层设计时，要避免层与层之间的分界面在硫酸氢铵沉积的区域处。有分层的空气预热器中，上游换热器模块的尾部边缘和下游换热器模块的前部边缘都是容易发生沉积的区域。四、空气预热器堵塞影响因素分析*25l二、空气预热器本体结构的影响分析l3、换热元件的材料选择l由于空气预热器中换热元件暴露在易腐蚀性、含尘的烟气环境下，所以换热器元件的材质选择必须谨慎。在前些年，碳钢和低合金耐腐蚀钢（LACR）被广泛的用来制作换热器元件。但是后来发现在硫酸氢铵容易生成的区域使用镀搪瓷材料能够降低硫酸氢铵的沉积速率和酸的腐蚀速率。镀搪瓷的换热元件主要有以下优点： 。四、空气预热器堵塞影响因素分析*26l二、空气预热器本体结构的影响分析l3、换热元件的材料选择-镀搪瓷材料的优点：l卓越的耐腐蚀能力l高强的耐机械和热冲击能力l耐气流冲刷和磨损能力五、空气预热器堵塞的预防和治理方法*27l客观的讲，逃逸氨在SCR烟气脱硝系统中是不可避免的，而SO3的体积在SCR烟气脱硝系统中也必然是会有所增加，而生成硫酸氢铵的温度区间恰好与空气预热器中换热元件的温度区间有重叠。所以当火电厂增加SCR脱硝系统之后，在空气预热器中必然会有硫酸氢铵的出现。但是优秀的SCR脱硝系统设计、空气预热器系统设计和良好的运行操作维护是可以很大程度减轻或者避免硫酸氢铵对空气预热器的负