马大卫，黄齐顺，查智明，李晓洁，程 靖，张其良

(国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601)

燃煤电厂空预器结垢成因分析及处理措施

马大卫，黄齐顺，查智明，李晓洁，程 靖，张其良

(国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601)

对安徽省内一台660MW超超临界机组的空预器冷段垢样和飞灰进行SEM微观形貌分析和XRF、XRD成分分析，并对SCR脱硝反应器出口NOx浓度和氨逃逸分布进行测试。研究发现，该电厂空预器结垢主要是生成粘性液状物硫酸氢铵粘附烟气中的颗粒造成，且垢样成分非常复杂，有一些新的晶体物生成。机组在490MW负荷下，A、B侧反应器出口NOx浓度分布分别为64.9%、66.2%，远大于设计值要求，氨逃逸浓度分别为3.47、6.36μL/L，均超过设计值要求。提出通过定期喷氨优化是解决空预器堵塞的有效方法，对大型燃煤机组的脱硝运行及机组安全稳定运行有一定的指导作用。

空预器结垢；硫酸氢铵；氨逃逸超标；NOx分布测试；形貌分析；喷氨优化

0 引言

随着我国火电建设步伐的加快，控制燃煤电厂NOx的排放已成为电力工业“十二五”环保工作的重中之重。《节能减排“十二五”规划》明确要求火电行业节能减排重点从“脱硫”转向“脱硝”。新颁布实施的文件对火电厂NOx的排放标准提出了≤50mg/m3的更严格要求[1]。截止2015年末，安装脱硝设施的火电机组由0.8亿kW增加到8.3亿kW，NOx排放量得到了明显的控制，火电行业NOx排放量累计下降50%左右[2]。

电厂锅炉增加脱硝工段之后，无疑改变了下游空预器等设备的运行工况：烟道阻力增加、烟气侧压力减小和烟温降低等。我国火电厂机组的脱硝集中改造时间在2012～2014年，脱硝改造在3年时间就走过了脱硫改造7年走过的道路[3]。由于时间短，任务重，大多数电厂在脱硝改造期间均未对改造后的工况进行详细计算并制定切实可行的空预器改造方案，带来了很大的问题，如空预器的堵灰、腐蚀，引风机失速，甚至影响到整个锅炉的运行。当前电厂对空预器结垢主要采用高压水在线冲洗，效果一般，同时对垢样的结构和成分也鲜有研究。

本文对安徽省内1台660MW超超临界机组的空预器冷段垢样和飞灰进行SEM微观形貌分析和XRF、XRD成分分析，同时对SCR脱硝反应器出口NOx浓度和氨逃逸分布进行测试。通过研究发现，该电厂空预器结垢主要是氨逃逸超标生成粘性液状物硫酸氢铵粘附烟气中的颗粒造成的，提出通过定期喷氨优化是解决空预器堵塞的有效方法，对大型燃煤机组的脱硝运行有一定的指导作用。

1 SCR脱硝装置及空预器设计参数

安徽地区W电厂2号机组为1台660MW超超临界机组，SCR烟气脱硝装置及空预器主要设计参数见表1。

表1 W电厂2号机组SCR脱硝装置主要设计参数

项 目数值机组负荷/MW660MW脱硝效率(100%ECR)/%≥80SO2/SO3转化率/%≤1系统阻力/Pa≤800氨逃逸(干基,6%O2)/μL·L-1≤3入口NOx(干基,6%O2)/mg·m-3≤400烟气含尘量(干基,6%O2)/g·m-346.04

2号机组SCR脱硝装置采用高尘型工艺，催化剂按“2+1”方式布置。脱硝设计入口NOx浓度为≤400mg/m3，备用层催化剂未投运时的脱硝效率≥80%，脱硝还原剂为液氨，氨逃逸≤3μL/L，SCR脱硝装置自2012年10月投运近26000h。空预器为豪顿华工程有限公司VN三分仓克容式空预器，外壳高度3190mm。换热元件为三段式结构：热端(HS7，厚0.5mm，深1100mm，低碳钢)；中温端(HS7，厚0.5mm，深1000mm，低碳钢)；冷段端(HS7，厚0.8mm，深300mm，等同考登钢)，总传热面积为128676m2。空预器配置PS-AT型半伸缩式单枪蒸汽吹灰器，用于吹扫换热元件中灰尘，过热蒸汽阀前稳定300～350℃，阀前压力为1.5MPa。

2 空预器垢样和飞灰成分及形貌分析

W电厂2号机组空预器为2009年5月投入运行，机组在SCR脱硝改造时未对空预器进行相应的改造。在SCR脱硝装置运行三年多后，机组在满负荷情况下空预器烟气侧差压高达2kPa左右。2015年12月份对2号机组进行NOx“超低排放”改造，主要是备用层加装一层催化剂，同时对堵塞的空预器冷段换热元件进行了拆除。

W电厂2号机组空预器冷段换热元件上的黑色垢样进行剥离，在扫描电镜(SEM)下进行形貌分析，结果发现空预器垢样在SEM下主要表现为不规则的球状、半球状烟尘颗粒在粘力作用下层层堆积凝固而成不规则聚集体群，垢状物堆积很厚，大颗粒物烟尘彼此相粘，小颗粒物填充其中，烟尘颗粒的直径大约在2～10μm(图1)。可能原因是空预器在长期运行中，冷段换热元件上生成某种粘性液状物，会使烟气中的颗粒粘附在空预器的冷段换热元件上，冷段换热元件经过高温烟气侧和空气侧冷热循环，最终板结成坚硬的垢状物。

图1 W电厂2号机组空预器换热元件垢样扫描电镜

2015年11月19日，对W电厂进行NOx“超低排放”改造前进行性能摸底试验，试验期间采集SCR脱硝装置出口烟气中的颗粒物。利用X射线荧光光谱(XRF)对垢样和烟气中飞灰进行元素分析，结果见表2。

表2 空预器垢样和烟气中飞灰X射线 荧光光谱分析 %

从表中可以看出，相比较于烟气中飞灰，空预器垢样成分较为复杂，14.47%的含量成分未知。垢样中主要成分SiO2、Al2O3所在比例分别为45.54%、22.23%，相对于灰样中两者成分呈现降低的趋势。垢样中SO3为4.41%，换算成硫酸氢铵含量则高达6.34%，而在灰样中SO3均值仅为0.32%，说明垢样中硫酸氢铵主要来自于烟气中。DCS数据显示该机组近三年煤含硫量平均为0.4%左右，为低硫煤，燃烧产生的SO2浓度较低，机组168脱硝性能试验时SO2/SO3转化率平均值为0.8%左右。此外，从表中还可以看出垢样中氯含量为1.33%，我国煤中氯含量较低，平均为0.1%左右，少数煤中氯含量为0.2%～0.35%。垢样中高含量氯与钠有很强的相关性，煤种钠多以氯化钠的形式释放[4]。

图2 W电厂2号机组飞灰和空预器换热元件垢样X射线衍射

图2为利用X-射线衍射分析(XRD)确定空预器垢样和燃烧飞灰产物中的矿物成分，X-射线束在斜角度为0～90°与样品相交。空预器垢样、飞灰中主要成分为多铝红柱石(3Al2O3·2SiO2)[5]，这一成分的峰位置基本上在垢样和灰样中均很好地对应，但在垢样中峰的强度和面积低于灰样中，这与XRF中显示的Al2O3和SiO2含量较低一致。从图中还可以看出空预器垢样在10～35°之间出现一些较多的新衍射峰，除了几个较强的峰鉴别出来主要是钙氨、碳氢高分子态物质外，其他均未鉴别出，显示出空预器在长期间运行中换热元件上灰样沉积并发生复杂的化学反应，这与XRF中14.47%的含量成分未知很好地呼应。根据XRF成分分析显示垢样中硫酸氢铵含量高达6.34%，换热元件上液化的硫酸氢铵吸附飞灰后，换热元件在高温原烟气和冷空气间循环过程中加热、板结、再结晶，可能是形成Ca(NH3)2.1C9过程。飞灰中的粉煤灰和不规则形状的碳质材料被广泛研究，这些粉煤灰中燃烧的碳含量大约是0.3%～2.6%，可能在长时间积累过程中形成 (C6H10O2)n高分子类复合物。

结合SEM、XRF和XRD可以判定该电厂空预器结垢是氨逃逸超标生成硫酸氢铵造成的。可能原因是该机组SCR脱硝长期喷氨不均造成氨氮摩尔混合性差，喷入脱硝反应器的氨气与NOx由于不完全反应，少量逃逸的氨气与烟气中的SO3和H2O在150～230℃时，会在空预器冷段形成半液态NH4HSO4，具有强烈的腐蚀性和粘性，会使烟气中的颗粒粘附在空预器的冷段换热元件上。冷段换热元件经过高温烟气侧和空气侧冷热循环，最终板结成坚硬的垢状物，同时造成空预器积灰堵塞。硫酸氢铵的生成，化学反应如下：

NH3+ SO3+ H2O → NH4HSO4

据日本AKK测试结果，氨逃逸率为1μL/L以下时，NH4HSO4生成量很少，堵塞不明显，若氨逃逸率增加到2μL/L时，空预器运行半年后其阻力增加约30%，若氨逃逸率增加到3μL/L时，空预器运行半年后阻力增加约50%，对锅炉和引风机造成较大影响[5]。

3 SCR反应器出口NOx及氨逃逸浓度分布

2015年11月19日，对W电厂进行NOx“超低排放”改造前进行性能摸底测试，在机组约75%BMCR运行负荷下进行SCR反应器出口NOx及氨逃逸浓度分布测试。反应器A至B方向的测孔位置依次编号为A1、A2……A5和B5、B4……B1，每个测孔内烟气取样深度分别为0.6、1.2、1.8、2.4和3.0m，NOx测试采用德国MRUNOVAplus烟气分析仪。氨逃逸测试选用加拿大优胜M-NH3氨逃逸分析仪，取样深度为1.6m，每个点测试时间为15min左右。

图3 W电厂2号机组SCR反应器出口NOx分布

图3为负荷490MW时脱硝反应器出口NOx浓度分布情况，A侧反应器出口截面NOx浓度最大值为71.8mg/m3，最小值为6.6mg/m3，平均值为38.7mg/m3，NOx浓度分布相对标准偏差64.9%。B侧反应器出口截面NOx浓度最大值58.4mg/m3，最小值8.5mg/m3，平均值为29.1mg/m3，NOx浓度分布相对标准偏差为65.4%。两个反应器出口的NOx浓度均值为34.3mg/m3，相对标准偏差为66.2%，远大于设计值的15%，CEMS测点(分别位于A、B反应器中间)不能代表整个断面的NOx浓度。NOx浓度沿反应器宽度方向(反应器外侧至锅炉中心线)明显呈现外侧高而内侧低的分布特点，烟道表面NOx浓度较烟道底部NOx浓度随着深度加深浓度增加。 在负荷490MW时测试了脱硝反应器出口氨逃逸情况，根据NOx测试结果选择A2、A4、B4和B2点进行测试。结果发现，除了A2孔氨逃逸浓度不超标外，其他3个孔均超标。

试验期间脱硝入口喷氨量分配极其不均匀，局部存在过量喷氨现象，这种现象可以从NOx浓度分布相对标准偏差(CV)上可以反映出来。DCS数据显示，测试期间A、B反应器喷氨支管流量分别为62.66kg/h、73.75kg/h，B侧支管喷氨量大于A侧，导致B侧脱硝效率高于A侧，同时导致B侧出口NOx浓度低于A侧。在实际运行中长期因为喷氨不均匀造成氨氮摩尔比分配不均，外侧点喷氨相对较少，而内侧点喷氨过量造成出口NOx过低和氨逃逸超标，为达到脱硝出口整体NOx浓度降低，SCR脱硝装置长期在过量喷氨条件下运行，是造成空预器冷段换热元件的硫酸氢铵堵塞的主要原因。这一方面影响系统整体的脱硝效率，同时也造成还原剂氨的浪费和排放到大气中造成二次污染。

通过定期喷氨优化试验解决氨逃逸超标和空预器结垢问题[6]。具体操作，在机组90%负荷下，对各喷氨支管的手动氨阀开度进行调节，对支管氨流量重新分配，具体是减小内侧NOx低浓度区域的喷氨量，同时增大外侧NOx高浓度区域喷氨量。先进行反应器宽度方向的粗调，再进行反应器深度方向的细调，直到反应器出口NOx浓度分布相对标准偏差< 15%。然后分别在机组75%负荷和50%负荷下，根据测量结果微调喷氨支管手动氨阀开度，完成不同负荷下的优化过程，以在最大程度上适应锅炉变负荷工况时烟气的变化。

4 结语

通过对机组的空预器冷段垢样和飞灰进行SEM微观形貌分析和XRF、XRD成分分析，和SCR脱硝反应器出口NOx浓度和氨逃逸分布进行测试。结果表明，该电厂空预器结垢主要是氨逃逸超标生成粘性液状物硫酸氢铵粘附烟气中的颗粒造成，垢样成分非常复杂且有一些新的晶体物生成。机组在490MW负荷下，A、B侧反应器出口NOx浓度分布和氨逃逸浓度均超过设计值要求，脱硝反应器通过定期喷氨优化是解决空预器堵塞的有效方法。

[1]国家环境保护部,国家发改委,国家能源局.全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案(环发[2015]164)[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm?_sm_au_=iVVR2PCFSksVLj6H,2015-12-11.

[2]国家环境保护部. 2015年环境保护工作和2016年工作安排与中外媒体交流[EB/OL].http://www.wtoutiao.com/p/2c7GoMv.html,2016-02-18.

[3]火电厂脱硫脱硝瞄准“超净排放”[N].中国电力报,2014-08-07.

[4]靳晓洁.石灰石-石膏湿法脱硫吸收塔中氯离子问题的探讨[J].电力科技与环保,2013, 29(1): 46 - 47.

[5]梁 川,沈 越. 1000MW机组SCR烟气脱硝系统优化运行[J]. 中国电力,2012, 45(1): 41 - 44.

[6]方朝君,金理鹏,余美玲.SCR脱硝喷氨优化与运行控制研究[J]. 电力科技与环保,2015, 31(6): 39 - 42.

Analysis and solution of air-preheater scaling in coal-fired power plants

The scale and fly ash samples of air preheater were analyzed by SEM, XRF and XRD from a 660MW supercritical unit of coal-fired power plant in Anhui province. The concentration of NOxandammoniaintheoutletoftheSCRreactorwerefieldtested.Theresultsshowthatthefoulinginairpreheaterofthepowerplantwasmainlygeneratedbytheadhesionofparticlesoffluegaswithviscousliquidammoniumhydrogensulfate.Thecompositionofscalesamplewasverycomplicatedandthereweresomenewcrystalgenerated.TheconcentrationsofNOxintheoutletofreactorAandBunderthe490MWunitwere64.9%and66.2%,respectively,whichweregreaterthandesignvalue.Theconcentrationsofammoniaescapewere3.47μL/Land6.36μL/L,respectively,whichwerealsolargerthandesignvalue.Themethodofsprayingammoniaregularlyisaneffectivewaytosolvetheairpreheaterclogging,whichcouldbehelpfulforthesafetyandstabilityofunitsinthecoal-firedpowerplants.

scaling in air pre-heater;ammonium bisulfate; excessive ammonia escape; distribution of NOxemissions;ammoniainjectionoptimization;morphologyanalysis

TK223.3

B

1674-8069(2017)02-056-04

2016-09-21；

2016-10-17

马大卫(1983-)，男，安徽庐江人，博士，工程师，从事燃煤电厂环保设施性能优化工作。E-mail:dwma@mail.ustc.edu.cn.