容克式空气预热器受热面堵灰分析和对策

0 前言
容克式空气预热器通常布置在锅炉的尾部烟道内，通过布置在转子中的传热元件吸收尾部烟气的余热，加热流过转子的空气，达到预热空气和降低锅炉排烟温度的目的。在这个区域，空气预热器烟气进口温度通常只有380℃—400℃左右，有些机组甚至更低。
容克式空气预热器转子中的传热元件排列紧密，每立方米容积布置有300m2—400m2的受热面，有些元件可达500m2／m3，且每台空气预热器均有一定高度的传热元件层。因此，在空气预热器中，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得多。特别在用受热面密度较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，更易发生吸灰现象。
流经空气预热器的烟气速度一般较低，特别在空气预热器受热面冷段，该处烟温更低，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段受热面开始，然后逐渐向热段扩展。且冷段的受热面积灰越不及时清除，越易引起热段受热面积灰。按积灰的起始点，用于清洁受热面的吹灰器一般布置在冷段。当燃用高灰分煤质时，可在热段也布置吹灰器。同时、冷段的传热元件宜采用当量直径较大的无倾斜式大波纹板、以减小该区域的烟空气流通阻力。

1煤质
电站锅炉大部分是以燃用固体燃料——煤为主，我国电站锅炉燃用的煤质中，烟煤占主要比重，且大部分灰分较高。燃料的性质对积灰的影响很大，与之相关的煤质成分是灰分、硫分和水分。
灰分在炉内高温下结渣，在受热面中造成磨损和积灰，排人大气造成污染，硫在燃烧后除了大部分变成SO2，还生成少量SO3。SO3使烟气中水蒸汽凝结温度(露点)大大升高，形成硫酸凝结而造成腐蚀，烟气中的SO2排人大气，使大气污染。水分可降低炉内温度，不利着火，增加锅炉排烟热损失，烟气中的水蒸汽与SO3结合形成硫酸气，腐蚀金属并使灰层变硬。这些煤质中有害成分的含量，是决定空气预热器堵灰程度的主要因素。
灰分是燃煤质量管理的主要指标。燃煤灰分在15—20％是中等的，灰分达30％时，属高灰分煤。灰分的成分主要有SiO2、A12O3、Fe2O3、FeO、CaO和MgO，此外还有SO3、Na2O和K2O等。
烟气中末燃尽的炭黑粒子、燃油时的烟怠、微小油滴及油蒸汽，在到达处于低温区的空气预热器传热元件中首先发生沉积和凝结。灰中一些低熔点成分——Na、Ca、K、Si等氧化物，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，遇到较冷的受热面即冷凝。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。然后再与烟气中的三氧化硫、氧化铝、氧化铁等化合，可形成各种硫酸盐。对多Na、K、Ca的燃料，就形成正硫酸盐，复合硫酸盐及焦硫酸盐等。这些硫酸盐在相应的温度条件下呈熔状，并具有较大的粘性。以这些盐类为粘结剂，在它们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，使灰层加厚。此外，燃烧升华出来的碱性金属氧化物K2O和NaO也易凝结，易与烟气中的SO3化合形成K2SO4及Na2SO4，亦大量捕捉飞灰，并粘结成灰层。
灰分中一般SiO2含量很多，它和CaO、MgO、FeO等形成共晶体外还有多余，称为自由氧化硅。煤质中的CaO、FeO如果增多，那么一部分自由SiO2和它们一起形成熔化温度很低的共晶体，它不但使灰分总的熔化温度受其影响而降低，亦使灰呈显很高的磨蚀性，因此，灰分中的SiO2含量越高，磨蚀性越大。此外，灰分中A12O3含量也在一定程度上决定磨损性。同样的，A12O3含量越高，灰的磨蚀性也越大。
锅炉燃料灰分的高低和烟气的飞灰成正比，燃料硫分的高低对积灰也有直接影响。一股折算硫分从0.05％升高到0.3％，露点温度可从60℃增加到120℃。当折算硫分达0.5％时，露点温度可达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气体会和水蒸汽结合形成硫酸气，直接腐蚀金属。腐蚀后的传热元件表面的吸灰能力将增强。同时，灰分在吸收硫酸气后发生的复杂反应更使灰层变得结构致密。腐蚀形成的元件表面点状坑，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。因此，堵灰和腐蚀是密切相关的，它们会相互影响，不断恶化。
通常，灰的性质决定灰的沉积程度，碱性灰结构较松散，而中性、酸性灰则更易粘结成形而不易吹除。
锅炉燃料中的水分除了在燃烧时影响燃烧效率，使尾部烟道中水蒸汽分压增大，提高烟气露点外，还可恶化积灰。各种原因产生的水分在传热元件上积聚后，将迅速恶化积灰现象。水膜直接吸附水分、硫酸气和二氧化硫，在灰中一些催化成分的作用下产生硫酸，增强腐蚀。水分渗入灰层后，在灰变干后．灰的密度增加，在层层烧结后变成水泥状物质加厚灰层而堵塞通道。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。
综合上述分析，引起空气预热器受热面堵灰可归纳为两个因素：
(1)外部因素：燃料的灰分浓度、SO2浓度和NH3浓度。
(2)内部因素：传热元件波型、吹灰和水冲洗状态。

2受热面堵灰的危害
空气预热器受热面发生堵灰后，对空气预热器有百害而无一利，其主要表现为：
(1)直接影响传热元件的传热效果。灰层的热阻是金属的上百倍，因此积灰后的受热面换热系数大大降低，引起传热系数减少，从而导致热风温度下降，排烟温度上升，降低锅炉效率。
(2)堵灰后烟空气流通阻力增大，造成空气预热器冷端烟空气压差增大，使漏风增加。
(3)堵灰造成空气预热器局部区域流通停滞，局部区域流速增加，磨损加剧。同时堵灰后性能下降，受热面冲洗和更换周期缩短，空气预热器总体使用寿命下降。
(4)堵灰可引起风机阻力增大，增加能耗，也影响锅炉出力。
(5)可燃成分在启动阶段时易沉积于传热元件上，引起设备火灾。

3 对策
引起空气预热器受热面堵灰与锅炉燃用的燃料特性以及与进入空气预热器的烟温、烟速和烟气性质等有关。另外，如果所选取的受热元件波形不适、吹灰达不到要求或外部水分带人等堵灰内部因素存在时，即可导致空气预热器受热面的堵灰。
空气预热器的堵灰和腐蚀问题历来是空气预热器设计和运行所关心的问题，它的机理和对策一直在不断探索之中。尤其是近年来，世界上工业发达国家对环保要求的不断提高，解决大气污染问题所采用的环保设备等的广泛采用，对空气预热器的堵灰和腐蚀问题提出了新的探索要求。各国从事空气预热器的科技人员也已做了大量工作，取得了很多有益的经验。目前，较直接的措施是针对燃用煤质配以空气预热器特殊的传热元件，并采用有效的高压吹灰装置及水冲洗设备，极大地改善了空气预热器受热面的堵灰现象。在这方面，现已积累了许多良好的运行实例。
近几年中，一些空气预热器制造公司对传热元件的研究投入了大量精力，开发的新型元件不但具有较好的传热特性，且有使气流畅流的当量直径。
由烟、空气阻力计算可得：元件当量直径减小将使烟空气阻力值增大。如下式：

△hg——烟、空气阻力；
k——修正系数(一般为1．2)
λ——摩擦阻力系数；
H——受热面高度；
——当量直径；
hg——烟、气动压头。
某电厂的2台600Mw机组空气预热器采用不同形式的传热元件，在两台炉同样清洗后重新投入运行时，当量直径小的元件空气预热器阻力上升快，可在短期内形成堵灰，堵灰状况也易于恶化，为了改善受热面堵灰，电厂停炉冲洗的周期也必然缩短，由此而引起的费用增加。
一些新型传热元件的几何形状具有良好的混合效果，使烟气和灰的混合反应加速，使得中和作用更加有效。在转子热段层中的灰粒可与烟气强烈混合，导致硫酸蒸汽的中和，以致于使用这些元件时，当排烟温度降低5—10℃时，冷段传热元件亦很清洁。这个结果对容克式空气预热器设计具有重要的意义。由此，烟气中硫酸含量不再限制空气预热器的设计性能。代之于烟气水露点将作为最低传热元件金属平均温度的限值，这大大提高整个电站的效率和经济性。
粘结灰是空气预热器堵灰中较难清除的堵灰之一，美国空气预热器公司标准推荐，在元件选择时，除了分析煤种性质，关注煤质灰分含量外，还特别提出煤质灰分中的K2O和Na2O的含量，把K2O和Na2O含量大于2％的燃料定义为劣质煤，其对策是特殊的传热元件(如DL型、DN型等)及特殊的吹灰及水冲洗方式(上下高压吹扫、冲刷等)，以解决空气预热器的堵灰问题。现国内的某电厂600Mw机组空气预热器，这部分由上海锅炉厂有限公司制造的DL型传热元件，使用期已达10年，目前使用情况仍良好。至今，上海锅炉厂有限公司已为国内不少电厂配过DL型传热元件，在解决空气预热器堵灰方面均收到了良好的使用效果。
吹灰和水冲洗是清洁空气预热器受热面的主要手段，符合要求的定期吹灰和冲洗为防止受热面堵灰起积极作用。最常用的方法是高压蒸汽吹灰和高压水冲洗。一段情况下，在受热面冷端烟气侧布置吹灰器，燃料灰分较高时，同时在热端布置吹灰器，上下对应吹扫。高压水冲洗可用清水或碱水。目前有些电厂改用爆炸装置来解决空气预热器受热面堵灰问题。这类设备虽然在空气预热器受热面清洗后使用的短期内有些效果，但亦存在不少隐患。加国内某电厂使用氢氧爆破后，震碎传热元件片，碎金属片带至尾部除尘器，将除尘器堵塞。笔者认为：在使用这类装置时，必须注意：①分清锅炉的燃煤性质，对于有粘结灰倾向的饥组不宜采用。②爆炸力不致损坏传热元件。③提高装置现场使用的安全性。

4建议
在空气预热器设计时，制造厂须充分考虑对付堵灰的办法，特别是新型波纹的传热元件的使用，配之与特殊的高压吹灰和水冲洗，使锅炉在燃用多灰分煤质时，受热面仍保持良好的清洁状态，大大延长了元件的使用寿命，同时也稳定了空气预热器漏风。这里，为了防止堵灰，对于空气预热器的运行，亦作以下几点建议：
(1)正确安排吹灰，确保锅炉投运时，吹灰器可以按要求正常投入运行。通常刚积聚的灰分结构松散易于吹去，因此必须及时投运吹灰器。每台锅炉用煤不一样，灰量可有差异，吹灰时间和周期也要因锅炉而异。特别在启动阶段，为减少可燃物的沉积，防止发生火灾，更应连续投运吹灰器。
(2)吹灰介质和参数应符合要求。吹灰介质中含有的任何水汽成分都会损害它在空气预器吹灰的有效能力，且构成堵灰的潜在因素。为防止吹灰蒸汽凝结，应确保蒸汽过热度。介质压力是保证穿透的条件，但为了保护元件，吹灰压力不宜高于推荐值，否则会撕裂元件。
(3)受热面清洗时，应保证清洗彻底干净。因为局部未清洗净的灰分在重新投运后会发生烧结而更难去除。同时这部分灰还会在其上方通道堵灰而加剧堵灰。
(4)清除一切水分在元件上积聚的可能性。水冲洗管、吹灰管疏水应彻底，预热器上部构件的清洗水不能通过预热器排放。另外，清洗后的空气预热器转子必须要吹干后才能投入使用。
(5)预热器前方的烟道布置不合理，可引起空气预热器磨损不均。产生的烟气走廊，可导致传热元件局部堵灰和局部严重磨损。在这种现象发生时，应装设导流设备均匀烟气流。
(6)在燃用燃料变化时，应相应修改吹灰周期，如原吹灰设备不能满足新燃料的要求时，应及时更新或增加吹灰装置。



容克式空气预热器的常见问题及改进措施(发电设备2001-6)
2.2 防止堵灰和低温腐蚀的措施
烟气中的SO2和SO3在排烟温度低于露点温度时就会形成结露和硫酸液，硫酸溶液—方面会粘住烟气中的飞灰形成堵灰，一方面又与金属材料发生化学反应形成腐蚀。所以要防止堵灰和低温腐蚀，从外部来讲，可以进行炉前和炉中脱硫，并进行低氧燃烧，抑止SO2和SO3的生成．对预热器来讲、就要提高金属壁温和使用耐腐蚀材料。
2.2.1 提高金属壁温
提高金属壁温的方法有提高排烟温度，采用暖风器，实行热风再循环。这些方法都切实有效，可以减轻低温腐蚀和堵灰，但是都以增加排烟损失、降低锅炉效率为代价。我们认为提高预热器排烟温度与使用前置式热管预热器联合起来比较理想。因为热管预热器将烟气和空气隔开，烟气侧温度高而且稳定，不易结露。例如，把空气预热器排烟温度提高到160℃，然后再利用热管预热器把烟气从160℃冷却到130℃，这样既能防止预热器低温腐蚀和积灰，又能防止排烟损失增加和漏风率回升。
2.2.2 选用耐腐蚀材料
低温腐蚀主要发生在空气预热器冷端，因而冷段受热面可以使用耐腐蚀材料，如COR—TEN钢、搪瓷和陶瓷材料等。这些材料国内都有专业生产厂家COR—TEN钢是一种低合金高强度钢，耐硫酸腐蚀性能比不锈钢强得多，在一般情况下，回转式空气预热器的冷段受热面都使用COR—TEH钢。搪瓷传热元件一般用于燃油和燃烧含硫量特高煤种的锅炉空气预热器，搪瓷传热元件的耐蚀性能是COR—TEN钢的5—6倍。济南锅炉厂为广东省南海市A电厂制造的200MW燃油锅炉空气预热器就是热瑞受热面采用Q215—A钢，中间层采用COR—TEN钢、冷端采用搪瓷波纹板。