脱硝空气预热器设计及改造研究
摘要：通过针对锅炉增加脱硝后对预热器的影响分析出发，从防止空气预热器的低温腐蚀和铵盐堵塞、减少漏风和设备结构方面提出脱硝空气预热器设计及改造要点，使预热器更有效地适应脱硝后的工况。
关键词：脱硝系统；空气预热器；烟气脱硝装置；铵盐堵塞
SCR对空气预热器的影响
1.1脱硝过程中硫酸氢氨的产生机理
在SCR系统脱销过程中，烟气在通过SCR催化剂时，将进一步强化SO2→SO3的转化，形成更多的SO3。在脱销过程中，由于NH3的逃逸是客观存在的，它可能在空气预热器处与SO3形成硫酸氢氨，其反应式如下：NH3+ SO3+ H2O→NH4HSO4。硫酸氢氨在不同的温度下分别呈现气态、液态、颗粒状。对于燃煤机组，烟气中飞灰含量较高，硫酸氢氨在146.1C°(295F°)—207C°(405F°)温度范围内为液态；对于燃油、燃气机组，烟气中飞灰含量较低，硫酸氢氨在146.1C° (295F°)—232.2C° (450F°)温度范围内为液态，这个区域被称为ABS区域。
1.2硫酸氢氨对空气预热器运行的影响
（1）气态或颗粒状硫酸氢氨会随着烟气流经预热器，不会对预热器产生影响。相反，液态硫酸氢氨捕捉飞灰能力极强，会与烟气中的飞灰粒子相结合，附着于预热器传热元件上形成融盐状的积灰，造成预热器的腐蚀、堵灰等，进而影响预热器的换热及机组的正常运行。
（2）硫酸氢氨的反应速率主要与温度、烟气中的NH3、SO3及H2O浓度有关。为此，在系统的规划设计中，应严格控制SO2→SO3的转化率及SCR出口的NH3的逃逸率。同时，应重新调整空气预热器的设计结构配置，消除硫酸氢氨对空气预热器运行性能的影响。
（3）在形成液体状硫酸氢氨的同时，也会产生部分硫酸氨。与硫酸氢氨不同，颗粒状硫酸氨不会与烟气中的飞灰粒子相结合而造成预热器的腐蚀、堵灰等，不会影响预热器的换热及机组的正常运行。
1.3硫酸氢氨在预热器中形成区域的分析
硫酸氢氨的形成是有固定的温度区域，在预热器传热元件中该温度区域对应相应的位置区域，此区域统称为ABS区域。通过大量的实验得出结论，NH4HSO4形成的温度区域在：295F°——405F°为LOW DUST，295F°——450F°为HIGHT DUST。对于燃煤机组，ABS区域为距预热器传热元件底部15IN—32IN位置之间。
防止空气预热器的低温腐蚀和铵盐堵塞设计
空气预热器低温段温度较低，容易产生结露，形成弱酸后对换热元件材料进行腐蚀并沾结灰，从而形成低温腐蚀；同时，锅炉尾部烟气脱硝后形成的硫酸氢铵容易沾附在冷段换热元件表面，从而发生盐堵塞；目前的设计方法为将空预器冷段蓄热元件高度由300mm增加至800mm，使硫酸氢铵的结垢区域分布在冷段层内，同时冷段采用搪瓷材料和防堵灰的大波纹的NF6板型，增大冷段搪瓷元件处的烟气流通截面。在设计中，主要采取了以下措施：
2.1选取合理的空预器冷段平均温度
按照美国CE空气预热器设计的平均温度曲线，并按照项目提供的燃料参数查取，预热器的冷段平均温度的选取留有足够的安全裕度 。
2.2空气预热器采用热风再循环加热方式
空气预热器采用热风再循环加热方式，使得环境温度下的冷风在与再循环以后的热风混合后温度得到大幅度的提高，从而使得风侧区域有一个较高的金属壁温，从而提高了冷端的平均温度，防止预热器的低温腐蚀。
2.3取合理的冷段蓄热元件板型及材料
预热器冷段板型及材料的选取也充分考虑了预热器的防结露，抗腐蚀以及堵灰性：空气预热器蓄热元件采用NF6板型，从图中不难看出，烟气在通过冷段蓄热元件时是以层流形式流动的而不是紊流（热端采用紊流），使得蓄热元件不易积灰；同时，冷端传热元件的材料采用搪瓷材料元件，对防止预热器低温腐蚀和铵盐的腐蚀及堵塞都将有着非常大的作用。
2.4保证预热器良好的吹灰效果
针对烟气脱硝后预热器易产生硫酸氢铵堵塞及低温腐蚀，在预热器上部及下部均设置伸缩式蒸汽吹灰器，设计采用350℃、压力1.58MPa的蒸汽为吹灰汽源，从而预防堵塞及腐蚀的发生。同时，采用质量好，有广泛业绩的吹灰器产品以保证预热器良好的吹灰效果。
空气预热器减少漏风设计措施
预热器采用先进的径向—轴向，径向—旁路双密封系统，预热器漏风率均低于6％的设计值。
3.1径向隔板及径向密封片
设计上采用48道径向隔板和径向密封片，使得每两块径向隔板的夹角为7.5°扇形板为15°。在预热器运行时至少就有两块密封片和扇形板形成径向双密封，减小径向的漏风。
3.2轴向密封隔板及轴向密封片
采用48道轴向密封隔板和轴向密封片，每两块轴向隔板之间的夹角为7.5°，而轴向密封板的角度为15°，当预热器运行时至少就有两块轴向密封片和轴向密封板形成轴向双密封，减小轴向的漏风。
3.3新型蓄热元件的设计使用
空气预热器热端蓄热元件采用优质碳钢，所有栏框按双密封要求重新设计为较小包；热端蓄热元件采用碳钢材料，冷端蓄热元件采用小包的低合金耐腐蚀钢材料，对防止低温腐蚀十分有利。
3.4扇形板固定密封装置进行设计改进
将扇形板固定密封装置紧固螺栓的安装方式设计为与扇形板配对攻丝，现场安装时用扳手拧紧即可，不需逐个点焊固定。这样，既可以避免因现场螺栓焊接变形，又可以避免因焊缝过高等因素而引起密封压板的弯曲，导致密封不严的现象。
3.5对空气预热器导向轴承和上梁接合面密封进行优化设计
预热器导向轴承和上梁之间的密封采用多重全密封结构，在密封环下留出了烟气的回转通道。由于烟侧为负压，空气侧为正压，即使有少量烟气漏出，由于压差的作用在通道内流动后也将被吸回到烟气侧，杜绝了此处的外泄漏。减少上梁的积灰。
3.6采用性能可靠的新型密封控制系统
预热器在热态运行时，将会发生蘑菇状变形，从而导致原密封界面的改变。密封间隙控制系统对转子的热态变形能进行自动跟踪控制，采用该系统对减少预热器的漏风状况是必不可少的。自动跟踪系统的关键在于它的可靠性和投入率，漏风自动控制系统的使用，对预热器的漏风控制起到了明显的作用。
3.7预热器冷态预留间隙的预留
预热器对预热器漏风率的控制，是通过热端自动跟踪转子变形，冷端、轴向及旁路密封预留间隙的方法来实现的。对于多密封系统的运行，要取得一个较为理想的密封效果，密封间隙越小越好。因此，除了在预热器变形较大的热端采用间隙自动跟踪系统以保持较小的密封间隙外，对冷端密封间隙的预留也应以其热态运行时密封间隙最小为预留原则。另外，对于冷态密封的预留同时考虑到了空预器运行时的安全性和减小空预器的漏风。
空气预热器结构设计
每台锅炉配两台容克式空气预热器采取立式布置，由置于推力轴承下部的中心驱动装置传动。空气和烟气以逆流方式进行换热。为保证空预器的排烟温度满足锅炉系统的要求，空预器换热元件的总体高度较无脱硝装置的相同空气预热器有所增加。预热器转子采用双密封全模数仓格结构，即每个模数仓格均由两块径向隔板及若干环向隔板组成相对的单件，从而大大减少了工地组装的焊接工作量。
结语
通过针对锅炉增加脱硝后对预热器的影响分析出发，从防止空气预热器的低温腐蚀和铵盐堵塞、减少漏风和设备结构方面提出脱硝空气预热器设计及改造要点，使预热器更有效地适应脱硝后的工况。
参考文献：
[1] 孙海峰，杨广春，高景玉．延长SCR脱硝催化剂使用寿命的措施探讨[J]．华电技术，2009，31(02)：31～32.
[2] 陈新风，朱峰．空气预热器密封间隙监控系统的技术改造[J]．中国电力，2001，29(09)：78～79.
[3] 冯小洁．电站锅炉空气预热器改造方案研究[J]．节能技术，2009，25(11)：13～14.