火力发电厂燃煤锅炉畅通节能技术

SO3、炉渣与结垢的控制有助于改善加热率、提高效率及实现燃料灵活性－Santee Cooper，Cross Station的案例研究

Michael B Davis（PE）、William R. Toombs（Santee Cooper，南卡罗莱纳州Moncks Corner市SC 29461，邮政信箱2946101）
及
John Boyle（PhD）、George Hermanas、Howard Benisvy与Kent W. Schulz（Fuel Tech, Inc.（美国燃料技术公司），伊利诺伊州巴塔维亚市IL 60510，Kingsland Dr. 512号）

摘要
一种可用于控制SO3排放不透光性的综合处理方法具有非常好的效果，这已在Santee Cooper的Cross Station得到证实。该厂也存在炉渣和SCR被“爆米花状灰”阻塞的问题，SCR是为控制NOx而使用的。氢氧化镁能够中和SO3及相关的硫酸雾，这些都是引发不透光性问题的根源。除此之外，这种方法还能够减少炉渣沉积物和后端结垢，而这些都能促进SO2向SO3转化。通过采用这种方法，飞灰更易碎，而且更容易从表面清除。将这些结果融合在一起即可提高工厂的效率。因此，除了提供解决排放问题的解决方案之外，该方法还能够实现相当可观的经济效益。
Santee Cooper和Fuel Tech, Inc.在过去一年半的时间中密切合作，以验证畅通节能法™计划的效果。该计划包括显而易见的服务组件，以协助工厂评估效果和寻找解决问题的方法。到目前为止，结果证明：在解决与不透光性相关的问题的同时，投资回报率（ROI）已经超过4比1。

简介
法规因素和经济方面的考虑将继续推动工业界寻求更具成本效益的技术，从而在减少火力发电厂排放的同时，满足不断增长的电力需求。本文的重点是目前在Santee Cooper的Cross Station实施的化学处理计划的效果。该计划的基本目标是控制炉渣/结垢及缓解SO3。
尽管对于SO3的控制及因此导致的不透光性问题通常只会考虑后端处理计划，但是后端法忽视了几个能够增加炉内SO3生成量的主要因素。虽然通过在后端运用化学方法就有可能清除SO3，但是我们可以注意到：由于熔炉所燃烧的燃料中含有越来越多的炉渣，因此SO3含量是始终变化的。水冷壁、过热器后屏、再热器后屏及后端表面上的炉渣含量加大，因此导致SO3的生成量增加，同时保持良好燃烧用空气流速的难度加大。总而言之，清洁的熔炉能够达到更高的运转效率，并减少SO3的生成量。

作为Santee Cooper和Fuel Tech, Inc.共同努力的成果，本文旨在阐述针对不透光性问题而采用的前端解决方案的优点。畅通节能法™计划已被应用了超过一年半的时间，它在经营效益和燃料灵活性两方面都实现了可观的回报。通过如下事实的证明即可确定这一点，即：采用前端法能够降低SO2向SO3的转化率，同时在控制方面达到更高的一致性，从而减少SO3的形成。最终，在针对不透光性控制问题寻求环保解决方案的同时，Santee Cooper还实现了非常可观的节约。畅通节能法™技术改进了设备性能，并通过增强燃料的灵活性得到额外的节约，由此成功地实现了超过4比1的投资回报率（ROI）。
本文将对SO3的缓解、炉渣/结垢的控制、加热率的改善、锅炉效率的提高、灰特性的有利影响以及燃料的灵活性等方面予以阐述和分析。此外，本文还将阐述实现计划的目标而必需采用的核心技术以及检测SO3的试验方法。

计划的目标与背景
Santee Cooper的Cross Unit 1是一个600 MW的前后墙对冲燃烧式机组，它于1995年1月投入商业运营。Cross 1配有分级燃烧低NOx燃烧器。该设备从初次运营开始就一直存在形成“爆米花状灰”的问题。该设备还存在如下问题，即：在熔炉邻近燃烧器的区域，管道变薄，这是因为大气减少所导致的。这些与燃烧器喷口上方结渣、燃烧器失火、炉膛（负压）不稳定及空气加热器阻塞等都属于永久性问题。空气加热器阻塞是因爆米花状灰的形成而导致的。随后，1号设备在2003年通过加装SCR进行改造。因此，爆米花状灰还阻塞了SCR和防护网。SCR于2004年6月开始投入整年度使用。
Cross Unit 2是一个600 MW的四角切圆式机组，它于1983年投入商业运营。2号设备采用强耦合式燃尽风系统，并在2003年通过加装SCR进行改造。SCR于2004年投入整年度使用。从燃烧低熔融性煤开始，Cross 2就出现了炉渣增多及与性能有关的问题。
在2004年之前，1号和2号Cross Unit一直在燃用肯塔基东部的烟煤。大概在这个时候，Cross开始燃用来自一般供应区域之外的煤。鉴于供应问题，针对这种煤已签定合约。这种煤的BTU、硫及铁含量较高。Cross Station还有100%湿型FGD洗涤器，并向当地的水泥厂出售石膏。Cross还向水泥厂和预拌市场出售F类飞灰。

新煤在还原条件下的熔化温度介于2000-2100°F之间。相比之下，以前燃用的煤的相应熔化温度则为2300°F。该锅炉被设计用于燃烧含铁量等于0.56磅铁/106 BTU、在还原条件下的最低熔化温度等于2500°F（软化）的燃料。在基准线和处理期内，最显著的差别是：燃料的平均含铁量大约为1.0磅铁/106 BTU。
Cross 1在满负荷情况下的炉膛出口气体温度（FEGT）非常高，介于2300-2400°F之间。因该煤源变化而产生的主要后果是：过热器后屏上的炉渣生成量增加、燃烧器喷口结渣及水冷壁处形成炉渣。由于含铁量较高，因此底部的灰渣坚硬、致密。这使碎渣机发生过无数次事故，并导致碎渣机损坏。曾使用高压清洗，从而将炉渣破碎成易处理的碎片，这样即可将炉渣从锅炉的灰坑内清除。在许多情况下，不得不将炉渣倾倒在锅炉底部的平台上。
在水冷壁和后屏上形成的炉渣需要通过爆破才能予以清除。有时候，这会导致停炉工作的开始时间延迟24到36个小时。此外，大部分硬质飞灰继续残留，形成爆米花状灰，因此导致SCR阻塞和形成较高的压降。Santee Cooper依赖SCR的在线清洗，在SCR起动的数个星期内由合同人员穿戴“防火服”进行清洗。
在此期间，鉴于硫酸雾的排放，Cross 1和Cross 2还开始出现不透光性的问题。尽管SCR采用了当时可供选择的最低转化催化剂配方，但是在熔炉内还是出现了SO2到SO3的。转化，并因此产生可见的排放物。这个问题对于2号设备尤其严重。排放量似乎随着灰中含铁量的增大而增加。
针对1号设备，畅通节能法™（高活性氢氧化镁Mg（OH）2）技术评估设定了如下目标：
● 减少与SO3相关的不透光性问题；
● 减少爆米花状灰和SCR结垢；
● 显著减少与煤相关的炉渣及结垢问题；
● 提高燃料灵活性。
经过大约四个月之后，提前取得的成功加速了在2号设备上启用相同的计划。

畅通节能法™ 技术
畅通节能法™工艺被设计为一个炉渣和结垢控制计划，它特别针对锅炉的辐射和对流区域。由于该技术针对熔炉的问题区域，而不是简单地将化学物质运用于燃料，因此采用该技术所达到的效果和成本效益都超过了相对不够完善的方法。最新的动态包括：将这种技术用于控制SO3的形成和由此产生的烟囱排放物不透光性较高的问题（因硫酸而导致）以及与这些情形相关的空气预热器结垢等。
化学处理剂与空气和水混和，然后被喷射到烟气之中。“标靶性”区域是依据计算流体动力学（CFD）确定的，由此在已知存在问题区域的情况下确保达到最大的覆盖率。化学制品被添加到烟气中，并针对传热问题区域或者对形成SO3的化学反应有利的区域。这样即可保证：被喷射的物质能够到达问题区域，并得到有效的利用。然后，添加剂在炉渣形成的时候与炉渣发生反应，并能够渗透已有的沉积物，从而影响它们的晶体物理特性。

计算流体动力学（CFD）模拟
畅通节能法™技术利用多个计算流体动力学（CFD）模型，这些模型基于可视化软件系统与相应的虚拟现实联系起来。先进的可视化技术使这些模拟方法变成现实，并真实反映熔炉运转的详细情况。喷射覆盖与剂量图被用于预测化学制品的去向，并确保标靶区域达到最有效的覆盖率。模拟的强大互动性使设计人员能够直观地识别问题，并对设计做出改进。而且，客户也可以参与可视化，并提供真实设备在过去几年中的输入数据或者数十年的历史资料。处理计划的设计及自定义喷射场景的拟定都是虚拟的，并经过评估。

喷射技术
喷射模拟采用特有的模型，它们能够评估反应剂在烟气内的分布。利用互动式喷射模型能够快速优化所需要的液滴滴下轨迹以及由此产生的渗透。然后，在CFD解决方案中采用一个精确的模型，从而准确地确定化学处理的分布。畅通节能法™喷射方法采用各种不同的喷射动态，由此对水冷壁、对流通道和大型熔炉实施处理，参见图1。


图1 美国燃料技术公司关于液滴滴下轨迹的可视化

可视化工具还可以被用于说明在熔炉内可能形成的炉渣及结垢。在这个例子中（图2），所创建的半透明红色等值面旨在显示可能达到的灰熔化温度2,150°F。它将清楚地向操作人员和设计人员显示炉渣和结垢最有可能在哪里首先形成。如果采用喷射化学制品的方法，则将得到一个独特、强大的工具，利用该工具即可对炉渣和结垢实施前所未有的控制。

图2 美国燃料技术公司关于温度面的可视化

化学反应剂
畅通节能法™反应剂是一种稳定的化学稀浆；由于它的表面面积相对较大，因此它具有很强的活性。在使用推荐的处理剂量时，活性越强，效果就越好；同时，由于它具有较高的稳定性，因此可以免除在使用不稳定的化合物时存在的许多操作与进料问题。
在被送达客户场所时，该化学反应剂表现为悬浮浆状，颗粒的粒径为5-8微米。根据CFD和喷射模型的结果，雾化与化学分配系统将在水冷壁、对流通道和熔炉气体等区域达到要求的反应剂覆盖率。
畅通节能法™工艺利用氢氧化镁来改变炉渣的特性，同时缓解SO3的形成。当浆状的氢氧化镁进入熔炉时，它将受到过热处理，并最终形成毫微米级的氧化镁（MgO）颗粒。这些非常微小的颗粒就像气体一样，它们能够与烟气一同行进。这不仅对于炉渣的控制是极其重要的，而且对于SO3的缓解也是至关重要的。
在被快速加热之后，反应剂的性能进一步增强，它迅速开始与已有的沉积物以及沉积物的形成机制（通过晶体形态学）产生相互作用，从而控制炉渣的聚积以及在下游侧的结垢。对炉渣实施的这种控制有助于减少SO3的形成。除此之外，通过酸碱中和反应，对气流进行的处理能够大量减少所形成的SO3。通过控制SO3，硫酸的浓度得以降低，同时烟囱排放物的不透光性问题和预热器结垢等都将得到缓解。

SO3形成的化学原理
硫氧化物（SOx）的形成取决于反应动力学、燃烧温度、燃料的含硫量、灰的成分及空气裕量。燃料中所含的大部分硫在燃烧区内被氧化成SO2。
SO2进一步被氧化成SO3则是通过如下三种机制实现的。
1、SO2在火焰中被氧原子氧化。
SO2 + O ↔ SO3
2、SO2被氧分子氧化。
SO2 + ½ O2 ↔ SO3
3、通过氧分子实现催化氧化。
2SO2 + O2 催化剂 2SO3
其中第三种机制最重要，这是氧化铁和钒通过金属催化氧化产生的结果。在有炉渣或结垢的金属传热表面上的灰颗粒中或者在SCR催化剂中都可以发现这些金属。

后燃烧气体中的SO3将与这些气体中的水分发生反应，并在空气预热器（APH）中形成硫酸。
SO3 + H2O → H2SO4
硫酸在APH的低温金属表面或处于下流侧的设备上冷凝。冷凝的酸能够造成腐蚀性损坏或者直接为灰提供一个聚积场所，并最终导致APH阻塞，而这有可能引发代价高昂的被迫停炉。
如果设备配有基于氨或脲的NOx还原系统，则残余氨与SO3之间的相互作用将是一个决定系统性能的重要因素。对于所有此类系统而言，如果在APH处的SO3浓度较高，则这将限制有效的NOx还原。这是因为：在大约400°F的温度下，残余的NH3与SO3发生反应，并在APH中生成硫酸氢铵。
NH3 + SO3 + H2O → NH4HSO4
硫酸氢铵沉积物具有粘性，非常难以清除，而且还会加速腐蚀及导致严重的空气加热器结垢。

畅通节能法™ SO3控制的化学原理
畅通节能法™反应剂的处理策略是通过如下两种途径控制SO3的形成，即：限制氧化的催化作用；提供一个清洁、高效、并且能够在过剩氧较少的情况下正常运转的熔炉。除此之外，畅通节能法™技术利用SO3收集装置，由此限制或消除硫酸在APH处侵蚀下游侧的影响。
氧化镁与SO3发生反应，并生成硫酸镁，如下所示：
MgO + SO3 → MgSO4
另外，导致生成硫酸的相同环境也允许氢氧化镁和氧化镁与硫酸之间发生典型的酸碱反应。
Mg(OH)2 + H2SO4 → MgSO4·2(H2O)
MgO + H2SO4 → MgSO4·H2O

实例研究：结果与观察
对于受到SO3排放物控制问题困扰的公用事业运营商来说，我们观察的几个现象似乎是具有共性的。其中一个较好的例子就是因硫酸排放而导致的不透光性。通常情况下，不透光性的问题在功率增大的时候更为明显。虽然这是一个具有共性的观察现象，但是潜在的机制、最适宜的控制策略以及最好的检测标准却不是容易找到的。尽管对空气加热器进行检查是非常准确的，但是它只是一种事后观察。在问题出现之前想出预防性解决方案才是更有意义的。

畅通节能法™技术针对如下所述的机制减少SO3和H2SO4：
SO2 + O ↔ SO3
降低熔炉的温度能够达到提高传热效率的效果，从而延缓SO2向SO3的转化。
SO2 + ½ O2 ↔ SO3
清洁的熔炉和对流通道能够减少过剩氧量。
2SO2 + O2 催化剂 2SO3
减少炉渣、结垢和含铁沉积物能够降低SO2的催化转化。
MgO + SO3 → MgSO4
氧化镁具有非常强的活性，能够直接与SO3和H2SO4结合形成硫酸镁。
当采用基于CFD模拟的畅通节能法™技术喷射高活性的氢氧化镁时，结果是非常显著的，但是并不一定是立竿见影的。对锅炉进行调整以及对SCR之后的酸性沉积物进行中和大约需要30天。调整锅炉的初始时间取决于SO3/H2SO4的浓度以及在组成部件和管道系统中发现的酸性沉积物的含量。对SO3进行缓解处理的其中一个目标是：确保对运营造成的影响最小化。畅通节能法™技术也是在时刻谨记该目标的前提下进行设计的。

SO3的检测
就该案例研究而言，我们采用经改良的受控冷凝法对2号设备进行SO3检测，从而得到锅炉内三个不同位置的SO3数据。我们分别在节热器出口、SCR出口和空气加热器出口得到基准数据和采用畅通节能法™处理之后的数据（参见图3）。我们可以观察到：SO3的浓度水平出现了显著的降低，各检测点处SO3的浓度降低分别为46%、66%和56%。


2号设备的SO3浓度（580 MW）

SO3［ppm］ 基准线5.0磅/吨
节热器出口 SCR出口 空气加热器出口

图3 在较高负荷下的SO3浓度

在处理前与处理后的SO3检测值之间表现出显著、一致的差异，这说明：从节热器之前到经过整个空气预热器，畅通节能法™计划实现了SO3的缓解。在SCR出口和APH出口的位置之间，处理前与处理后的两种情况都表现出SO3的大幅降低，这反映了APH内的酸冷凝。在经过处理的烟气中，对不透光排放物有影响的SO3减少了66%。
在负荷降低到430 MW时，从所得到的数据也可以看到相同的结果（参见图4）。在SCR出口处，可以发现SO3减少了69%。


2号设备的SO3浓度（430 MW）

SO3［ppm］ 基准线5.0磅/吨


图4 在430 MW下的SO3浓度

不透光性
与SO3相关的不透光性已得到控制。图5所示的两张照片分别为2号设备采用与不采用畅通节能法™处理的情形。事实上，无论燃料特性和含硫量如何，烟柱均已受到控制。总而言之，畅通节能法™计划对于SO3和H2SO4是非常有效的，它使设备保持清洁，同时改善炉渣和结垢控制。整个设备所产生的SO3减少。这样即可统一降低与SO3相关的不透光程度。


图5 在右侧的照片上，当采用畅通节能法™处理之后，不存在可见的不透光性问题，同时两个烟囱入口处的SO2浓度均达到2.9#/106 BTU

炉渣与结垢控制
在采用畅通节能法™处理计划之前，清除底部的灰及保持清洁的水冷壁是非常困难的。实际上，清除底部的灰需要定期高压喷射，以帮助除灰。碎渣机经常需要日常维修保养，而且克服因无法除灰而导致的性能问题也是非常困难的。如果将熔化温度降低到折焰角温度以下200-300°F，那么在水冷壁、过热器后屏、再热器及折焰角处都将聚集大量的炉渣。
在起动畅通节能法™之后，水冷壁的清洁度和底部灰的处理都有了极大的改善。通过烟灰吹除就能够比较容易地保持水冷壁、过热器后屏、再热器后屏和折焰角的清洁。
在设备的运转方面，第一个显著的改进是碎渣机。由于灰更易碎，因此清除底部的灰变得更加容易。碎渣机的维护保养要求从日常保养降低至常规保养。现在的灰易碎、轻质，而且更易于控制。图6中的图片（A和B）显示了炉渣的显著变化。未经处理的炉渣（如图6A所示）光滑、坚硬、致密。但是图6B中经过处理的炉渣样本具有显著的多孔性，而且致密性有所降低。
炉渣的形成已经得到控制。依靠定期的烟灰吹除即可有效清除炉渣，并保持设备的清洁。Cross Unit 2将在几个位置增加一些吹灰器，以对炉渣实施控制。这些区域目前还没有吹灰器。


图6A采用畅通节能法™处理之前的炉渣 图6B采用畅通节能法™处理之后的炉渣

对爆米花状灰的作用
如前所述，该设备从初始运转开始就存在爆米花状灰的问题。自从在2003年安装SCR之后，节热器的料斗和SCR就经常被爆米花状灰弄脏。为了除灰，节热器的料斗需要定期维护保养。在线清洗（涉及减小负荷）是一种常见的作法。在处理之前的停炉期，这两个方面均已得到改进，以帮助解决锅炉的性能问题。
● 将节热器的出口滤网和SCR整流格栅更换为稍大的网目。
● 对燃烧器进行改进，以改善一次空气的流速和燃烧。
2006年4月，当设备结束停炉再起动之后，燃烧器需要的几处调节花了几个月的时间才结束。最初的目标是首先提高煤粉细度，由此确保燃烧器的调节得以顺利进行。煤粉细度和燃烧器的问题在2006年10月之前得到改善。在2006年4月到2006年10月期间，曾经多次出现显著的降低情形，熔炉O2保持在1.0%或更低的水平，而折焰角的气体温度超过2450°F。从本文后面内容提供的数据可以看出：在该期间，燃料的典型变化仍然存在，熔化温度降低至2000-2100°F左右。
为了阐明畅通节能法™计划对爆米花状灰的生成所产生的作用，图7绘出了通过SCR反应器的压降图。在起动畅通节能法™处理之后，该压降不再增大。
在开始处理之前（从2005年4月到2006年4月），可以看出，在A和B侧的反应器（分别用蓝色和红色符号表示）上，压降经常增大。在开始处理之后，不再出现更多的压降尖峰。爆米花状灰已实现最小化。

由于提高了熔炉的清洁度，减小了切负荷及避免了SCR的清洗，因此设备的可用性和加热率立即得到改善。而且，在起动处理之后，与节热器料斗阻塞相关的所有问题也立即消失。


净MW与SCR的压降

净MW 基准线 TIFI畅通节能法™处理 压降（英寸水柱）


日期
净MW SCR“A”压降 SCR“B”压降

图7 SCR压降表明“爆米花状”灰消失

锅炉的效率与加热率：1号设备
通过畅通节能法™处理，设备的运转稳定性提高，熔炉的效率增大，净加热率得到改进。尽管其中的某些改进可能得益于燃烧器的改造和煤粉细度的调整，但是大部分数据都反映出：传热改进以及炉渣和结垢的显著降低均与畅通节能法™处理一致。
最引人注意的现象是：我们可以看出，与前一年度相比，在处理期间的最大负荷能力平均增长了44.5 MW（净值）。这是通过分析两年的每日最大

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