回转式空气预热器系统及其工作方法与流程

本发明涉及回转式空气预热器，尤其是其中关于防止硫酸氢铵堵塞的设计。

背景技术：

回转式空气预热器是电站锅炉重要的热交换设备，通常采用转子(包含蓄热元件)转动方式，高温烟气和冷空气逆流换热。当烟气流经转子时，烟气将热量释放给蓄热元件，烟气温度降低，实现烟气热量的利用。当蓄热元件旋转到空气侧时，又将热量释放给空气，空气温度升高。热空气进入炉膛可以提高燃料的燃烧效率。对于煤粉炉，部分热空气用于煤粉制备及送粉。

回转式空气预热器按烟道和风道的格仓数量有二分仓、三分仓、四分仓等型式，目前全球有两万套左右数量的机组在服役。空气预热器系统的设备构成包括中心主轴、模数仓格、蓄热元件、烟道、风道、上支撑梁、下支撑梁、壳体、膨胀支座，支撑轴承组件、导向轴承组件、保温及外护板、电驱动装置、轴承润滑系统、火灾报警系统、消防系统、水冲洗系统、吹灰系统等。

回转式空气预热器的性能指标包括换热效率、烟气侧阻力、空气侧阻力、漏风率、防堵塞能力等。

空气预热器的漏风会导致排烟热损失部分增加，同时增加送、引风机的电耗，过高的漏风会造成送风机、引风机的出力达到极限，漏风更严重时会造成风机喘振，锅炉不能带满负荷运行。

空气预热器的漏风控制技术，主要从降低密封片两端的压差和减小漏风带面积两方面采取措施。目前主流应用的技术包括接触式多重柔性密封、漏风自动控制系统、四分仓空气预热器等。

根据gb13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》标准要求，自2014年以来火力发电燃煤锅炉氮氧化物排放物执行100mg/nm³的排放限值，随着近年来较多的火力发电厂再次进行超净排放改造，该排放限值为50mg/nm³。为了满足上述指标，scr/sncr脱硝装置广泛应用，在降低nox排放的同时不可避免的造成氨逃逸，逃逸氨进入空气预热器后与水蒸气和三氧化硫发生化学反应生成硫酸氢铵。脱硝装置的催化剂提高了二氧化硫生成三氧化硫的转化率，对下游设备造成更加不利的影响。

当空气预热器的换热元件金属壁温处于硫酸氢铵的液相温度区间时，硫酸氢铵易冷凝沉积在空气预热器换热元件表面，并粘附烟气中的飞灰颗粒，堵塞换热元件通道。当硫酸氢铵沉积温度区间覆盖两层换热元件的金属壁温时，换热元件分层处的硫酸氢铵吸附飞灰结垢形成严重的堵塞，即使吹灰蒸汽和高压水也难以清理。空气预热器换热元件表面积灰或发生堵塞会造成差压上升，增大送引风机的能耗，同时也会降低换热元件的换热效率。

硫酸氢铵造成空气预热器发生堵塞是世界性难题，已严重影响锅炉机组运行的安全性和经济性。空气预热器因堵塞严重不得不进行水冲洗清理而造成非计划停机，水冲洗费用动辄数十万元，加上机组的起炉燃油费用以及机组启停对锅炉承压部件的寿命损耗，评估的经济损失将达到数百万元。

目前解决硫酸氢铵堵塞空气预热器的主要措施包括：①依据燃料特性选择大波纹独立封闭通道的空气预热器冷段换热元件板型；②计算换热元件在各负荷工况下的换热元件金属壁温，选择足够的冷段换热元件高度并考虑适度的高度裕量，将硫酸氢铵的沉积温度区间布置在冷段换热元件内；③冷段换热元件内的积灰用蒸汽吹灰方式或在线高压水冲洗方式清除或缓解；④控制脱硝装置氨的逃逸率；⑤空气预热器入口烟道进行流场计算并设置均流板，确保进入空气预热器通流表面的灰尘浓度均匀，避免灰尘局部集中；⑥确保吹灰蒸汽的过热度不低于130℃，压力不高于1.6mpa；⑦空气预热器停炉水冲洗后应强制通风12～36小时，彻底干燥换热元件表面。⑧每次停炉检修应坚查空气预热器内部冲洗水管、消防水管有无渗漏，检查暖风器有无泄漏。

通过热媒水介质加热器-烟冷器系统、烟冷器系统等提升空气预热器进口空气温度以整体提升换热元件金属壁温从而使得硫酸氢铵沉积温度区间下移的技术也有应用，例如于2017年7月11日公开的公告号为cn206320726u的“一种基于机炉深度耦合的火电厂尾部烟气余热利用系统”，可有效缓解硫酸氢铵造成的堵塞，但排烟温度也会同步上升20～60℃，再通过烟冷器回收热量。该两种系统的烟冷器金属耗量十分巨大，且烟冷器由于处在低温环境下的腐蚀和堵塞问题同样无法避免。

通过提升空气预热器的冷段综合温度以防止硫酸氢铵堵塞的方案也有较多的应用。例如，于2016年9月28日公开的公布号为cn105972632a的“燃煤电厂空气预热器热风逆流防堵及腐蚀的系统及其工艺”、于2018年3月13日公告的公告号为cn207094650u的“一种防硫酸氢铵堵塞的回转式空气预热器”，上述几项专利均为抽高温烟气或一次风热风或二次风热风送入空气预热器空气侧(一次风或二次风)进口，该方法对于防止低温腐蚀有较好的效果，但对于缓解硫酸氢铵的腐蚀和堵塞效果有限，对于抽烟气系统增压风机的能耗较大。

于2018年3月27日公开的公布号为cn107842872a的“回转式空气预热器及其减漏风防堵塞的方法”，是通过在一次风和二次风侧临近烟气的位置各隔离出一个“加热仓”。系统需要设置高温高压风机，风机的出口压力需高于空气预热器出口一次风、二次风的压力，系统投运时风机的能耗较大。

于2019年8月13日公布的公开号为cn110118361a的“一种防硫酸氢铵沉积的五分仓回转式空气预热器及其工作方法”中，将空气预热器的空气侧分为四个仓格，加上烟气侧1个仓格共5个仓格，实现对硫酸氢铵沉积区域的控制。其方法的实现要通过一套复杂的风机、管道、声波吹灰器系统，结构较为复杂。

技术实现要素：

为了提高二分仓、三分仓或四分仓型式的回转式空气预热器的可靠性，本发明所要解决的技术问题是通过对空气预热器的烟气仓格进行分隔，辅以相应设置有增压风机的管路，提供一种具有更低的漏风率，并具有在线清除低温硫酸腐蚀堵灰及硫酸氢铵堵塞功能的回转式空气预热器系统及其工作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：回转式空气预热器系统，包括出口烟道和连接在出口烟道上的空气预热器，空气预热器内设置有空气预热器转子，空气预热器转子上设置有换热元件；空气预热器内包括烟气侧仓格和空气侧仓格，所述烟气侧仓格被分隔成相互独立的两个相邻仓格，即常规烟仓和清堵烟仓，按空气预热器转子的转动方向，其中的清堵烟仓布置在烟气侧的转向的末端，常规烟仓和清堵烟仓的冷端烟道和热端烟道之间分别连接有第一联络烟道和第二联络烟道，第一联络烟道上设置有第一控制阀，所述出口烟道还通过设置有增压风机的抽气烟道与清堵烟仓的冷端烟道连接。

通过布置小梁、扇形板及进、出口烟道等部件的方式，以与将空气仓进行分格类似的技术手段，可将烟气仓分为完全独立的两个仓，常规烟仓和清堵烟仓，由于增压风机的存在，可将来自出口烟道的高温烟气在增压后送入空气预热器的清堵烟仓的冷端烟道，清堵烟仓具有比常规烟仓更高的压头，可降低与之相邻空气侧(一次风或二次风)的压差，在常规烟仓与空气仓之间形成缓压区，属于一种通过降压差来降低漏风率的技术。同时，与常规结构的空气预热器相比，具有上述结构的空气预热器中，清堵烟仓与常规烟仓的烟气可控地逆向流动，清堵烟仓的烟气温度可达380～420℃，高温烟气可将冷端蓄热元件温度最低点的金属壁温升高16～35℃，而热端换热元件温度最高点的金属壁温则可降低4～8℃，清堵烟仓内，高温烟气的逆向冲刷，可在线清除空气预热器低温段蓄热元件表面的硫酸结露堵灰和硫酸氢铵堵塞，转子持续转动，实现对全部蓄热元件表面的清理；同时也调节了转子的温度场分布，空气预热器转子冷、热端温差减小，热态运行的蘑菇状变形量减小，对于降低漏风率有利。鉴于以上分析，清堵烟仓按转动方向，适合于布置在烟气侧的转向的末端，即位于转子金属壁温高的区域。

本发明的清堵烟仓在“常规运行模式”下可视为常规烟气仓，烟气仓角度与空气仓角度之和均为180°，此双烟仓空气预热器的运行性能指标与常规的空气预热器无明显差别，可保持机组长期运行的经济性指标。

在在线清堵模式下，本发明的清堵烟仓由于流向与空气仓相同而与常规烟仓相反，清堵烟仓布置在烟气转向的末端，金属温度最高的区域，增压风机抽取的烟气逆流换热，对空气预热器进口端金属壁面进行加热。抽取的高温烟气同时具有加热、吹扫携带硫酸氢铵液滴的功能。本发明对升高空气预热器冷端金属壁温的效果明显，清堵能力强。

所述抽气烟道上串联有截止阀和第二控制阀，其中截止阀位于出口烟道与增压风机之间，第二控制阀位于增压风机与清堵烟仓的冷端烟道之间。截止阀关闭时，清堵烟仓的工作状态在常规运行模式；截止阀打开时，清堵烟仓的工作状态为在线清堵模式，第二控制阀用于调节分别进入清堵烟仓和常规烟仓的烟气流量，以实现对仓内温度和冲刷强度的控制。

所述增压风机和清堵烟仓的冷端烟道之间设置有温度测点和压力测点，所述中截止阀与增压风机之间还设置有流量计。方便根据温度和压力的反馈，判断清堵工作的运行效果，判断是否需要退出在线清堵模式。

所述第二控制阀为截止阀。

所述第一控制阀为常闭阀门，所述截止阀为常开阀门。

所述抽气烟道上设置有加热装置。

所述空气预热器的冷段换热元件高度为900～1300mm。

所述空气侧仓格为一个仓格；或两个仓格，分别为一次风仓、二次风仓；或三个仓格，分别为二次风仓、一次风仓、二次风仓。

所述清堵烟仓的仓格所对应的圆心角度数分别是15°、20°、22.5°、30°或37.5°。

所述清堵烟仓的扇形板所对应的圆心角度数分别是7.5°、10°、15°或20°。

上述回转式空气预热器系统的工作方法，所述系统包括两种工作模式，一种是常规运行模式，一种是在线清堵模式，在“常规运行模式”下，增压风机停运，抽气烟道保持关断状态，来自出口烟道的烟气分为两部分同流向地分别通过清堵烟仓和常规烟仓进入空气预热器进行换热；在“在线清堵模式”下，增压风机投运，抽气烟道保持连通状态，来自出口烟道的烟气分为两部分逆流向地分别通过清堵烟仓和常规烟仓进入空气预热器进行换热——来自出口烟道的部分烟气经抽气烟道送入清堵烟仓的冷端烟道，然后经过清堵烟仓及其热端烟道后经第二联络烟道再进入常规烟仓，其余烟气送入常规烟仓的热端烟道。

在“在线清堵模式”下，进入清堵烟仓的冷端烟道的烟气量占出口烟道的烟气总量的10～20％。

所述空气预热器配置有蒸汽吹灰器，在“在线清堵模式”下所述蒸汽吹灰器连续运行直到“在线清堵模式”的工作结束，以进一步改善冲刷效果。

本发明的有益效果是：“常规运行模式”下，其运行经济性指标与常规的空气预热器无差别，但在进入“在线清堵模式”后，清堵烟仓内的烟气与常规烟仓内的烟气逆向流动，一方面可调节转子的温度场分布，能利用高温烟气的逆向冲刷功能，在线清除空气预热器低温段换热元件表面的硫酸结露堵灰和硫酸氢铵堵塞；另一方面，因清堵烟仓具有比常规烟仓更高的压头，可降低与之相邻空气侧(一次风或二次风)的压差，在常规烟仓与空气仓之间形成缓压区，通过降低压差来降低漏风率，同时由于双烟仓空气预热器的清堵烟仓与常规烟仓的烟气逆向流动，空气预热器转子冷、热端温差减小，热态运行的蘑菇状变形量减小，也有利于降低漏风率。从而，本发明可有效延长空气预热器的堵塞周期，减少空气预热器因堵塞问题造成的非计划停机次数，增加经济效益。

附图说明

图1是将本发明应用于常规两分仓空气预热器后的示意图。

图2是将本发明应用于常规三分仓空气预热器后的示意图(正转布置)。

图3是将本发明应用于常规三分仓空气预热器后的示意图(反转布置)。

图4是将本发明应用于常规四分仓空气预热器后的示意图。

图5是本发明实施例常规运行模式下工作方法的示意图。

图6是本发明实施例在线清堵模式下工作方法的示意图。

图7是本发明实施例常规运行模式下烟气侧换热元件金属壁温分布图。

图8是本发明实施例在线清堵模式下烟气侧换热元件金属壁温分布图。

图9是本发明实施例比较在线清堵模式与常规运行模式下烟气侧换热元件金属壁温变化的示意图。

图10是本发明的空气预热器系统的压力分布图。

图11是现有专利的空气预热器系统的压力分布图。

图10和图11中“～”表示“约等于”。

图中标记为：1-空气预热器，2-常规烟仓的热端烟道，3-常规烟仓的冷端烟道，4-清堵烟仓的冷端烟道，5-清堵烟仓的热端烟道，6-第一控制阀，7-第一联络烟道，8-第二控制阀，9-增压风机，10-截止阀，11-抽气烟道，12-脱硝装置，13-出口烟道，14-第二联络烟道，15-清堵烟仓，16-常规烟仓，17-一次风仓，18-一次风仓进口风道，19-一次风仓出口风道，20-二次风仓出口风道，21-二次风仓进口风道，22-二次风仓，23-流量计，24-温度测点，25-压力测点，26-加热装置，27-蒸汽吹灰器，28-空气仓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明的回转式空气预热器系统包括出口烟道13和连接在出口烟道13上的空气预热器1，空气预热器1内设置有空气预热器转子，空气预热器转子上设置有换热元件；空气预热器1内包括烟气侧仓格和空气侧仓格，所述烟气侧仓格被分隔成相互独立的两个相邻仓格，即常规烟仓16和清堵烟仓15，按空气预热器转子的转动方向，其中的清堵烟仓15布置在烟气侧的转向的末端，常规烟仓16和清堵烟仓15的冷端烟道和热端烟道之间分别连接有第一联络烟道7和第二联络烟道14，第一联络烟道7上设置有第一控制阀6，所述出口烟道13还通过设置有增压风机9的抽气烟道11与清堵烟仓的冷端烟道4连接，所述抽气烟道11上串联有截止阀10和第二控制阀8，其中截止阀10位于出口烟道13与增压风机9之间，第二控制阀8位于增压风机9与清堵烟仓的冷端烟道4之间。

如图5和图6所示，所述增压风机9和清堵烟仓的冷端烟道4之间设置有温度测点24和压力测点25，所述截止阀10与增压风机9之间还设置有流量计23。

如图5和图6所示，所述第一控制阀6为常闭阀门，所述截止阀10为常开阀门。在以常规运行模式工作时，第一控制阀6打开，第二控制阀8关闭，截止阀10手工关闭，可对抽气管道及其管路中串联的设备进行检修。如果空气预热器系统选择一直以在线清堵模式运行，也可以将第一控制阀6设置为常闭阀门，截止阀10设置为常开阀门，第二控制阀8设置为常开阀门，或者取消设置第一联络烟道7及第一控制阀6。增压风机9的出口流量可通过流量计23、温度测点24、压力测点25等仪表及电气控制系统进行控制和调节。基于本发明原理的表述，仅具备“在线清堵模式”或仅运行在“在线清堵模式”的方案应当视为本发明中已描述方案的等同技术方案。此种情况下，抽气烟道11及其管路中安装的设备将长期运行，故第二控制阀8优选为截止阀，便于增压风机9的检修。

作为某些特殊工况下的备用方案，优选在抽气烟道11上设置有加热装置26，以进一步提高进入清堵烟仓的烟气温度，依据不同的工程设计条件，加热装置26可选用电加热器或者气-气换热器。

根据图7、图8和图9的分析结果，所述空气预热器1的冷段换热元件高度建议为900～1300mm，更优的选择是1200～1300mm，其在两种工作模式下，可保持烟气仓的冷段换热元件的金属壁温在250℃以下，保持两种工作模式下的温差在5℃以下，有利于其长期稳定的工作。烟气仓的热段换热元件的金属壁温在250℃以上，硫酸氢铵保持在液态，不会在换热元件分层处发生硫酸氢铵沉积，方便通过蒸汽吹灰进行清理，从而降低送引风机的能耗，保持换热元件的换热效率。

如图1、图2、图3和图4所示，基于上述的原理分析，无论所述空气侧仓格为一个仓格；或两个仓格，分别为一次风仓、二次风仓；或三个仓格，分别为二次风仓、一次风仓、二次风仓，都可以应用本发明，即传统的两分仓、三分仓或四分仓的空气预热器均能应用本发明进行改造。

如图1、图2、图3和图4所示，如回转式空气预热器采用48分仓或36分仓，所述清堵烟仓15的仓格个数一般占据2～5格，单个仓格角度对应为7.5或者10°，清堵烟仓15所对应的圆心角θ1值可能的情况分别为15°、20°、22.5°、30°或37.5°。相应地，所述清堵烟仓15的扇形板若采用单密封，其所对应的圆心角θ2度数分别是7.5°、10°，所述清堵烟仓15的扇形板若采用双密封，其所对应的圆心角θ2度数分别是15°或20°。

实施例：

如图2(正转模式)、图5、图6和图7～图9所示，某600mw机组，原设计空气预热器为受热面旋转的三分仓回转式空气预热器(以下简称传统三分仓)，采用模数仓格结构，空气预热器转子上设置有换热元件，全部蓄热元件分别安装在48个仓格内，每一仓格所对应的圆心角度数为7.5°。应用本发明进行改造后，其空气预热器为双烟仓四分仓结构，即烟气侧的24个仓格被划分为两部分，一部分是清堵烟仓15，由烟气侧旋转方向末端的三个模数仓格(烟气仓编号22～24)组成，其所对应的圆心角θ1度数是22.5°，其余部分是常规烟仓16，由烟气侧其余的21个仓格(烟气仓编号1～21)组成；空气侧仓格分别为一次风仓17和二次风仓18。

改造后的回转式空气预热器系统包括出口烟道13和连接在出口烟道13上的空气预热器1，出口烟道13的上游与脱硝装置12连接，常规烟仓的冷端烟道3和清堵烟仓的冷端烟道4之间连接有第一联络烟道7，常规烟仓的热端烟道2和清堵烟仓的热端烟道5之间连接有第二联络烟道14，第一联络烟道7上设置有第一控制阀6，所述出口烟道13还通过抽气烟道11与清堵烟仓的冷端烟道4连接，所述抽气烟道11上从出口烟道13至清堵烟仓的冷端烟道4之间依次串联有加热装置26、截止阀10、流量计23、增压风机9和第二控制阀8、温度测点24、压力测点25，其中，第一控制阀6为常闭阀门，所述截止阀10为常开阀门。

该回转式空气预热器系统的工作方法如下述。

所述系统包括两种工作模式，一种是常规运行模式，一种是在线清堵模式，在“常规运行模式”下，截止阀10保持常开状态，打开第一控制阀6，关闭增压风机9和第二控制阀8，抽气烟道11关闭，来自出口烟道13的烟气分为两部分同流向分别通过清堵烟仓15和常规烟仓16的热端烟道5、2进入空气预热器1进行换热，换热后烟气汇集到空气预热器常规烟仓的出口烟道3，再进入空气预热器下游设备；在“在线清堵模式”下，第一控制阀6关闭，截止阀10保持常开，打开增压风机9和第二控制阀8，来自出口烟道13的烟气分为两部分，一部分经抽气烟道11流向清堵烟仓的冷端烟道4，其余部分流向常规烟仓的热端烟道2与空气预热器换热后，汇集到常规烟仓的出口烟道3，再进入空气预热器下游设备；清堵烟仓的冷端烟道4的烟气进入清堵烟仓15，对仓内蓄热元件进行冲刷，清除其上凝结的硫酸结露，并通过加热使其液态硫酸氢铵气化，配合蒸汽吹扫器，蓄热元件表面的积灰被吹扫并被带走，使其蓄热元件表面的堵塞情形缓解或解除，之后，所述烟气进入清堵烟仓的热端烟道5并经第二联络烟道14再进入常规烟仓16与空气预热器换热后，汇集到空气预热器常规烟仓的出口烟道3，再进入空气预热器下游设备，如除尘器等。

在“常规运行模式”下，清堵烟仓15和常规烟仓16内的烟气是同向流动的；在“在线清堵模式”下，清堵烟仓15和常规烟仓16内的烟气是逆向流动的。

如图7、图8和图9所示，在“在线清堵模式”下工作，清堵烟仓15冷段换热元件金属壁温比“常规运行模式”下升高0～35℃，热段换热元件金属壁温则降低0～7℃。冷段换热元件的金属壁温升高，硫酸氢铵沉积温度区间在高度方向上向冷端移动，不会造成跨层凝结堵塞。

相应的设计参数对比如下表1所示。

表1本实施例与传统三分仓的技术设计参数对比

可见，应用本发明并在“在线清堵模式”下运行，漏风率可进一步降低约1.36个百分点。

系统中的增压风机9的选型按烟气抽取量设计。本发明中所设置的增压风机9风机压头仅需克服空气预热器的阻力(1500pa左右)，运行能耗极低。其它相关现有专利文献中，所设置的增压风机由于需将烟气送入空气预热器的一次风，增压风机的压头需提升至14000pa左右，运行能耗非常大。

本实施例中，设计烟气抽取量占脱硝装置12的出口烟气总量的10～20％，增压风机9的选型按脱硝装置12的出口烟气总量的20％设计。通过流量计23、温度测点24、压力测点25等仪表及电气控制系统对相应控制阀进行控制和调节，可以调整烟气抽取量。

本发明可用于新建工程项目或改造项目，具有良好的运行经济效益。

应用本发明后，空气预热器系统可根据需要选择间歇运行在“在线清堵模式”或连续运行在“在线清堵模式”。若间歇运行，通常建议在检测到空气预热器1的运行压差上升100pa即切换至“在线清堵模式”，“在线清堵模式”下空气预热器的蒸汽吹灰也同步进行，当空气预热器1的运行压差恢复到正常状态后，可再次切换至“常规运行模式”，以持续保持空气预热器1的稳定运行状态。

本实施例的600mw机组按本发明改造后的运行经济效益分析如下，设备成本增加约300万元，减少空气预热器因堵塞问题造成的非计划停机次数按每年一次可节约起炉及检修成本约800万元，每年可减少因空气预热器堵塞造成的风机能耗损失(三大风机，即送风机、引风机和一次风机)约350万元，每年可减少因空气预热器堵塞造成的换热元件损坏约200万元。

若以300mw机组为例，估算设备成本增加约200万元，减少空气预热器因堵塞问题造成的非计划停机次数按每年一次可节约起炉及检修成本约500万元，每年可减少因空气预热器堵塞造成的风机能耗损失(三大风机)约180万元，每年可减少因空气预热器堵塞造成的换热元件损坏约100万元。

风机能耗对比。

如图10、图11所示，对同一锅炉系统，采用传统三分仓方案，或公布号为cn107842872a的“回转式空气预热器及其减漏风防堵塞的方法”的技术方案(下称现有专利)，或本实施例的技术方案，相应的风机能耗对比理论计算如下表2所示。

现有专利所设置的增压风机由于需考虑将烟气送入空气预热器的一次风，增压风机的压头需提升至14000pa左右，运行能耗非常大。相比之下，实施例1的空气预热器系统中所有风机，比常规方案增加约258kw的能耗，但与现有专利相比可节约约3393kw的能耗。

风机能耗对比见下表2。

表2风机能耗对比