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煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)影響及措施

文檔作者：葉亞蘭文檔來源：江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月13日
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第34卷第6期
2013年12月
電力與能源 635
煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)影響及措施
葉亞蘭
(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，南京 211170)
摘 要：對煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)問題進(jìn)行研究，從理論上分析了漏風(fēng)的原因和危害，提出了漏風(fēng)的預(yù)防
和治理措施。重點(diǎn)分析了空氣預(yù)熱器冷端漏風(fēng)和熱端漏風(fēng)對排煙溫度和排煙熱損失的影響，結(jié)果表明，冷端
漏風(fēng)對排煙溫度的影響較大，但不會(huì)對排煙熱損失造成影響；熱端漏風(fēng)對排煙溫度的影響比冷端小，但對排煙
熱損失的影響較大。
關(guān)鍵詞：煤氣鍋爐；空氣預(yù)熱器；漏風(fēng)；冷端；熱端；排煙溫度；排煙熱損失
中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095—1256(2013)06—0635—04
Influence and M easures on Air Leakage of Gas Boiler Air Preheater
lan
(Department of Marine Engineering，Jiangsu Maritime Institute，Nanjing 211170，China)
Abstract：Problems about air leakage of gas boiler air preheater have been studied．The causes and harm of air
leakage were analysed，and the prevention and control measures were put forward．Besides，the influence of air
leakage on the exhaust gas temperature and exhaust gas heat loss was analysed，separately tO the cold end and
the hot end．The results showed that air leakage of the cold end play more important role on exhaust gas tem—
perature，and air leakage of the hot end play more important role on heat loss．
Key words：Gas boiler；Air preheater；Air leakage；Cold end；Hot end；Exhaust gas temperature；Exhaust
gas heat loss
O 引言
空氣預(yù)熱器是煤氣鍋爐的重要組成部件，它
利用鍋爐尾部煙氣的熱量來加熱燃燒所需空氣，
回收煙氣余熱，降低了排煙溫度，提高了鍋爐效
率。同時(shí)，由于空氣被加熱，強(qiáng)化了爐內(nèi)燃料的著
火和燃燒過程，減少了未完全燃燒熱損失，從而進(jìn)
一步提高了鍋爐效率口]。煤氣鍋爐在長時(shí)間運(yùn)行
后，會(huì)出現(xiàn)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)問題，影響鍋爐的安全
和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對于全燒焦?fàn)t煤氣鍋爐或摻燒焦?fàn)t
煤氣鍋爐，空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)還會(huì)造成排煙溫度
下降，導(dǎo)致冷端受熱面壁溫下降，進(jìn)而加速空氣預(yù)
熱器冷端的低溫腐蝕，造成受熱面的損壞，既增加
了維修工作量和材料損耗，又影響了鍋爐的正常
運(yùn)行。因此，對煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的相關(guān)
問題進(jìn)行研究，具有重要的實(shí)用意義。
1 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的原因及危害
1．1 漏風(fēng)原因
1)管箱制作和安裝問題 在冶金煤氣鍋爐
中，空氣預(yù)熱器大多采用立式管箱結(jié)構(gòu)。換熱管
兩端分別焊接在上、下管板上形成立方形管箱。
煙氣在管內(nèi)由上向下流動(dòng)，空氣在管外橫向流動(dòng)，
煙氣通過管壁加熱空氣。對于燃用高爐煤氣或轉(zhuǎn)
爐煤氣的鍋爐，空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)較小，主要發(fā)生
在空氣進(jìn)口和出口管箱密封處，這是由于在空氣
預(yù)熱器的安裝過程中，管箱與伸縮節(jié)之間焊接工
藝不合格，伸縮節(jié)外部蓋板焊接不嚴(yán)密，或管箱外
表蓋板存在焊縫缺陷，導(dǎo)致密封不好，形成漏風(fēng)。
2)低溫腐蝕 低溫腐蝕是造成摻燒焦?fàn)t煤
氣或全燒焦?fàn)t煤氣鍋爐的空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的另一
個(gè)重要原因。由于焦?fàn)t煤氣中含微量的H S，燃
燒時(shí)會(huì)生成二氧化硫。一部分二氧化硫會(huì)進(jìn)一步
氧化成三氧化硫，而三氧化硫與煙氣中的水蒸氣
反應(yīng)后生成硫酸蒸汽。當(dāng)受熱面的壁面溫度低于
硫酸蒸汽的凝結(jié)溫度(酸露點(diǎn)溫度)時(shí)，硫酸蒸汽
就會(huì)凝結(jié)下來，形成液態(tài)硫酸，從而對受熱面金屬
產(chǎn)生腐蝕，長期腐蝕后最終導(dǎo)致管壁穿孔，造成空
氣預(yù)熱器漏風(fēng)。
636 葉亞蘭：煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)影響及措施
某鋼鐵廠摻燒焦?fàn)t煤氣鍋爐的空氣預(yù)熱器漏
風(fēng)嚴(yán)重，圖1是該爐停爐檢修時(shí)拍攝的空氣預(yù)熱
器管箱底部照片。
l 摻燒焦?fàn)t煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕狀況
由圖l可見，該空氣預(yù)熱器受到嚴(yán)重的低溫
腐蝕，且主要發(fā)生在管箱進(jìn)風(fēng)口側(cè)和四周風(fēng)速較
低的區(qū)域。這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口側(cè)是空氣預(yù)熱器冷
端，溫度最低，低溫腐蝕從冷端逐漸向熱端延伸，
且多積聚在煙氣流速較低的四周死角處。分析認(rèn)
為，作為鋼鐵企業(yè)的煤氣緩沖用戶，煤氣鍋爐負(fù)荷
變化大且較為頻繁，使得鍋爐尾部排煙溫度隨著
負(fù)荷變化發(fā)生較大波動(dòng)，而鍋爐在低負(fù)荷時(shí)的排
煙溫度較低(尤其是冬季)，長期以來造成空氣預(yù)
熱器的低溫腐蝕。
1．2 漏風(fēng)的危害
空氣預(yù)熱器漏風(fēng)會(huì)造成爐內(nèi)風(fēng)量不足，影響
燃料燃燒而造成鍋爐出力下降，若要保持同負(fù)荷，
則必須增加送風(fēng)量，導(dǎo)致送風(fēng)機(jī)電耗增大；空氣預(yù)
熱器漏風(fēng)還會(huì)使煙氣流量增大，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)電耗
增大。同時(shí)，由于冷空氣直接進(jìn)入煙氣中，會(huì)降低
煙氣溫度，促進(jìn)尾部受熱面的低溫腐蝕，并形成惡
性循環(huán)。
此外，若空氣預(yù)熱器漏風(fēng)嚴(yán)重造成鍋爐負(fù)荷
下降，會(huì)減少鍋爐的煤氣消耗量，造成煤氣平衡困
難，富余的煤氣暫時(shí)無法找到新的用戶，只能大量
放散，不僅造成資源浪費(fèi)，還加大了環(huán)境污染。
2 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對排煙溫度和排煙熱
損失的影響
空氣預(yù)熱器漏風(fēng)會(huì)影響到鍋爐的排煙溫度和
排煙熱損失，而且不同部位漏風(fēng)造成的影響是不
同的。對于空氣預(yù)熱器冷端，漏風(fēng)會(huì)降低鍋爐排
煙溫度；對于空氣預(yù)熱器熱端，漏風(fēng)不僅會(huì)影響排
煙溫度，還會(huì)改變空氣預(yù)熱器的換熱狀況，從而造
成一部分熱量沒有被利用直接排到大氣中，減小
煙氣余熱的利用，增大排煙熱損失。因此，對于空
氣預(yù)熱器漏風(fēng)，應(yīng)該將其熱端和冷端分開，分別進(jìn)
行分析。
2．1 冷端漏風(fēng)對排煙溫度的影響
根據(jù)空氣預(yù)熱器的熱平衡可得，冷端漏風(fēng)后
的排煙溫度 。 表達(dá)式為：
㈩
gyfp
，gy + H f ．H。o+如 kf 。k
式中： 為實(shí)際干煙氣量，m。／m。(煤氣)； 為于煙氣
的平均定壓比熱，kJ／(m。·K)；V Hn【 為煙氣中的水蒸氣
量，m。／m。(煤氣)；c 。為水蒸氣的平均定壓比熱，
kJ／(m。·K)； 為空氣預(yù)熱器無漏風(fēng)時(shí)的排煙溫度，℃ ；
為漏風(fēng)系數(shù)； k為理論干空氣需要量，m。／m。； 為
空氣的平均定壓比熱，kJ／(m。·K)；t。 為空氣預(yù)熱器的冷
端空氣溫度，℃ 。
對于煤氣鍋爐，實(shí)際干煙氣量 的表達(dá)式
為：
V 一 + (口一1) (2)
其中：
： ~r~coz c0)+Σ仰(cmHnH(3)
(H2s)+ (N2)]+0．79
vok [o．5~(H2)+0．5f(C0)+
(4)
Σ(m+旱’ (c H )+1． (H s)一 (0 )]
式中：V： 為煤氣燃燒理論干煙氣量，m。／m3(煤氣)； 為過
量空氣系數(shù)； 為煤氣燃燒所需理論干空氣量，m。／m。(煤
氣)； (c()2)、9(CO)、qXC H )、 (H2s)、 (O2)分別為煤氣
中各組分的容積含量百分率， 。
煙氣中水蒸氣含量 。的表達(dá)式為：
Vn。。 而1
z)+Σ n 5。(C；T1H )+
9(H s)1+ +
式中：d。為1 1TI。干煤氣中的含濕量，kg／m。；d 為空氣的
絕對濕度，kg／kg(干空氣)。
假定空氣預(yù)熱器熱端無漏風(fēng)，單獨(dú)分析冷端
漏風(fēng)對排煙溫度的影響。先選取一個(gè)基準(zhǔn)工況
(某一設(shè)計(jì)工況或試驗(yàn)工況)，將空氣預(yù)熱器前的
過量空氣系數(shù) 帶入式(2)和式(5)計(jì)算出進(jìn)入空
氣預(yù)熱器的干煙氣量 和水蒸氣量V 。，并根
據(jù)式(1)反向求得該工況下無漏風(fēng)時(shí)的排煙溫度
臼 ，然后選取不同的漏風(fēng)系數(shù)，按照式(1)計(jì)算出
不同漏風(fēng)系數(shù)下的排煙溫度。
2．2 熱端漏風(fēng)對排煙溫度的影響
熱端漏風(fēng)后的空氣預(yù)熱器熱端煙氣溫度0
葉亞蘭：煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)影響及措施 637
的表達(dá)式為：
——————V————— ———— —————— ———————— ———————————————————————————————一【㈣n J
gyc聲．gy+ H，()f聲，H，o+△口V kc聲，k ?
式中： 為無漏風(fēng)時(shí)空氣預(yù)熱器的熱端煙氣溫度(可取進(jìn)
入空氣預(yù)熱器前的煙氣溫度)，oC；t 為空氣預(yù)熱器的熱
端空氣溫度，℃ 。
由于煙氣比熱容變化很小，故空氣預(yù)熱器換
熱效率訊 可簡化為：
y一一 (¨7 )
忽略漏風(fēng)前后空氣預(yù)熱器換熱效率的變化，
則有：
0py一(1一 y) y+ 叩k ￡1k (8)
將式(6)帶入式(8)即可得到熱端漏風(fēng)后的排
煙溫度
(1一
、( yf地y+VH~ofP,H20)如+z~vokfp,kt r kl (8)
’— +
假定空氣預(yù)熱器冷端無漏風(fēng)，單獨(dú)分析熱端
漏風(fēng)對排煙溫度的影響。先選取一個(gè)基準(zhǔn)工況
(某一設(shè)計(jì)工況或試驗(yàn)工況)，將空氣預(yù)熱器前的
過量空氣系數(shù)a帶入式(2)和式(5)計(jì)算出進(jìn)入空
氣預(yù)熱器的干煙氣量V 和水蒸氣量V 。。，并根
據(jù)式(7)計(jì)算出空氣預(yù)熱器的換熱效率，然后選取
不同的漏風(fēng)系數(shù)，按照式(9)計(jì)算出不同漏風(fēng)系數(shù)
下的排煙溫度。
2．3 漏風(fēng)對排煙熱損失的影響
煤氣鍋爐排煙熱損失q。的表達(dá)式為：
q 2一 ———————— ——————一 (9)
Q 一Q； + C (t 一t。) (10)
式中：t。為基準(zhǔn)溫度，℃ ；Q 為輸入熱量，kJ／m。；Q5 為煤
氣低位發(fā)熱量，kJ／m。；C 為煤氣在t。至t 溫度間的平均
比熱，kJ／(m。·K)；t 為煤氣溫度，℃ 。
將式(1)和式(9)計(jì)算得到的排煙溫度 代
入到式(1O)中，即可分別得到冷端漏風(fēng)和熱端漏
風(fēng)時(shí)不同漏風(fēng)系數(shù)下對應(yīng)的排煙熱損失。與前面
排煙溫度的計(jì)算不同，計(jì)算排煙熱損失時(shí)，干煙氣
體積V 和水蒸氣體積V 。。對應(yīng)的是空氣預(yù)熱器
出口處的過量空氣系數(shù)a。
3 計(jì)算實(shí)例
3．1 原始資料
某鋼鐵廠自備熱電廠220 t／h高溫高壓煤氣
鍋爐，主要燃燒高爐煤氣，并摻燒一定量的焦?fàn)t煤
氣。其設(shè)計(jì)燃料特性如表1所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)
如表2所示。
表1 設(shè)計(jì)燃料特性
項(xiàng)目 CO COz H2 CH4 C H 02 Nz Q
／ ／ ／％ ／ ／％ ／ ／ ／(kJ·m一0)
高爐煤氣 24．2 18．2 1．5 0．7 0．1 55．3 3 481
焦?fàn)t煤氣 7．9 2．6 55．9 25．5 O．4 O．9 6．8 16 332
表2 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)
蒸發(fā)量 主汽 主汽 給水 排煙 進(jìn)口冷 出口熱
項(xiàng)目 ／( 溫度 壓力 溫度 溫度 風(fēng)溫度 風(fēng)溫度
t·h ) ／~c ／MP
a ／~c ／~c ／℃ ／℃
數(shù)值 22O 540 9．81 215 1 56 2O 239
化學(xué)不 機(jī)械不
排煙熱 完全燃 完全燃 散熱 灰渣物 鍋爐
項(xiàng)目 損失／ 燒熱損 燒熱損 損失 理熱損 熱效率
失／ 失／ ／ 失／ ／
數(shù)值 10．42 0．5 0 0．8 0 88．28
鍋爐的尾部煙道采用管式空氣預(yù)熱器，單級、
單行程布置，立式管箱結(jié)構(gòu)，管箱由數(shù)根 4O 1Tim
×1．5 mm 的Q235一A鋼管制成。
3．2 計(jì)算結(jié)果及分析
以設(shè)計(jì)工況為基準(zhǔn)工況，分別計(jì)算冷端漏風(fēng)
和熱端漏風(fēng)時(shí)排煙溫度和排煙熱損失的變化值，
結(jié)果如表3所示。
表3 漏風(fēng)系數(shù)變化對排煙溫度的影響 ℃
漏風(fēng)系數(shù) 1 0．05 0．10 l 0．15 0．20 0．25 l 0．30
．Ⅻ ．恫 l熱端漏風(fēng)l 162．6 1 6O．1 I 157．7 155．4 1 53．2 I 1 51．0
” l冷端漏風(fēng) 164．7 164．3 l 163．9 163．5 163．1 162．8
由表3可知，無論空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)發(fā)生在
冷端還是熱端，排煙溫度均隨漏風(fēng)系數(shù)的增大而
降低。
冷端漏風(fēng)和熱端漏風(fēng)時(shí)，排煙溫度隨漏風(fēng)系
數(shù)的變化幅度不同，冷端漏風(fēng)下的排煙溫度變化
幅度明顯要大于熱端漏風(fēng)，說明空氣預(yù)熱器冷端
漏風(fēng)對排煙溫度的影響大于熱端漏風(fēng)的影響。分
析認(rèn)為，冷端漏風(fēng)時(shí)，未經(jīng)換熱的低溫冷風(fēng)直接與
熱煙氣混合，必然導(dǎo)致煙氣溫度顯著降低。熱端
漏風(fēng)時(shí)，一方面，由于漏入的熱風(fēng)對煙氣的稀釋作
用，使煙氣溫度有所降低；另一方面，漏入的熱風(fēng)
提高了空器預(yù)熱器的進(jìn)口煙氣焓和煙氣量，減緩
了煙氣溫度下降的速度。
以設(shè)計(jì)工況為基準(zhǔn)工況，分別計(jì)算冷端漏風(fēng)
和熱端漏風(fēng)時(shí)排煙熱損失的變化值，結(jié)果如表4
所示。
638 葉亞蘭：煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)影響及措施
表4 漏風(fēng)系數(shù)變化對排煙熱損失的影響
漏風(fēng)系數(shù) l 0．05 l 0．10 0．15 0．20 0．25 l 0．30
排煙熱I冷端漏風(fēng){i0．37 l 10．3 7 1O．37 10．37 10．37 f 10．37
損失 l熱端孺風(fēng) 10．53 10．69 l0．85 11．01 11．1 7 f 11．33
由表4可知，對于冷端漏風(fēng)，隨著漏風(fēng)系數(shù)的
增加，排煙熱損失并未改變。這是因?yàn)椋涠寺┤?
的空氣并不參加傳熱，只是增加了煙氣量，但排煙
焓值并沒有增加，因此冷端漏風(fēng)可視作僅有風(fēng)量
損失，不會(huì)影響排煙熱損失；而對于熱端漏風(fēng)，隨
著漏風(fēng)系數(shù)的增加，排煙熱損失呈上升趨勢，這是
因?yàn)槁╋L(fēng)會(huì)造成換熱面的傳熱溫壓減小，導(dǎo)致?lián)Q
熱面換熱量減小，排煙熱損失升高。
4 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的預(yù)防和治理
對于燃用高爐煤氣或轉(zhuǎn)爐煤氣的鍋爐。由于
基本上不存在磨損和積灰，只要確保安裝和施工
質(zhì)量以避免密封處出現(xiàn)焊縫缺陷，就可以避免空
氣預(yù)熱器的漏風(fēng)。
對于燃用焦?fàn)t煤氣的鍋爐，預(yù)防空氣預(yù)熱器
漏風(fēng)的主要手段是控制低溫段空氣預(yù)熱器的低溫
腐蝕，可以從以下幾方面著手 j。
1)提高煤氣脫硫質(zhì)量通過優(yōu)化工藝操作，
降低燃料中(主要是指焦?fàn)t煤氣)的H。s含量，使
煤氣中H。s的體積含量百分比達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2)采用低氧燃燒在鍋爐的運(yùn)行操作中，通
過合理的配風(fēng)，在保證爐膛燃燒穩(wěn)定的前提下盡
量采用低氧量運(yùn)行，將過量空氣系數(shù)控制在較低
值，以減少SO。的形成，從而避免或減輕低氧腐
蝕。根據(jù)有些鋼鐵廠煤氣鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將過
量空氣系數(shù)控制在1．o5～1．10，可有效控制尾部
空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕。
3)提高空氣預(yù)熱器受熱面壁溫 提高排煙
溫度可使空氣預(yù)熱器受熱面壁溫升高，使受熱面
壁溫高于煙氣酸露點(diǎn)溫度，從而避免或減輕低溫
腐蝕。電廠一般通過提高預(yù)熱器的人口風(fēng)溫來提
高排煙溫度，其主要有兩種方法：一是采用熱風(fēng)再
循環(huán)，從空氣預(yù)熱器空氣出口引出部分熱風(fēng)回送
至送風(fēng)機(jī)入口，與冷空氣混合，提高空氣預(yù)熱器的
進(jìn)風(fēng)溫度，該方法投資較少且維護(hù)簡單，但會(huì)使送
風(fēng)機(jī)功率增大，運(yùn)行成本提高；二是采用暖風(fēng)器，
通過汽輪機(jī)抽汽來加熱空氣預(yù)熱器進(jìn)口冷風(fēng)，該
方法風(fēng)溫調(diào)節(jié)范圍更大、可調(diào)性更好，但投資較
大，需要增加暖風(fēng)器本體設(shè)備、蒸汽管道和疏水管
道，系統(tǒng)也更加復(fù)雜。
4)低溫段采用新的耐腐蝕材料或新技術(shù)
由于尾部空氣預(yù)熱器換熱管腐蝕破損只是出現(xiàn)在
低溫段(冷風(fēng)進(jìn)口處)，因此可將低溫段的換熱管
由普通碳素鋼管改為玻璃管(搪瓷管)、不銹鋼管
等，增強(qiáng)換熱管的耐腐蝕性。
近年來，有一些鋼鐵廠的煤氣鍋爐嘗試采用
熱管式空氣預(yù)熱器，取得了較好的效果。熱管式
空氣預(yù)熱器可以通過調(diào)節(jié)熱管冷熱兩側(cè)的熱阻比
來調(diào)節(jié)熱管的管壁溫度，使其高于酸露點(diǎn)溫度，從
而有效防止低溫腐蝕的發(fā)生。由于每根熱管都是
相對獨(dú)立的密閉單元，煙氣和空氣被隔開分別與
熱管進(jìn)行換熱，所以即使有些熱管發(fā)生了腐蝕也
不會(huì)引起漏風(fēng)，最多不過是這部分熱管失去了有
效的傳熱作用，在檢修時(shí)更換即可。
5 結(jié)語
煤氣鍋爐是鋼鐵企業(yè)煤氣資源綜合利用的主
要用戶，隨著鋼鐵市場競爭的日益加劇，確保煤氣
鍋爐的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已成為鋼鐵企業(yè)降本增效
的重要途徑之一。作為煤氣鍋爐的重要組成部
件，空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)問題一直是相關(guān)技術(shù)人員
比較關(guān)注的課題。本文對煤氣鍋爐空氣預(yù)熱器的
漏風(fēng)問題進(jìn)行研究，從理論上分析了漏風(fēng)的原因
和危害，提出了漏風(fēng)的預(yù)防和治理措施。然后針
對空氣預(yù)熱器冷端漏風(fēng)和熱端漏風(fēng)，分析了漏風(fēng)
對排煙溫度和排煙熱損失的影響，其結(jié)果有一定
的參考價(jià)值。
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收稿日期：2013—07—12
作者簡介：葉亞蘭(1986一)，女，碩士研究生，從事鍋爐教學(xué)
及相關(guān)研究工作。
(責(zé)任編輯：趙艷粉)

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