加热炉引风机叶片积灰及对策

丁明生

(中国石油化工股份有限公司扬子石化分公司，江苏 南京 210048)

C2102 引风机处于常压炉和二级减压炉的联合空气预热器系统中，引风机的主要作用是依靠电机输入的机械能来提高加热炉燃烧产生的烟气压力，促进烟气流动，进行强制通风。引风机规格型号为Y4-73-NO18D 左180°，轴功率为220 kW，额定流量为121 830 Nm3/h，操作压力与工作温度分别为-70 Pa 和140 ℃，工作介质为烟气。2014 年2 月24 月发现引风机出现非正常振动，停车检查发现引风机叶片上存在积灰现象，导致引风机转子失去平衡，振动超标被迫停机。之后利用高压水枪和其它机械手段清垢，使引风机恢复平衡正常运转。2014 年3 月10 日，该引风机再次出现非正常振动，停车检查发现叶片积灰仍是主要原因。文章就积灰形成原因及对此进行了探讨。

1 故障分析

1.1 宏观分析及取样

C2102 引风机因非正常振动停车后，对引风机内部进行观察发现:引风机叶片背面及叶片根部边缘均存在积灰现象，叶片上积灰厚度分布不均匀，见图1。

图1 引风机叶片上积灰现象

引风机叶片上积灰具体分布情况，见图2，图2 中B 为叶片剖面图。从图2 中可看出叶片积灰大致可以分成3 部分:第一部分是叶根到叶片的大约处，这部分积灰较少，但厚度逐渐加大;第二部分是叶片的四分之一处至三分之一处之间，这部分积灰迅速增厚，达到最厚;第三部分是叶片的三分之一处至叶片顶部，积灰厚度缓慢变薄。

图2 引风机叶片上积灰分布

叶片上积灰的分布出现上述特点，主要是因为引风机在低于额定流量下运转时烟气并非平行于叶片进入，而是与叶片存在一定角度。由于该角度的存在，烟气在叶片背部会产生漩涡，见图3。这部分烟气和叶片背面的相对速度较低，烟气中的带水灰尘很容易黏附在叶片背面，造成积灰。因旋涡的位置大约在叶片的四分之一处，所以该位置的积灰最厚。而在叶片的顶部，由于叶片的高速旋转，使旋涡的强度下降，烟气流动趋向平缓，且叶片与烟气的相对速度增大，积灰情况逐渐减轻。而叶片根部边缘处最先与烟气接触，且存在倒角，因此灰浆会在此处堆积，并很快脱水形成灰壳［1］。

图3 实际中烟气进入叶片剖面示意

另外，在引风机出口通道内可见到大量积灰存在，因此对叶片背面、叶片根部边缘及引风机出口通道内积灰分别进行取样，进行成分分析。

在取样过程中发现叶片背部积灰表面较软且黏度较高，越靠近积灰内部其硬度越高，而叶片根部边缘积灰硬度较高，表面未存在软化。

1.2 积灰垢污能谱分析(EDX)

将叶片背面、叶片根部边缘及引风机出口通道内三个不同位置的积灰样品进行EDX 分析，其成分分析相似，叶片背面的分析数据见图4。通过数据对比发现:叶片背面、叶片根部边缘及引风机出口通道内三处积灰成分主要为S，O 和Fe，并含有少量的Ca，Zn，Mg 和Si 等元素，进而可说明烟气中存在较高含量的S 和O，且含有金属及非金属组成的固体颗粒;叶片背部与叶根根部边缘处积灰中硫质量分数基本相同，分别为24.03%和24.3%，其明显高于通道内积灰中的硫质量分数(16.22%)，进而推断叶片背部及边缘出现积灰是由于烟气中的硫含量过高引起。

图4 叶片背面积灰EDX 分析结果

1.3 垢污X 射线衍射(XRD)

通过能谱仪对叶片背面、叶片根部边缘及引风机出口通道内3 个不同位置的积灰样品进行了成分分析。为进一步说明积灰的物相，又采用XRD 法对积灰样品进行定性分析，1 号式样叶片背面积灰的成分分析结果见表1。

表1 XRD 分析结果汇总

从表1 可以看出:1 号、2 号和3 号积灰样品均检测出ZnSO4，Fe2O3，Fe2(SO4)3，CaSO4和Al2(SO4)3;而1 号和3 号试样还检测出CaSO3;1号和2 号试样还检测出FeSO3。

通过上述XRD 分析结果，可发现S 元素在积灰内主要以两种形式存在，即和由于气体中的SO2溶于水形成H2SO3而产生。而一方面是气体中的SO3溶于水形成的H2SO4而产生，另一方面是被氧化而生成，但该过程在无催化剂的情况下反应较为缓慢，因此推断主要是SO3直接溶于水产生的，其中有少量的是由于被氧化而生成。因此，可推断出烟气内含有SO2和SO3。

积灰中阳离子主要为Fe3+，Fe2+，Zn2+，Ca2+和Al3+，结合能谱分析，积灰内主要成分为铁离子，推断其可能为H2SO4或H2SO3与引风机叶片、主轴或烟道等金属反应生成，但酸根离子是与哪部分反应生成的金属化合物无法判断。另外，因积灰物相成分主要为酸根离子与金属离子结合的化合物和金属氧化物，进而可排除积灰是由于衬里材料脱落而形成污垢堆积而成。

1.4 引风机叶片积灰原因分析

1.4.1 引风机叶片积灰原理

烟气中SO3与O2含量偏高，使烟气的露点温度升高。当烟气进入引风机内与叶片接触时，烟气因露点温度升高，其中固体颗粒与空气中的微小水滴在叶片表面发生凝结，形成黏度很大的灰浆，附着在叶片上。随着引风机的运转，灰浆中水分会逐渐蒸发，灰浆将转变为硬度很大的灰壳。然后灰壳上再逐步积累灰浆，通过叶片旋转脱水，逐渐使灰壳的厚度增大，导致引风机转子平衡被破坏，风机整体出现非正常振动。另外，在叶片上提取样品时发现，积灰表面较软而黏度很大，越靠近积灰内部硬度越大，其进一步证明了积灰形成的过程。

1.4.2 引风机叶片积灰的原因

(1)燃料中有一定硫含量。烟气含硫会提高烟气露点温度，使烟气更易在叶片上凝结形成灰浆;

(2)烟气湿度较高。排出的烟气一般会携带少量的水蒸气。若烟气中携带的水蒸气较多(即烟气湿度过高)时，这些水蒸气更容易与烟气中的小颗粒结合，形成黏稠性溶液黏附在叶片表面，导致引风机叶片积灰现象越明显。引风机叶片第一次发生积灰现象后，利用高压水枪进行清洗。在清洗后一周再次出现叶片积灰现象，这次可能是因为清洗后引风机内存在水，当设备正常运转时水蒸发，导致烟气湿度加大，进而加快了积灰的形成速度。因此在清洗后一周再次出现积灰现象;

(3)烟道漏风。烟道因长期使用会存在漏风，会降低通道内烟气温度，导致烟气中水分凝结，使烟气湿度增大，进而引起积灰现象。另外烟道漏风也会使得烟气系统流通阻力增大，进而导致烟速降低、飞灰浓度升高，最终引起积灰现象发生;

(4)炉膛内存在过剩的空气。炉膛内若存在过剩空气，会增加烟气中的粉尘和SO3含量，使烟气露点温度升高，在与叶片接触时更易形成积灰现象。

2 烟气成分对结垢的影响

在露点温度以下，气体会凝结为液体而沾在固体表面。燃料气燃烧时先形成SO2，部分SO2再转化为SO3。清华大学李彦等人通过实验研究发现，在接近露点温度时，SO2在烟气中的浓度虽远大于SO3，但SO2在烟气中极少溶解于H2O 而形成亚硫酸蒸汽，因此SO2不能提高烟气的露点温度。而SO3在烟气中任何温度下均能完全溶解于H2O 形成硫酸蒸气，进而提高烟气的露点温度［2］。SO3分压是决定烟气露点温度的主要因素，进一步说明以SO2浓度来直接推断烟气的露点温度是不准确的，计算露点温度必须以SO3为基础。另外，烟气中H2O 含量也能影响烟气露点温度。由于燃料气燃烧后，水蒸气含量较高，会加快SO2和SO3形成酸根离子的速度，进而间接提高烟气的露点温度。

烟气中SO3含量与酸露点温度的关系见表2。

表2 烟气中SO3含量与酸露点温度的关系

从表2 中可看出，随着SO3含量的升高，酸露点温度逐渐升高。能谱分析结果中检测到叶片背面及叶根边缘处积灰硫元素质量分数高达24.03%和24.3%，而通过XRD 分析可推断出积灰是由于烟气中SO2和SO3溶于水形成的酸根离子与金属反应生成，以上分析均间接说明了烟气中SO2和SO3含量偏高。而烟气中SO2和SO3含量偏高，会提高烟气的露点温度［3］。综上所述，该烟气中SO2和SO3含量偏高，导致露点温度偏高，当烟气与叶片接触时更易沾在叶片上。

能谱分析结果中叶片背面与叶片根部边缘积灰中硫含量高于通道内积灰的硫含量高的原因可能是:烟气因露点温度偏高，在与叶片接触时发生凝结进而沾在叶片上，随着叶片上出现积灰，烟气中硫含量逐渐减少，进而导致烟气出口积灰中硫含量偏少。这进一步说明叶片上出现积灰是由于硫元素引起的。

三处位置积灰中氧的质量分数高达30%以上，说明烟气中氧含量较高。烟气中的氧含量偏高，可能是因为炉膛中存在过剩空气量。炉膛内存在过剩空气量，会使燃烧产生的SO2转化为SO3的量增加，进而导致烟气露点升高。烟气露点温度升高，会导致烟气与叶片接触时出现积灰现象。因此，烟气中氧气含量较高，将加快叶片上的积灰。另外，三处积灰中均检测出含有ZnSO4，Fe2O3，Fe2(SO4)3和CaSO4等金属氧化物或金属间化合物，其来源主要是SO2和SO3溶于水形成的酸根离子与金属反应生成，而金属离子可能是烟气中含有的固体颗粒，也可能是酸根离子与叶片、烟道等金属设备反应生成。

3 结论及建议

(1)此次引风机叶片出现积灰现象导致转子失去平衡，引起设备发生非正常振动的主要原因是烟气中的SO3含量偏高，升高了烟气的露点温度，导致固体颗粒与空气中的微小水滴在叶片表面发生凝结，形成黏度很大的灰浆，附着在叶片上。随着引风机的运转，灰浆中水分会逐渐蒸发，灰浆将转变为硬度很大的灰壳。随着灰壳的逐渐积累，导致引风机转子平衡被破坏，最终风机整体出现非正常振动。而烟气中O2含量过高与烟气湿度过大进一步加快引风机的失效;

(2)引风机叶片积灰在清理后一周又出现积灰现象，可能是因为利用高压水枪清洗后引风机内存在残留水。当引风机正常运转时水蒸发，导致烟气湿度加大，进而加速的了积灰形成的速度;

(3)使用脱硫燃料气，减少烟气中的粉尘及SO2含量;

(4)适当提高排烟温度，保持烟气的干燥性，降低露点腐蚀;

(5)保证炉膛各密封部位不漏风，杜绝冷空气进入炉膛，定期检查设备是否存在密封不良现象;

(6)采用喷嘴吹扫的方法防止叶片积灰;

(7)采用搪瓷叶轮等办法，减少垢污的附着性。

［1］杨子军.引风机叶片积灰状况及分析［J］.发电设备，1997 (5):22-23.

［2］李彦，武彬，徐旭常.SO2、SO3和H2O 对烟气露点温度影响的研究［J］.环境科学学报，1997，17(1):126-130.

［3］李东.锅炉空气预热器积灰和腐蚀的原因分析及预防措施［J］.化工技术与开发，2006，35(6):26-28.