艾忠?guī)r，晏順娟，張向群

(1. 神華國華永州發(fā)電有限公司，湖南 永州 425000；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

1000MW機組鍋爐SCR脫硝尿素熱解技術研究

艾忠?guī)r1，晏順娟2，張向群3

(1. 神華國華永州發(fā)電有限公司，湖南 永州 425000；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

某1 000 MW機組鍋爐擬采用尿素熱解制氨法獲取SCR脫硝所需還原劑，常用的尿素熱解熱源技術來自于電加熱鍋爐熱風技術，但該技術耗電量大，運行成本高，且熱風含塵，易造成堵灰和磨損。經分析比較，采用爐內煙氣—空氣換熱器作為尿素熱解熱源，該技術使用低品級能源代替高品級能源，大大降低運行維護成本，克服系統(tǒng)堵灰和磨損問題。計算結果表明，爐內煙氣—空氣換熱器技術對鍋爐性能影響極小，基本可以忽略不計。

SCR脫硝；尿素熱解；煙氣—空氣換熱器

某1 000 MW機組鍋爐原SCR脫硝還原劑為液氨，考慮到液氨為乙類危險化學品，是有毒有害物質，并需要一定的儲存壓力，國家相關法規(guī)對液氨運輸和儲存要求較為嚴格；尿素為無毒無害化學品，無爆炸危險性，其運輸、儲存及使用極為方便[1-3]。經過對比分析，將SCR脫硝還原劑方案更改為尿素熱解制氨。

1 SCR脫硝尿素熱解基本原理

在尿素溶解系統(tǒng)中將尿素配制成質量濃度為50%的尿素溶液，然后經輸送泵、計量分配裝置和噴射器等噴入尿素熱解爐，尿素溶液在450～650 ℃的熱空氣環(huán)境條件下分解產生NH3，NH3和空氣的混合物隨后進入脫硝反應器，在催化劑作用下將煙氣中的NOx還原成N2和H2O，從而達到SCR煙氣脫硝的目的[4]。

為了使尿素充分分解，需要吸收足夠多的熱量，保證熱解產物不發(fā)生逆反應，不產生中間產物，需控制熱解產物的溫度，考慮碳鋼管道材料的耐溫性能，通常要求控制熱解爐出口溫度在350～400 ℃[5-6]。

尿素熱解需要吸收的熱量為將一定質量的尿素溶液分解為350 ℃以上氣體所需要吸收的熱量。熱量與尿素溶液耗量相關，包含水加熱至飽和溫度吸收的熱量、水的汽化潛熱和尿素完全熱解的反應熱三部分熱量[7]。

2 尿素熱解電加熱技術

目前工程上最常用的尿素熱解熱源技術來自于電加熱鍋爐熱風技術，其原理為利用鍋爐熱一、二次風自身的壓頭，將部分鍋爐熱一、二次風(300 ℃左右)送到電加熱器中加熱，最終熱一、二次風被加熱到650 ℃后進入尿素熱解爐，為尿素熱解提供熱源。

該技術不足之處在于耗電量大，運行成本高，以某1 000 MW超超臨界燃煤機組為例進行計算，至少選用1 000 kW的電加熱器，按年利用4 500 h、電價0.5元/kWh計算，2臺機組年運行費用高達450萬元；由于熱風含塵，易造成電加熱器、熱解爐或AIG噴氨格柵堵灰和磨損，系統(tǒng)故障較頻繁。

經調研分析，尿素熱解熱源最終確定采用爐內煙氣—空氣換熱器技術[8-9]，該技術使用低品級能源代替高品級能源，可大幅降低能耗，大大降低運行維護成本，有效解決系統(tǒng)堵灰和磨損問題。

3 爐內煙氣—空氣換熱器技術

3.1 基本原理

利用鍋爐冷一次風或熱一、二次風自身的壓頭，將少量冷一次風或熱一、二次風送到鍋爐低溫過熱器尾部轉向室水平段上部區(qū)域，在這一區(qū)域布置若干排蛇形管束(空氣走管內)，通過鍋爐高溫煙氣加熱蛇形管束，將冷一次風或熱一、二次風加熱到尿素熱解所需的溫度，隨后將高溫空氣引入尿素熱解爐，為尿素熱解提供熱源[7]，鍋爐煙氣流經煙氣—空氣換熱器后進入低溫過熱器受熱面。

由于熱一、二次風含塵，容易造成煙氣—空氣換熱器換熱管、熱解爐及噴氨格柵堵灰和磨損。冷一次風不含塵且壓頭較高，不會造成換熱管內積灰堵塞，無需設置增壓風機。因此，該電廠尿素熱解爐內煙氣—空氣換熱器選用冷一次風作為空氣源。

3.2 工藝系統(tǒng)

在各種鍋爐工況下，保證進入尿素熱解爐的熱空氣總量不變，使熱解爐的出口溫度穩(wěn)定在350～400 ℃，尿素熱解爐的入口溫度一般控制在450～650 ℃，從而滿足尿素熱解反應對熱空氣溫度與熱量的需求，確保尿素充分熱解，避免生成中間產物堵塞尿素熱解系統(tǒng)[7]。

煙氣—空氣換熱器設調節(jié)旁路，當機組高負荷運行時，如檢測到熱解爐入口溫度高于650 ℃，則聯(lián)鎖開啟煙氣—空氣換熱器旁路調節(jié)閥，啟動冷風調節(jié)旁路，通過調節(jié)冷風流量，將尿素熱解爐入口空氣溫度降至設定溫度。

為了確保在低負荷工況下也能滿足尿素熱解的最低溫度需要，根據不同項目的計算結果可以在煙氣—空氣換熱器出口管道上設置電加熱器作為輔助熱源。由于燃料變化、機組低負荷實際運行偏差等原因，當煙氣—空氣換熱器的出口熱空氣溫度不能滿足尿素熱解溫度要求時，可啟動電熱器進一步提高熱空氣溫度，以滿足尿素熱解最低溫度的需要。系統(tǒng)管道上設有相應的溫度、壓力和流量測點，以滿足尿素熱解系統(tǒng)控制和運行監(jiān)測的需要。

3.3 方案設計

該電廠脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度為200 mg/Nm3(干基，6%氧)，出口設計濃度為35 mg/Nm3，脫硝效率為82.5%，根據鍋爐各工況煙氣參數，計算得到尿素溶液耗量及尿素熱解熱量需求見表1。

表1 尿素溶液耗量及尿素熱解熱量需求

3.3.1 整體布置

煙氣—空氣換熱器布置在鍋爐低溫過熱器尾部轉向室水平段上部區(qū)域，換熱管采用與低溫過熱器相同的支吊方式布置。

3.3.2 換熱計算

通過熱平衡計算得到煙氣換熱計算結果見表2。

表2 煙氣—空氣換熱器計算結果

換熱計算結果表明:

a. 煙氣—空氣換熱器空氣側阻力最大為453 Pa(BMCR工況)，該電廠冷一次風壓頭完全滿足系統(tǒng)壓降要求，不需要設置增壓風機。

b. 沖刷煙氣—空氣換熱器煙氣側溫降不超過5 ℃(BMCR工況)，對低溫過熱器區(qū)域傳熱影響較小，基本可以忽略不計。

c. 40%THA及以上鍋爐工況下，煙氣—空氣換熱器出口空氣溫度均能達到熱解溫度需求，僅30%BMCR工況煙氣—空氣換熱器出口空氣溫度稍低于熱解溫度需求。該電廠可在煙氣—空氣換熱器之后增加輔助電加熱器，功率設置為300 kW，可根據實際運行溫度需求選擇開啟或關閉電加熱器。輔助電加熱器不僅能解決30%BMCR煙氣—空氣換熱器出口空氣溫度稍低于熱解需求溫度的問題，還能降低由于實際運行時鍋爐煙氣溫度低于理論計算值所引起的換熱器出口空氣溫度低于熱解溫度的風險。輔助電加熱器增加了整個尿素熱解爐內煙氣—空氣換熱器系統(tǒng)的可靠性[7]。

3.3.3 對鍋爐性能的影響

通過鍋爐性能計算，得到爐內煙氣—空氣換熱器對鍋爐換熱量影響結果見表3。

表3 對鍋爐換熱量影響結果

熱解空氣的熱量來源于鍋爐煙氣，煙氣的熱量來源于煤燃料，將這部分熱量折算為煤耗時，BMCR工況煤耗僅為106.53 kg/h，相對于整個鍋爐煤耗而言僅增加0.029 4%，對鍋爐整體傳熱和效率的影響非常小，可以忽略不計。

若采用電加熱技術作為尿素熱解熱源技術，至少應選用1 000 kW的電加熱器，折算為煤耗約380 kg/h，遠大于煙氣—空氣換熱器技術的煤耗折算量106.53 kg/h。由此可見，相比于電加熱技術，采用尿素熱解煙氣—空氣換熱器技術能大幅降低能耗，大大降低運行成本。

4 結束語

某1 000 MW機組鍋爐SCR脫硝尿素熱解熱源采用爐內煙氣—空氣換熱器技術。相較于傳統(tǒng)尿素熱解電加熱熱風技術，該電廠采用的尿素熱解熱源技術使用低品級能源代替高品級能源，可大幅降低能耗，大大降低運行維護成本，克服系統(tǒng)堵灰和磨損問題。同期采用爐內煙氣—空氣換熱器技術的項目，目前已有投入運行的機組。由實際運行數據可知，系統(tǒng)運行情況與設計基本吻合，爐內煙氣—空氣換熱器技術在鍋爐全負荷段均能滿足尿素熱解系統(tǒng)的熱源需求，對鍋爐傳熱及鍋爐性能影響可以忽略不計。

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[9] 盛佳眉，俸錦興.一種鍋爐煙氣熱換熱系統(tǒng)[P].實用新型專利號：ZL201520397784.6.

Research on Heat Source Technology of SCR De-NOxUrea Pyrogenation for 1 000 MW Unit Boiler

AI Zhongyan1，YAN Shunjuan2，ZHANG Xiangqun3

(1.Shenhua Guohua Yongzhou Power Co.，Ltd.，Yongzhou，Hunan 425000，China； 2.Dongfang Boiler Group Co.，Ltd.，Chengdu，Sichuan 611731，China； 3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

This paper uses furnace flue gas-air heat exchanger technology in boiler as heat source technology of urea pyrogenation.The technology uses low-grade energy instead of high-grade energy which can significantly reduce electric consumption and operating costs which overcomes the blockage and abrasion problems.The result shows that the flue gas-air heat exchanger technology in boiler has little influence on boiler performance which can be neglected.

SCR de-NOx；urea pyrogenation；flue gas-air heat exchanger

X773

A

1004-7913(2017)10-0026-03

艾忠?guī)r(1981)，男，學士，工程師，主要從事火力發(fā)電廠鍋爐技術管理工作。

2017-05-27)