1 000 MW機(jī)組鍋爐SCR脫硝尿素?zé)峤饧夹g(shù)研究

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(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

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試驗(yàn)與研究

1 000 MW機(jī)組鍋爐SCR脫硝尿素?zé)峤饧夹g(shù)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(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

某1 000 MW機(jī)組鍋爐擬采用尿素?zé)峤庵瓢狈ǐ@取SCR脫硝所需還原劑，常用的尿素?zé)峤鉄嵩醇夹g(shù)來自于電加熱鍋爐熱風(fēng)技術(shù)，但該技術(shù)耗電量大，運(yùn)行成本高，且熱風(fēng)含塵，易造成堵灰和磨損。經(jīng)分析比較，采用爐內(nèi)煙氣—空氣換熱器作為尿素?zé)峤鉄嵩矗摷夹g(shù)使用低品級(jí)能源代替高品級(jí)能源，大大降低運(yùn)行維護(hù)成本，克服系統(tǒng)堵灰和磨損問題。計(jì)算結(jié)果表明，爐內(nèi)煙氣—空氣換熱器技術(shù)對(duì)鍋爐性能影響極小，基本可以忽略不計(jì)。

SCR脫硝；尿素?zé)峤猓粺煔狻諝鈸Q熱器

某1 000 MW機(jī)組鍋爐原SCR脫硝還原劑為液氨，考慮到液氨為乙類危險(xiǎn)化學(xué)品，是有毒有害物質(zhì)，并需要一定的儲(chǔ)存壓力，國家相關(guān)法規(guī)對(duì)液氨運(yùn)輸和儲(chǔ)存要求較為嚴(yán)格；尿素為無毒無害化學(xué)品，無爆炸危險(xiǎn)性，其運(yùn)輸、儲(chǔ)存及使用極為方便[1-3]。經(jīng)過對(duì)比分析，將SCR脫硝還原劑方案更改為尿素?zé)峤庵瓢薄?/p>

1 SCR脫硝尿素?zé)峤饣驹?/h2>

在尿素溶解系統(tǒng)中將尿素配制成質(zhì)量濃度為50%的尿素溶液，然后經(jīng)輸送泵、計(jì)量分配裝置和噴射器等噴入尿素?zé)峤鉅t，尿素溶液在溫度450～650 ℃的熱空氣環(huán)境條件下分解產(chǎn)生NH3，NH3和空氣的混合物隨后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器，在催化劑作用下將煙氣中的NOx還原成N2和H2O，從而達(dá)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(chǎn)物不發(fā)生逆反應(yīng)，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物，需控制熱解產(chǎn)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?zé)峤庑枰盏臒崃繛閷⒁欢ㄙ|(zhì)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(guān)，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(yīng)熱三部分熱量[7]。

2 尿素?zé)峤怆娂訜峒夹g(shù)

目前工程上最常用的尿素?zé)峤鉄嵩醇夹g(shù)來自于電加熱鍋爐熱風(fēng)技術(shù)，其原理為利用鍋爐熱一、二次風(fēng)自身的壓頭，將部分鍋爐熱一、二次風(fēng)(300 ℃左右)送到電加熱器中加熱，最終熱一、二次風(fēng)被加熱到650 ℃后進(jìn)入尿素?zé)峤鉅t，為尿素?zé)峤馓峁嵩础?/p>

該技術(shù)不足之處在于耗電量大，運(yùn)行成本高，以某1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組為例進(jìn)行計(jì)算，至少選用1 000 kW的電加熱器，按年利用4 500 h、電價(jià)0.5元/kWh計(jì)算，2臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)450萬元；由于熱風(fēng)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(jīng)調(diào)研分析，尿素?zé)峤鉄嵩醋罱K確定采用爐內(nèi)煙氣—空氣換熱器技術(shù)[8-9]，該技術(shù)使用低品級(jí)能源代替高品級(jí)能源，可大幅降低能耗，大大降低運(yùn)行維護(hù)成本，有效解決系統(tǒng)堵灰和磨損問題。

3 爐內(nèi)煙氣—空氣換熱器技術(shù)

3.1 基本原理

利用鍋爐冷一次風(fēng)或熱一、二次風(fēng)自身的壓頭，將少量冷一次風(fēng)或熱一、二次風(fēng)送到鍋爐低溫過熱器尾部轉(zhuǎn)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(nèi))，通過鍋爐高溫?zé)煔饧訜嵘咝喂苁瑢⒗湟淮物L(fēng)或熱一、二次風(fēng)加熱到尿素?zé)峤馑璧臏囟龋S后將高溫空氣引入尿素?zé)峤鉅t，為尿素?zé)峤馓峁嵩碵7]，鍋爐煙氣流經(jīng)煙氣—空氣換熱器后進(jìn)入低溫過熱器受熱面。

由于熱一、二次風(fēng)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(fēng)不含塵且壓頭較高，不會(huì)造成換熱管內(nèi)積灰堵塞，無需設(shè)置增壓風(fēng)機(jī)。因此，該電廠尿素?zé)峤鉅t內(nèi)煙氣—空氣換熱器選用冷一次風(fēng)作為空氣源。

3.2 工藝系統(tǒng)

在各種鍋爐工況下，保證進(jìn)入尿素?zé)峤鉅t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?zé)峤鉅t的入口溫度一般控制在450～650 ℃，從而滿足尿素?zé)峤夥磻?yīng)對(duì)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(chǎn)物堵塞尿素?zé)峤庀到y(tǒng)[7]。

煙氣—空氣換熱器設(shè)調(diào)節(jié)旁路，當(dāng)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如檢測(cè)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(diào)節(jié)閥，啟動(dòng)冷風(fēng)調(diào)節(jié)旁路，通過調(diào)節(jié)冷風(fēng)流量，將尿素?zé)峤鉅t入口空氣溫度降至設(shè)定溫度。

為了確保在低負(fù)荷工況下也能滿足尿素?zé)峤獾淖畹蜏囟刃枰鶕?jù)不同項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果可以在煙氣—空氣換熱器出口管道上設(shè)置電加熱器作為輔助熱源。由于燃料變化、機(jī)組低負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行偏差等原因，當(dāng)煙氣—空氣換熱器的出口熱空氣溫度不能滿足尿素?zé)峤鉁囟纫髸r(shí)，可啟動(dòng)電熱器進(jìn)一步提高熱空氣溫度，以滿足尿素?zé)峤庾畹蜏囟鹊男枰Ｏ到y(tǒng)管道上設(shè)有相應(yīng)的溫度、壓力和流量測(cè)點(diǎn)，以滿足尿素?zé)峤庀到y(tǒng)控制和運(yùn)行監(jiān)測(cè)的需要。

3.3 方案設(shè)計(jì)

該電廠脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度為200 mg/Nm3(干基，6%氧)，出口設(shè)計(jì)濃度為35 mg/Nm3，脫硝效率為82.5%，根據(jù)鍋爐各工況煙氣參數(shù)，計(jì)算得到尿素溶液耗量及尿素?zé)峤鉄崃啃枨笠姳?。

表1 尿素溶液耗量及尿素?zé)峤鉄崃啃枨?/p>

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(zhuǎn)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(jì)算

通過熱平衡計(jì)算得到煙氣換熱計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 煙氣—空氣換熱器計(jì)算結(jié)果

換熱計(jì)算結(jié)果表明:

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

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

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(dá)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(shè)置為300 kW，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行溫度需求選擇開啟或關(guān)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(shí)際運(yùn)行時(shí)鍋爐煙氣溫度低于理論計(jì)算值所引起的換熱器出口空氣溫度低于熱解溫度的風(fēng)險(xiǎn)。輔助電加熱器增加了整個(gè)尿素?zé)峤鉅t內(nèi)煙氣—空氣換熱器系統(tǒng)的可靠性[7]。

3.3.3 對(duì)鍋爐性能的影響

通過鍋爐性能計(jì)算，得到爐內(nèi)煙氣—空氣換熱器對(duì)鍋爐換熱量影響結(jié)果見表3。

表3 對(duì)鍋爐換熱量影響結(jié)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(shí)，BMCR工況煤耗僅為106.53 kg/h，相對(duì)于整個(gè)鍋爐煤耗而言僅增加0.029 4%，對(duì)鍋爐整體傳熱和效率的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

若采用電加熱技術(shù)作為尿素?zé)峤鉄嵩醇夹g(shù)，至少應(yīng)選用1 000 kW的電加熱器，折算為煤耗約380 kg/h，遠(yuǎn)大于煙氣—空氣換熱器技術(shù)的煤耗折算量106.53 kg/h。由此可見，相比于電加熱技術(shù)，采用尿素?zé)峤鉄煔狻諝鈸Q熱器技術(shù)能大幅降低能耗，大大降低運(yùn)行成本。

4 結(jié)束語

某1 000 MW機(jī)組鍋爐SCR脫硝尿素?zé)峤鉄嵩床捎脿t內(nèi)煙氣—空氣換熱器技術(shù)。相較于傳統(tǒng)尿素?zé)峤怆娂訜釤犸L(fēng)技術(shù)，該電廠采用的尿素?zé)峤鉄嵩醇夹g(shù)使用低品級(jí)能源代替高品級(jí)能源，可大幅降低能耗，大大降低運(yùn)行維護(hù)成本，克服系統(tǒng)堵灰和磨損問題。同期采用爐內(nèi)煙氣—空氣換熱器技術(shù)的項(xiàng)目，目前已有投入運(yùn)行的機(jī)組。由實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)基本吻合，爐內(nèi)煙氣—空氣換熱器技術(shù)在鍋爐全負(fù)荷段均能滿足尿素?zé)峤庀到y(tǒng)的熱源需求，對(duì)鍋爐傳熱及鍋爐性能影響可以忽略不計(jì)。

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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 and overcome 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)06-0009-03

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

2016-12-27)