600 MW機組脫硝系統新型煙氣換熱器應用技術

牛 正

（南陽天益發電有限責任公司，河南南陽 473000）

0 引言

某公司2008年投產的2×600 MW燃煤機組，鍋爐為超臨界滑壓運行直流鍋爐，型號DG1900/25.4-Ⅱ1，2014年根據需要改造了脫硝系統，主要采用尿素熱解產生氨氣制備還原劑，煙氣脫硝工藝是選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction，SCR），脫硝系統單臺爐布置2室，反應器采用板式催化劑，主要耗電設備電加熱器額定功率1520 kW。

1 問題分析

（1）脫硝系統原電加熱器額定功率1520 kW，按實際運行功率利用率60%計算，每年消耗電能約578.99萬kW·h，電費達224.59萬元人民幣。

（2）電加熱器使用期間磨損泄漏（圖1）、超溫跳閘、加熱管損壞時有發生，較高的故障率造成脫硝系統頻繁退出運行，設備的可靠性低，容易造成氮氧化物小時均值排放超標。

（3）電加熱器本身熱容量小，所以熱解溫度隨系統的響應速較慢度慢，調節性能不穩定。受電加熱器特性本身不好，熱解爐出口溫度不能根據需要盡快調整溫度，滯后時間較長，特別是電加熱器在長時間高負荷接近跳閘上限運行，沒有調整余地，嚴重時影響脫硝系統反應器效率。

圖1 電加熱器磨損嚴重

2 解決方案

爐內加裝一套煙氣換熱器，提高脫硝系統運行的安全穩定性和經濟性。

（1）利用尾部煙氣的熱傳導，通過煙氣換熱器可對冷一次風進行加熱，加熱溫度最高能達到（600～650）℃，也就是將低品質熱能轉換替換原來的高品質電能，以后不再使用電加熱器，能將廠用電率降0.2%～0.25%。

（2）煙氣換熱器傳熱穩定均勻，在運行中調整手段更多、更靈活，反應速度快使脫硝系統反應器效率穩定。

（3）采用煙氣直接加熱潔凈冷一次風的爐內煙氣換熱器技術，避免了原系統風源中熱一次風中含塵量大的問題，干凈的一次風在噴氨母管中順利通過，不會積灰，噴氨支管不存在結垢堵塞，同時解決了脫硝系統效率低的問題。

（4）降低維護成本，節省脫硝電加熱器損壞造成的采購及維護費用。

3 煙氣換熱器應用方案

改造后的鍋爐脫硝設備煙氣換熱器，主要由冷一次風管道系統、煙氣換熱器、熱風管道系統、閥門及電控裝置等組成。

3.1 系統及設備布置（圖2）

在鍋爐尾部煙道后豎井，低過水平段前區域布置一套煙氣換熱器，由0 m層一次風機出口木管抽出的冷一次風，經管道進入鍋爐內布置的蛇形管煙氣換熱器，換熱后的熱風管接入電加熱器前原一次風管道，在接入點前的原一次風管道上新增一臺電動蝶閥用于切斷。并在換熱后的熱風管道上新增一冷風支路，若換熱后一次熱風超溫可通過此支路調節進入熱解爐溫度。煙氣換熱器通過吊桿懸掛于鍋爐爐頂的大板梁處，利用高溫熱煙氣將冷一次風（20℃）加熱至SCR脫硝制氨工藝尿素熱解爐需要的工藝溫度（≥550℃），確保熱解爐出口溫度≥350℃，實現替代電加熱器的功能，節省廠用電及達標排放。

3.2 爐內換熱器管束布置

鍋爐一次風機出口母管壓力穩定，引出后通過冷一次風自身的壓力作為壓頭，將少量冷一次風通過冷風管道輸送到鍋爐尾部煙道，低溫過熱器管排上部空間區域，在這里懸掛一套蛇形管束，高溫煙氣加熱管束為逆流，冷風在后熱風在前，（管內一次風，管外鍋爐煙氣，占用空間小），通過尾部煙氣加熱器蛇形管束吸熱，將送來的冷一次風加熱至（600～650）℃，再把高溫空氣引入尿素熱解爐，為尿素熱解提供熱源。

圖2 脫硝設備煙氣換熱器系統布置

3.3 爐內管道布置方式及防磨措施

（1）煙氣換熱器蛇形管束采用拉稀布置，能降低尾部煙氣對其的沖刷速度，抗磨損能力大幅度提高；對于易磨損的迎風面彎頭及易磨損的其他部位全部加裝防磨瓦，通過防磨措施可避免因磨損造成的管道泄漏。

（2）換熱器垂直懸掛于低過水平段上部超大空間里，方便日常檢查和檢修，同時也不會不影響本區域其他受熱面管道檢修。

（3）特殊情況下，即使煙氣換熱器個別管道發生泄漏，由于壓力低也不影響煙氣換熱器的整體運行性能。

3.4 改造方案對系統的影響評估

3.4.1 煙氣換熱器換熱后對鍋爐效率的影響。

煙氣換熱器出口風溫最高達到650℃以上，故煙氣換熱器設計體積小、布置在鍋爐中心線附近，只占鍋爐總寬度的1/2面積，且蛇形管束是拉稀布置，不會影響包墻過熱器的正常膨脹，減少煙氣換熱器與包墻過熱器的膨脹熱應力。

通過公式計算驗證，煙氣換熱器相對于鍋爐受熱面來講，總的熱量需求小，對煙氣流場和煙氣溫降的影響很小。

熱平衡計算過程以100%BMCR（Boiler Maximum Continue Rate，火電廠鍋爐最大連續蒸發量）工況計算（50%BMCR/40%BMCR工況時計算過程與之相同）：入口風溫20℃，出口風溫600℃，風量 9100 m3/h。查焓值表得出空氣進口側的焓值為4.7 kcal/m3，空氣出口側焓值為205.4 kcal/m3，計算得焓值差Δ焓煙氣=840.13 kJ/m3。空氣側吸熱 Q空氣=流量×Δ焓空氣=7 645 183 kJ/h。煙氣側釋放的熱量即為煙氣換熱器將20℃加熱到600℃所吸收的熱量。按照設計煤種平頂山煙煤，100%BMCR時煤的低位發熱量為5113 kcal/kg，折合為21 403.01 kJ/m3，折算成標煤為357.2 kg/h，而總燃料消耗量為247.8 t/h，煙氣換熱器所吸收的熱量占整個鍋爐的熱量比為0.14%

由上述計算結果可知，煙氣換熱器工作中吸收鍋爐煙氣的熱量，相當于對鍋爐總體需求熱量增加煤耗約0.14%，可忽略不計，但有利于排煙溫度的降低，提高鍋爐效率。

3.4.2 煙氣系統阻力影響

由于管束布置方式在低過管排上部空間布置，且布置管束很少，爐內煙氣換熱器管束造成的煙氣阻力增大約500 Pa，對整個鍋爐煙氣阻力來說幾乎可以忽略。

3.4.3 對SCR脫硝裝置脫硝效率的影響。

由于煙氣換熱器布置在爐內，原煙氣流程沒有變化，對SCR裝置效率沒有影響。

3.4.4 一次風系統

根據煙氣換熱器設計在尾部煙道內的布置方案。煙氣換熱器入口的冷一次風風道阻力增加150 Pa，換熱器出口熱風道阻力增加150 Pa，煙氣換熱器全部管束增加風阻1500 Pa，整個煙氣換熱器熱一次風系統總阻力增加約1800 Pa，完全達到并能滿足尿素熱解的需要，不用再新購和布置增壓風機。

4 經濟效益及社會效益分析

4.1 節電

電加熱器的額定功率1520 kW，實際功率利用率60%，折合約為912 kW，項目實施后原電加熱器停止使用后，年節電量6.07×106kW·h，折合235.46萬元人民幣。脫硝電加熱器設備損壞采購物資及維護費用可節省20萬元人民幣/a。

4.2 運行成本

（1）出口熱一次風管道材料S31008具有耐高溫、耐沖刷的特性，設計壽命30 a，因此該部分大口徑管道設計使用期內無維護費用。

（2）出口熱一次風管道系統補償器使用壽命按15 a期限設計，數量為6個，每個單價按1萬元人民幣計算，折算成年維護（材料）費0.4萬元人民幣/a；人工費、措施費按0.4萬元人民幣/a計算；總維護費0.8萬元人民幣/a。

（3）煙氣換熱器管束設計時考慮了阻力和防磨問題。針對爐內環境溫度高，選用耐高溫材料S31008并且采用拉稀布置，換熱管取2倍低過節距，降低此處煙氣沖刷速度，提高管束外部抗磨損能力。每年補充防磨瓦、維護材料、施工費用共計0.5萬元人民幣。

（4）由于此方案采用冷一次風，風管道及其附件粉塵磨損近乎為零，不再納入費用統計。

（5）爐內加熱器吸熱耗能估算每年折合煤耗約增加0.52 g/kW·h，取年利用小時數3800 h，標煤價格700元人民幣/t，折合人民幣91.29萬元。

以上總計（單臺爐）消耗92.59萬元人民幣/a。

4.3 投資回收期

改造投資460萬元人民幣，投資回收期為 2.8 a。

5 結語

脫硝系統停止使用電加熱器后，使用新型煙氣換熱器加熱冷一次風，脫硝正常投用后熱解爐后溫度380℃左右，有效保證脫硝設備正常穩定運行。避免使用電加熱器降低廠用電率，緩解節能減排壓力，給企業帶來良好的經濟效益。