煙氣換熱器在某150 MW機組SCR脫硝尿素水解系統(tǒng)中的應用

孫祖毅，張華東，雷嗣遠，馬躍東，王樂樂，孔凡海

(1.華能煙臺電廠，山東 煙臺 264002； 2.華能山東發(fā)電有限公司，濟南 250014； 3.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，蘇州 215153)

煙氣換熱器在某150 MW機組SCR脫硝尿素水解系統(tǒng)中的應用

孫祖毅1，張華東2，雷嗣遠3，馬躍東1，王樂樂3，孔凡海2

(1.華能煙臺電廠，山東 煙臺 264002； 2.華能山東發(fā)電有限公司，濟南 250014； 3.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，蘇州 215153)

選擇性催化還原技術(shù)(SCR)煙氣脫硝尿素水解制氨系統(tǒng)出口混合氣體具有一定的過熱度，介紹了一種采用脫硝出口煙道內(nèi)置式煙氣-空氣換熱器加熱冷稀釋風的方法和設備，該設備具有系統(tǒng)簡單、投資少、檢修維護方便及節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，實際運行效果達到了預期要求，且節(jié)能效果顯著，為類似節(jié)能改造工程提供了借鑒，具有良好的推廣價值。

SCR脫硝；尿素水解；煙氣換熱器

0 引言

煙氣換熱器在電站鍋爐上有著廣泛的應用，通常利用其吸收煙氣余熱來加熱冷風或水媒，以實現(xiàn)余熱的回用或代替部分高品位電能的消耗，是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一[1]。為降低液氨作為選擇性催化還原技術(shù)(SCR)脫硝還原劑運輸和儲存過程中的風險，越來越多的城市電廠SCR脫硝系統(tǒng)采用尿素熱解或水解工藝來制備SCR脫硝反應中所需要的氨氣[2]。其中，尿素水解制氨工藝原理是將一定濃度的尿素溶液，在給定的溫度和壓力條件下反應，生成氣相的氨、二氧化碳和水蒸氣的混合物[3]。在氣液兩相共存的情況下，易發(fā)生液滴對管道、閥門等的沖擊影響，尿素水解反應器出口混合氣在進入SCR入口煙道之前需保證一定的過熱度。根據(jù)混合氣參數(shù)的不同，通常需要將混合氣的溫度保持在150 ℃以上。某電廠150 MW機組脫硝改造，采用尿素水解工藝制備SCR反應所需的氨氣。鍋爐空氣預熱器采用兩分倉形式，存在預熱器出口二次熱風風量不足、攜帶煙塵及風壓偏低等問題，不滿足提供SCR尿素水解熱稀釋風的要求。為克服此問題，該電廠采用在脫硝出口煙道內(nèi)設置煙氣換熱器來加熱冷稀釋風的方式，滿足尿素水解系統(tǒng)出口混合氣加熱需要。該系統(tǒng)工藝簡單、投資少、節(jié)省電耗，為同類機組的節(jié)能改造提供了參考。

1 煙氣換熱器的設計

1.1 設計參數(shù)及性能要求

某燃煤電廠150 MW機組，SCR脫硝系統(tǒng)采用尿素水解制氨工藝，設計要求尿素水解器出口混合氣體溫度不低于150 ℃。為保證進入SCR進口煙道的混合氣體有一定的過熱度，初期設計采用電加熱器加熱冷稀釋風，系統(tǒng)配有2臺軸流式稀釋風機(1用1備)和1套電加熱器，單臺風機設計風量2 740 m3/h、風壓5 000 Pa，電加熱器功率185 kW，電壓380 V。為降低因電加熱器故障影響NOx達標排放的風險，同時出于節(jié)能角度考慮，將電加熱器改為管式煙氣-空氣換熱器。換熱器內(nèi)置于SCR出口煙道，鍋爐熱煙氣從管外掠過，冷風在管內(nèi)流動，冷稀釋風經(jīng)換熱器加熱后，與來自尿素水解器出口的混合氣體進一步混合后，最終進入SCR氨噴射系統(tǒng)。煙氣-空氣換熱器系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 煙氣換熱器系統(tǒng)布置圖

該工程鍋爐額定蒸發(fā)量為480 t/h，額定負荷下SCR反應器出口煙道內(nèi)煙氣量為549 725 m3/h，日日常50%～100% 鍋爐經(jīng)濟連續(xù)出力(ECR)工況下運行時，煙氣換熱器入口設計煙溫為285～340 ℃。換熱器入口風溫為-20 ℃，煙氣換熱器需滿足以下條件：50%～100%ECR工況下的出口熱風溫度不低于165 ℃；ECR工況下的換熱器煙氣側(cè)阻力不大于110 Pa；換熱管內(nèi)空氣側(cè)阻力不大于500 Pa。該工程煙氣換熱器設計煙氣參數(shù)及性能要求見表1。

表1 換熱器設計煙風參數(shù)及性能要求

1.2 換熱器結(jié)構(gòu)

該工程煙氣換熱器具有以下特點。

(1)換熱性能好、阻力低：換熱元件采用管式結(jié)構(gòu)，換熱管采用內(nèi)部光管、外部翅片管的結(jié)構(gòu)，以強化管外煙氣換熱，同時降低管道內(nèi)稀釋風沿程阻力[4]。

(2)布置緊湊：換熱器在煙道內(nèi)截面尺寸為8 000 mm×3 000 mm，沿煙氣流向垂直高度為600 mm，總換熱面積約77 m2。為便于現(xiàn)場布置，并減少管道沿程阻力，換熱器的冷風進口端和熱風出口端設置在換熱器同一側(cè)，換熱器本體結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 換熱器結(jié)構(gòu)布置

(3)檢修維護方便：考慮換熱器的整體施工安裝及后期運行中的檢修維護，換熱器的換熱元件分為2箱進行現(xiàn)場拼裝，兩端由2個200 mm長的密封罩進行封裝，進出口冷熱風管與其中一端密封罩銜接，換熱器整體質(zhì)量約3.5 t。停機檢修期間，若發(fā)現(xiàn)換熱管磨損穿孔，可將磨損的一箱吊出或抽出進行維護。

(4)壽命長：考慮到換熱器元件的耐磨、抗腐蝕等特性，換熱器板材采用Q345B鋼板，厚度為6.0 mm；換熱管采用20鋼，壁厚2.5 mm，換熱元件設計使用壽命不低于10年，施工期間煙道內(nèi)換熱元件布置如圖3所示。

圖3 施工期間的煙道內(nèi)換熱元件外觀

2 運行效果

按照以上設計方案，煙氣換熱器系統(tǒng)改造后的煙道外部結(jié)構(gòu)如圖4所示。運行2年來，系統(tǒng)未出現(xiàn)過外接管道漏氣、換熱管磨損等問題，停機期間換熱元件的檢查情況如圖5所示。

圖4 煙氣換熱器系統(tǒng)冷熱風管道布置

圖5 停機期間換元件檢查情況

日常運行中，機組不同負荷下的換熱器出口熱風溫度均高于170 ℃，達到了預期效果，實際運行中不同負荷下的換熱器出口熱風溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2 換熱器出口熱風溫度

3 經(jīng)濟性分析

該工程150 MW機組SCR脫硝尿素水解制氨系統(tǒng)，實施煙氣換熱器改造后，替代了原有電加熱器系統(tǒng)，降低了因電加熱器故障引起的NOx超標排放的風險，同時有效降低了脫硝系統(tǒng)的電耗。實施煙氣換熱器改造后，理論計算每年可節(jié)省電耗110 MW·h，按照上網(wǎng)電價0.45元/(kW·h)計算，脫硝系統(tǒng)每年可節(jié)省用電成本49.95萬元，節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)論

(1)在SCR尿素水解制氨系統(tǒng)中，采用煙道內(nèi)置式煙氣換熱器加熱冷稀釋風代替電加熱器，具有設備結(jié)構(gòu)簡單、實用性強的特點。

(2)煙氣換熱器設置在高溫煙道內(nèi)部，換熱管采用翅片管結(jié)構(gòu)，所需換熱元件面積小，且冷、熱風管道在同一端進出，整體結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高。

(3)設計時考慮了耐磨、防腐問題，同時換熱元件采用兩箱結(jié)構(gòu)，易于吊出或抽出煙道，便于檢修與維護。

(4)根據(jù)實際煙風參數(shù)設計出的煙氣換熱器，運行效果良好，出口熱風溫度不低于190 ℃，達到了尿素水解系統(tǒng)所需熱風溫度要求。

(5)該煙氣換熱器在某150 MW機組尿素水解系統(tǒng)中的應用，成功替代了原有電加熱器，節(jié)能效果明顯。

[1]李斌，黨自立.低溫省煤器設計及其動態(tài)特性分析[J].熱力發(fā)電，2014,42(2)：25-29.

[2]陳彩霞，張軍，沈樂，等.火電廠尿素熱解和水解工藝研究[J].電力科學與工程,2014,30(6):16-19.

[3]姚宣，沈濱，鄭鵬，等.煙氣脫硝用尿素水解裝置性能分析[J].中國電機工程學報,2013,33(14):38-43.

[4]張勇，胡斌，等.H型換熱器的數(shù)值分析及優(yōu)化設計[J].鍋爐技術(shù)，2013,44(1)：1-4.

(本文責編：劉炳鋒)

2017-01-11；

2017-02-09

TK 242

B

1674-1951(2017)02-0068-03

孫祖毅(1978—)，男，山東煙臺人，工程師，從事電廠鍋爐檢修方面的工作(E-mail:sunzuyi2071@163.com)。

張華東(1975—)，男，山東威海人，高級工程師，從事電廠鍋爐、環(huán)保專業(yè)運行管理及及檢修維護方面工作(E-mail:huad-zhang@163.com)。

雷嗣遠(1984—)，男，廣西柳州人，工程師，工學碩士，從事燃煤電廠脫硝催化劑運行診斷與檢測評估方面工作(E-mail:leisiyuan7@163.com)。

馬躍東(1969—)，男，山西臨汾人，工程師，從事鍋爐檢修與維護方面工作(E-mail:xm1562@163.com)。

王樂樂(1984—)，男，河南洛陽人，高級工程師，工學碩士，從事SCR煙氣脫硝技術(shù)研究及催化劑壽命管理方面工作(E-mail:wanglele003@163.com)。

孔凡海(1981—)，男，江蘇徐州人，高級工程師，工學博士，從事火電廠煙氣脫硝設備運行診斷評估及運行管理研究方面工作(E-mail:kongfanhai211@163.com)。