基于SCR烟气脱硝的尿素热解系统节能改造
摘要：针对SCR烟气脱硝尿素热解系统电加热器能耗高、运行成本大的弊端，提出1种采用高温烟气换热器代替电加热器的方法。以国内某台1000MW超超临界机组为例，通过试验分析了烟气温度、烟气流量、尿素消耗量对高温烟气换热器的影响，提出了高温烟气换热器的控制策略。试验表明，采用烟气换热器可大幅降低电厂用电量，节约运行费用，经济效益明显。
关键词：SCR；尿素热解；高温烟气换热器；脱硝；烟气温度；烟气流量
0引言
随着我国脱硝排放标准的日益严格，选择性催化还原法（SCR）在燃煤机组已经得到广泛应用。在现有的SCR烟气脱硝技术中，还原剂主要有尿素、氨水和液氨3种。氨水和液氨具有强腐蚀性，运输与储存均有较大的安全隐患，因此尿素作为一种安全的还原剂得到了广泛的运用，但常规的加热器热解的方式能耗较高，为此本文提出一种利用高温烟气加热热一次风作为尿素热解热源的方法，可为SCR尿素热解系统经济运行提供借鉴。
1尿素热解技术
1.1工艺原理
SCR烟气脱硝中尿素热解反应是将质量分数为40%~50%尿素溶液喷入热解炉，在温度为350~650℃的热一次风下，尿素溶液蒸发析出尿素，生成NH3和CO2。总方程式为：
1.2尿素热解技术
SCR尿素热解的关键就是热源，目前常用的尿素热解用热源主要有电加热、燃油加热、烟气换热等。
1.2.1电加热热一次风
通过电加热器加热热一次风（300℃左右）作为尿素热解用热源是当前国内燃煤机组常用的方法（见图1所示），锅炉一次风自身压头较大，不需增设其他设备，系统整体比较简单。但是该技术能耗较高，1000MW机组电加热功率为1200kW左右，运行成本较大。
1.2.2燃油加热
燃油加热可以直接通过火炬燃烧燃油，并混合一定的冷风，使热烟气的温度达到600℃左右。本系统最为简单，但因为柴油价格高，因此加热成本比电加热还高，基本上不再采用。
1.2.3烟气换热
以锅炉的高温烟气对热一次风进行加热，是一种比较节能的加热方式，分内置式烟气换热和外置式烟气换热2种结构，见图2、图3所示。
内置式烟气加热就是把高温烟气换热器受热面布置在锅炉高温烟道内，使热一次风升到600℃的高温，然后进入热解室，将尿素溶液热解成氨气。内置式结构需要锅炉烟道内有安装空间。烟气换热器通常安装在低温过热器或低温再热器的前面，烟气温度在600~700℃。对新建机组采用该方式较容易，但同时需要考虑热膨胀、磨损、积灰等问题。
外置式烟气加热就是单独在外面设置1个烟气换热器，用管道将650~750℃的高温烟气从烟道过热器或再热器处引出，换热后再返回空气预热器入口。这一部分烟气未参与脱硝，但因为烟气量很小，对最终的烟气排放浓度影响仅为1~2mg/m3，而且施工方便，使用寿命长，成为目前的主流形式。
2应用实例
以国内某台1000MW超超临界机组为例，对外置式烟气换热器节能效果进行试验分析。该机组原来采用电加热器SCR进行尿素热解，后改造为外置式烟气换热器。
2.1设备概况
SCR还原剂采用尿素热解法制备工艺，首先将尿素颗粒溶解成质量分数50%的尿素溶液并输送至尿素溶液储存罐，其次通过高流量循环泵将尿素溶液加压输送至尿素溶液计量分配装置，并雾化喷入热解炉。热解炉内尿素溶液雾化液滴在一定温度下热解成氨混合物。最后，氨混合物通过喷氨格栅注射到SCR入口烟道烟气中。脱硝装置入口烟气参数见表1所示。
2.2烟气换热器系统
热解炉热源利用锅炉高温再热器后、低温再热器入口的水平烟道处约640℃的高温烟气，通过烟气换热器系统加热一次风，以满足尿素热解，保证运行中热解炉出口温度不低于342℃。
2.3试验方法
在负荷稳定、脱硝装置正常投运的条件下，投运烟气换热器，对热解炉出口、烟气入口和出口、一次风入口和出口5个测点参数进行测量。
3试验结果与分析
3.1烟气流量对出口风温的影响
在机组负荷、入口热一次风量、入口烟气温度、入口热一次风温稳定的条件下，改变换热器烟气流量，每个试验工况稳定3h，测量不同烟气流量下出口热一次风温度，得到表2的结果。从表2可以看出，在机组负荷稳定情况下，随着入口烟气流量的升高，出口热一次风温度相应增大，这是因为入口烟气携带较多的热量，与热一次风有了更多的热量交换，从而使得出口热一次风温度提高。
3.2入口烟温对出口风温的影响
入口烟气温度不同时，入口热一次风风量、入口热一次风温度、入口烟气流量，出口热一次风温度的数据如表3所示。
从表3可知，随着入口烟气温度的降低，热一次风出口风温相应降低，这是因为入口烟气携带的热量降低，同热一次风交换的热量减少，导致出口烟气温度降低。
3.3尿素量对热解炉出口风温的影响
在机组负荷、热一次风量、换热器出口热一次风温度稳定的情况下，改变机组总尿素量，测量热解炉出口风温，结果如表4所示。
随着总尿素量相应降低，热解炉出口风温相应提高。这是因为尿素热解需要的热量降低，从而热解炉出口风温升高。
3.4换热器控制策略
从以上分析可知，为保证尿素热解系统正常运行即热解炉出口温度在342℃以上，需要保证进入热解炉的热空气温度在合理范围内，以满足尿素热解热量的需要，避免生成固体物堵塞管道。温度控制需要根据机组负荷、SCR装置入口氮氧化物浓度、尿素溶液流量进行，可以通过提高入口烟气流量或入口烟气温度等方法。在机组改造时需要在合理的温度段引进热烟气，并通过计算设置合理的烟气流量余量，以满足低负荷下热解炉出口温度的要求，必要时可以设置电加热器，以增加整个尿素热解系统的可靠性。
3.5经济性分析
对该厂投运的电加热器运行时电流值和热解炉出口温度进行测量，结果如表5所示。1000MW机组在投运电加热器时，各负荷段内电加热器电流值相近，平均为1055A，对应功率在1200kW左右，按机组年均运行5500h计算，电价按0.45元/kWh计算，每年需要消耗电量660万kWh，费用约297万元。采用烟气换热器后，不再需要电加热器，每年可节约297万元。
烟气换热器主体建设期间可不停机，利用机组计划检修期间完成接口工作，接口时间仅需10d，不会因改造产生额外的停机损失。
尿素热解稀释风采用高温烟气换热器加热时，从锅炉尾部转向室抽取高温烟气，烟气量约占锅炉烟气总量的0.4%，对锅炉运行调整、烟气成分及锅炉效率等基本无影响，在不同负荷下的煤耗量基本维持不变。
4结语
随着电厂对环保设备运行稳定性和经济性要求的提高及国家节能降耗要求，尿素热解系统采用常规电加热方案时存在运行稳定性较差、运行成本高的缺点。采用烟气换热器可提高运行稳定性、大幅降低电厂电量消耗，节约运行费用，改造便于实施，应用前景广阔，具有较好的经济效益和环保效益，为大型电站锅炉的安全经济高效运行提供参考。
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