基于SCR煙氣脫硝的尿素熱解系統節能改造
摘要：針對SCR煙氣脫硝尿素熱解系統電加熱器能耗高、運行成本大的弊端，提出1種采用高溫煙氣換熱器代替電加熱器的方法。以國內某臺1000MW超超臨界機組為例，通過試驗分析了煙氣溫度、煙氣流量、尿素消耗量對高溫煙氣換熱器的影響，提出了高溫煙氣換熱器的控制策略。試驗表明，采用煙氣換熱器可大幅降低電廠用電量，節約運行費用，經濟效益明顯。
關鍵詞：SCR；尿素熱解；高溫煙氣換熱器；脫硝；煙氣溫度；煙氣流量
0引言
隨著我國脫硝排放標準的日益嚴格，選擇性催化還原法（SCR）在燃煤機組已經得到廣泛應用。在現有的SCR煙氣脫硝技術中，還原劑主要有尿素、氨水和液氨3種。氨水和液氨具有強腐蝕性，運輸與儲存均有較大的安全隱患，因此尿素作為一種安全的還原劑得到了廣泛的運用，但常規的加熱器熱解的方式能耗較高，為此本文提出一種利用高溫煙氣加熱熱一次風作為尿素熱解熱源的方法，可為SCR尿素熱解系統經濟運行提供借鑒。
1尿素熱解技術
1.1工藝原理
SCR煙氣脫硝中尿素熱解反應是將質量分數為40%~50%尿素溶液噴入熱解爐，在溫度為350~650℃的熱一次風下，尿素溶液蒸發析出尿素，生成NH3和CO2。總方程式為：
1.2尿素熱解技術
SCR尿素熱解的關鍵就是熱源，目前常用的尿素熱解用熱源主要有電加熱、燃油加熱、煙氣換熱等。
1.2.1電加熱熱一次風
通過電加熱器加熱熱一次風（300℃左右）作為尿素熱解用熱源是當前國內燃煤機組常用的方法（見圖1所示），鍋爐一次風自身壓頭較大，不需增設其他設備，系統整體比較簡單。但是該技術能耗較高，1000MW機組電加熱功率為1200kW左右，運行成本較大。
1.2.2燃油加熱
燃油加熱可以直接通過火炬燃燒燃油，并混合一定的冷風，使熱煙氣的溫度達到600℃左右。本系統最為簡單，但因為柴油價格高，因此加熱成本比電加熱還高，基本上不再采用。
1.2.3煙氣換熱
以鍋爐的高溫煙氣對熱一次風進行加熱，是一種比較節能的加熱方式，分內置式煙氣換熱和外置式煙氣換熱2種結構，見圖2、圖3所示。
內置式煙氣加熱就是把高溫煙氣換熱器受熱面布置在鍋爐高溫煙道內，使熱一次風升到600℃的高溫，然后進入熱解室，將尿素溶液熱解成氨氣。內置式結構需要鍋爐煙道內有安裝空間。煙氣換熱器通常安裝在低溫過熱器或低溫再熱器的前面，煙氣溫度在600~700℃。對新建機組采用該方式較容易，但同時需要考慮熱膨脹、磨損、積灰等問題。
外置式煙氣加熱就是單獨在外面設置1個煙氣換熱器，用管道將650~750℃的高溫煙氣從煙道過熱器或再熱器處引出，換熱后再返回空氣預熱器入口。這一部分煙氣未參與脫硝，但因為煙氣量很小，對最終的煙氣排放濃度影響僅為1~2mg/m3，而且施工方便，使用壽命長，成為目前的主流形式。
2應用實例
以國內某臺1000MW超超臨界機組為例，對外置式煙氣換熱器節能效果進行試驗分析。該機組原來采用電加熱器SCR進行尿素熱解，后改造為外置式煙氣換熱器。
2.1設備概況
SCR還原劑采用尿素熱解法制備工藝，首先將尿素顆粒溶解成質量分數50%的尿素溶液并輸送至尿素溶液儲存罐，其次通過高流量循環泵將尿素溶液加壓輸送至尿素溶液計量分配裝置，并霧化噴入熱解爐。熱解爐內尿素溶液霧化液滴在一定溫度下熱解成氨混合物。最后，氨混合物通過噴氨格柵注射到SCR入口煙道煙氣中。脫硝裝置入口煙氣參數見表1所示。
2.2煙氣換熱器系統
熱解爐熱源利用鍋爐高溫再熱器后、低溫再熱器入口的水平煙道處約640℃的高溫煙氣，通過煙氣換熱器系統加熱一次風，以滿足尿素熱解，保證運行中熱解爐出口溫度不低于342℃。
2.3試驗方法
在負荷穩定、脫硝裝置正常投運的條件下，投運煙氣換熱器，對熱解爐出口、煙氣入口和出口、一次風入口和出口5個測點參數進行測量。
3試驗結果與分析
3.1煙氣流量對出口風溫的影響
在機組負荷、入口熱一次風量、入口煙氣溫度、入口熱一次風溫穩定的條件下，改變換熱器煙氣流量，每個試驗工況穩定3h，測量不同煙氣流量下出口熱一次風溫度，得到表2的結果。從表2可以看出，在機組負荷穩定情況下，隨著入口煙氣流量的升高，出口熱一次風溫度相應增大，這是因為入口煙氣攜帶較多的熱量，與熱一次風有了更多的熱量交換，從而使得出口熱一次風溫度提高。
3.2入口煙溫對出口風溫的影響
入口煙氣溫度不同時，入口熱一次風風量、入口熱一次風溫度、入口煙氣流量，出口熱一次風溫度的數據如表3所示。
從表3可知，隨著入口煙氣溫度的降低，熱一次風出口風溫相應降低，這是因為入口煙氣攜帶的熱量降低，同熱一次風交換的熱量減少，導致出口煙氣溫度降低。
3.3尿素量對熱解爐出口風溫的影響
在機組負荷、熱一次風量、換熱器出口熱一次風溫度穩定的情況下，改變機組總尿素量，測量熱解爐出口風溫，結果如表4所示。
隨著總尿素量相應降低，熱解爐出口風溫相應提高。這是因為尿素熱解需要的熱量降低，從而熱解爐出口風溫升高。
3.4換熱器控制策略
從以上分析可知，為保證尿素熱解系統正常運行即熱解爐出口溫度在342℃以上，需要保證進入熱解爐的熱空氣溫度在合理范圍內，以滿足尿素熱解熱量的需要，避免生成固體物堵塞管道。溫度控制需要根據機組負荷、SCR裝置入口氮氧化物濃度、尿素溶液流量進行，可以通過提高入口煙氣流量或入口煙氣溫度等方法。在機組改造時需要在合理的溫度段引進熱煙氣，并通過計算設置合理的煙氣流量余量，以滿足低負荷下熱解爐出口溫度的要求，必要時可以設置電加熱器，以增加整個尿素熱解系統的可靠性。
3.5經濟性分析
對該廠投運的電加熱器運行時電流值和熱解爐出口溫度進行測量，結果如表5所示。1000MW機組在投運電加熱器時，各負荷段內電加熱器電流值相近，平均為1055A，對應功率在1200kW左右，按機組年均運行5500h計算，電價按0.45元/kWh計算，每年需要消耗電量660萬kWh，費用約297萬元。采用煙氣換熱器后，不再需要電加熱器，每年可節約297萬元。
煙氣換熱器主體建設期間可不停機，利用機組計劃檢修期間完成接口工作，接口時間僅需10d，不會因改造產生額外的停機損失。
尿素熱解稀釋風采用高溫煙氣換熱器加熱時，從鍋爐尾部轉向室抽取高溫煙氣，煙氣量約占鍋爐煙氣總量的0.4%，對鍋爐運行調整、煙氣成分及鍋爐效率等基本無影響，在不同負荷下的煤耗量基本維持不變。
4結語
隨著電廠對環保設備運行穩定性和經濟性要求的提高及國家節能降耗要求，尿素熱解系統采用常規電加熱方案時存在運行穩定性較差、運行成本高的缺點。采用煙氣換熱器可提高運行穩定性、大幅降低電廠電量消耗，節約運行費用，改造便于實施，應用前景廣闊，具有較好的經濟效益和環保效益，為大型電站鍋爐的安全經濟高效運行提供參考。
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