烟气换热器在某150 MW机组SCR脱硝尿素水解系统中的应用

孙祖毅，张华东，雷嗣远，马跃东，王乐乐，孔凡海

(1.华能烟台电厂，山东 烟台 264002； 2.华能山东发电有限公司，济南 250014； 3.西安热工研究院有限公司苏州分公司，苏州 215153)

烟气换热器在某150 MW机组SCR脱硝尿素水解系统中的应用

孙祖毅1，张华东2，雷嗣远3，马跃东1，王乐乐3，孔凡海2

(1.华能烟台电厂，山东 烟台 264002； 2.华能山东发电有限公司，济南 250014； 3.西安热工研究院有限公司苏州分公司，苏州 215153)

选择性催化还原技术(SCR)烟气脱硝尿素水解制氨系统出口混合气体具有一定的过热度，介绍了一种采用脱硝出口烟道内置式烟气-空气换热器加热冷稀释风的方法和设备，该设备具有系统简单、投资少、检修维护方便及节能效果明显等优点，实际运行效果达到了预期要求，且节能效果显著，为类似节能改造工程提供了借鉴，具有良好的推广价值。

SCR脱硝；尿素水解；烟气换热器

0 引言

烟气换热器在电站锅炉上有着广泛的应用，通常利用其吸收烟气余热来加热冷风或水媒，以实现余热的回用或代替部分高品位电能的消耗，是实现节能减排的重要途径之一[1]。为降低液氨作为选择性催化还原技术(SCR)脱硝还原剂运输和储存过程中的风险，越来越多的城市电厂SCR脱硝系统采用尿素热解或水解工艺来制备SCR脱硝反应中所需要的氨气[2]。其中，尿素水解制氨工艺原理是将一定浓度的尿素溶液，在给定的温度和压力条件下反应，生成气相的氨、二氧化碳和水蒸气的混合物[3]。在气液两相共存的情况下，易发生液滴对管道、阀门等的冲击影响，尿素水解反应器出口混合气在进入SCR入口烟道之前需保证一定的过热度。根据混合气参数的不同，通常需要将混合气的温度保持在150 ℃以上。某电厂150 MW机组脱硝改造，采用尿素水解工艺制备SCR反应所需的氨气。锅炉空气预热器采用两分仓形式，存在预热器出口二次热风风量不足、携带烟尘及风压偏低等问题，不满足提供SCR尿素水解热稀释风的要求。为克服此问题，该电厂采用在脱硝出口烟道内设置烟气换热器来加热冷稀释风的方式，满足尿素水解系统出口混合气加热需要。该系统工艺简单、投资少、节省电耗，为同类机组的节能改造提供了参考。

1 烟气换热器的设计

1.1 设计参数及性能要求

某燃煤电厂150 MW机组，SCR脱硝系统采用尿素水解制氨工艺，设计要求尿素水解器出口混合气体温度不低于150 ℃。为保证进入SCR进口烟道的混合气体有一定的过热度，初期设计采用电加热器加热冷稀释风，系统配有2台轴流式稀释风机(1用1备)和1套电加热器，单台风机设计风量2 740 m3/h、风压5 000 Pa，电加热器功率185 kW，电压380 V。为降低因电加热器故障影响NOx达标排放的风险，同时出于节能角度考虑，将电加热器改为管式烟气-空气换热器。换热器内置于SCR出口烟道，锅炉热烟气从管外掠过，冷风在管内流动，冷稀释风经换热器加热后，与来自尿素水解器出口的混合气体进一步混合后，最终进入SCR氨喷射系统。烟气-空气换热器系统布置如图1所示。

图1 烟气换热器系统布置图

该工程锅炉额定蒸发量为480 t/h，额定负荷下SCR反应器出口烟道内烟气量为549 725 m3/h，日日常50%～100% 锅炉经济连续出力(ECR)工况下运行时，烟气换热器入口设计烟温为285～340 ℃。换热器入口风温为-20 ℃，烟气换热器需满足以下条件：50%～100%ECR工况下的出口热风温度不低于165 ℃；ECR工况下的换热器烟气侧阻力不大于110 Pa；换热管内空气侧阻力不大于500 Pa。该工程烟气换热器设计烟气参数及性能要求见表1。

表1 换热器设计烟风参数及性能要求

1.2 换热器结构

该工程烟气换热器具有以下特点。

(1)换热性能好、阻力低：换热元件采用管式结构，换热管采用内部光管、外部翅片管的结构，以强化管外烟气换热，同时降低管道内稀释风沿程阻力[4]。

(2)布置紧凑：换热器在烟道内截面尺寸为8 000 mm×3 000 mm，沿烟气流向垂直高度为600 mm，总换热面积约77 m2。为便于现场布置，并减少管道沿程阻力，换热器的冷风进口端和热风出口端设置在换热器同一侧，换热器本体结构布置如图2所示。

图2 换热器结构布置

(3)检修维护方便：考虑换热器的整体施工安装及后期运行中的检修维护，换热器的换热元件分为2箱进行现场拼装，两端由2个200 mm长的密封罩进行封装，进出口冷热风管与其中一端密封罩衔接，换热器整体质量约3.5 t。停机检修期间，若发现换热管磨损穿孔，可将磨损的一箱吊出或抽出进行维护。

(4)寿命长：考虑到换热器元件的耐磨、抗腐蚀等特性，换热器板材采用Q345B钢板，厚度为6.0 mm；换热管采用20钢，壁厚2.5 mm，换热元件设计使用寿命不低于10年，施工期间烟道内换热元件布置如图3所示。

图3 施工期间的烟道内换热元件外观

2 运行效果

按照以上设计方案，烟气换热器系统改造后的烟道外部结构如图4所示。运行2年来，系统未出现过外接管道漏气、换热管磨损等问题，停机期间换热元件的检查情况如图5所示。

图4 烟气换热器系统冷热风管道布置

图5 停机期间换元件检查情况

日常运行中，机组不同负荷下的换热器出口热风温度均高于170 ℃，达到了预期效果，实际运行中不同负荷下的换热器出口热风温度数据见表2。

表2 换热器出口热风温度

3 经济性分析

该工程150 MW机组SCR脱硝尿素水解制氨系统，实施烟气换热器改造后，替代了原有电加热器系统，降低了因电加热器故障引起的NOx超标排放的风险，同时有效降低了脱硝系统的电耗。实施烟气换热器改造后，理论计算每年可节省电耗110 MW·h，按照上网电价0.45元/(kW·h)计算，脱硝系统每年可节省用电成本49.95万元，节能效果明显。

4 结论

(1)在SCR尿素水解制氨系统中，采用烟道内置式烟气换热器加热冷稀释风代替电加热器，具有设备结构简单、实用性强的特点。

(2)烟气换热器设置在高温烟道内部，换热管采用翅片管结构，所需换热元件面积小，且冷、热风管道在同一端进出，整体结构紧凑，空间利用率高。

(3)设计时考虑了耐磨、防腐问题，同时换热元件采用两箱结构，易于吊出或抽出烟道，便于检修与维护。

(4)根据实际烟风参数设计出的烟气换热器，运行效果良好，出口热风温度不低于190 ℃，达到了尿素水解系统所需热风温度要求。

(5)该烟气换热器在某150 MW机组尿素水解系统中的应用，成功替代了原有电加热器，节能效果明显。

[1]李斌，党自立.低温省煤器设计及其动态特性分析[J].热力发电，2014,42(2)：25-29.

[2]陈彩霞，张军，沈乐，等.火电厂尿素热解和水解工艺研究[J].电力科学与工程,2014,30(6):16-19.

[3]姚宣，沈滨，郑鹏，等.烟气脱硝用尿素水解装置性能分析[J].中国电机工程学报,2013,33(14):38-43.

[4]张勇，胡斌，等.H型换热器的数值分析及优化设计[J].锅炉技术，2013,44(1)：1-4.

(本文责编：刘炳锋)

2017-01-11；

2017-02-09

TK 242

B

1674-1951(2017)02-0068-03

孙祖毅(1978—)，男，山东烟台人，工程师，从事电厂锅炉检修方面的工作(E-mail:sunzuyi2071@163.com)。

张华东(1975—)，男，山东威海人，高级工程师，从事电厂锅炉、环保专业运行管理及及检修维护方面工作(E-mail:huad-zhang@163.com)。

雷嗣远(1984—)，男，广西柳州人，工程师，工学硕士，从事燃煤电厂脱硝催化剂运行诊断与检测评估方面工作(E-mail:leisiyuan7@163.com)。

马跃东(1969—)，男，山西临汾人，工程师，从事锅炉检修与维护方面工作(E-mail:xm1562@163.com)。

王乐乐(1984—)，男，河南洛阳人，高级工程师，工学硕士，从事SCR烟气脱硝技术研究及催化剂寿命管理方面工作(E-mail:wanglele003@163.com)。

孔凡海(1981—)，男，江苏徐州人，高级工程师，工学博士，从事火电厂烟气脱硝设备运行诊断评估及运行管理研究方面工作(E-mail:kongfanhai211@163.com)。