摘要：尿素作為火力發(fā)電廠脫硝常用的還原劑，使用時(shí)需要熱源供給裝置提供熱量，作為熱解能量。常用的熱源供給裝置一般為電加熱器、天然氣熱解爐。需要大量的電力或天然氣能源，運(yùn)行費(fèi)用較高。如何降低該項(xiàng)費(fèi)用同時(shí)又能提供足夠的熱解能量，可以選用一種新型節(jié)能熱源供給裝置，對(duì)于該裝置的實(shí)施可行性，文章作了一些探討。
Abstract：There is a certain utilization value in gypsum as a main byproduct of desulfurization in thermal power plant. Moisture content is an important parameter to evaluate the quality of gypsum. The paper probes how to control the moisture content to ensure the quality of gypsum.
關(guān)鍵詞：尿素?zé)峤?熱源;供給裝置
1、尿素?zé)峤獾默F(xiàn)有主流技術(shù)
目前尿素作為SCR煙氣脫硝還原劑，應(yīng)用最廣的制氨技術(shù)是尿素?zé)峤庵瓢?。尿素?zé)峤庵瓢惫に囉捎谙到y(tǒng)簡(jiǎn)單、投資成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、維護(hù)量小，越來越多地被電廠采用。
尿素溶液在熱解爐內(nèi)的蒸發(fā)熱解過程為尿素溶液不斷濃縮結(jié)晶的過程，尿素溶液只有在水不斷蒸發(fā)到尿素溶液達(dá)到飽后才開始蒸發(fā)熱解，不同溫度下，尿素的熱解效率及反應(yīng)副產(chǎn)物不同。
尿素?zé)峤夤に嚨闹饕磻?yīng)如下：
CO(NH2)2 → NH3 + HNCO
尿素 → 氨 + 異氰酸
HNCO + H2O → NH3 + CO2
異氰酸 + 水 → 氨 + 二氧化碳
為了使尿素充分熱解，需要足夠的熱量，同時(shí)為了保證分解后的產(chǎn)物不發(fā)生可逆反應(yīng)，減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生，還需要控制生成產(chǎn)物的溫度，因此，一般熱解爐出口溫度需控制在360-380℃之間。
為了保證熱解爐內(nèi)足夠的反應(yīng)溫度，及出口氨氣煙溫維持在需要的溫度區(qū)間內(nèi)，一般使用電加熱器或天然氣熱解爐以提供熱源。
2、 原技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用情況
由于電加熱系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，在目前工程上應(yīng)用得最多。但是該技術(shù)具有能耗過大、運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)；以某廠600MW的燃煤火電機(jī)組為例，電加熱器功率至少需要850kW（設(shè)備銘牌出力為1700KW），按年運(yùn)行5000h、電價(jià)0.5元計(jì)算，則單臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)210萬(wàn)元。據(jù)了解一臺(tái)300MW的燃煤火電機(jī)組使用天然氣熱解爐的年平均費(fèi)用也在100萬(wàn)元以上。
如何降低能耗，減少運(yùn)行費(fèi)用，就需找到一種其它的熱源供給裝置，達(dá)到節(jié)能高效且運(yùn)行費(fèi)用低的目的。
3、 解決思路
由于火力發(fā)電廠鍋爐就是一個(gè)巨大的熱源供給裝置，它能將燃煤的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為熱能，避免了將電能二次轉(zhuǎn)化為熱能的損耗，及天然氣長(zhǎng)途運(yùn)輸成本高的弊病。因此鍋爐成為我們獲得尿素?zé)峤鉄嵩吹睦硐雸?chǎng)所。
我們只需要將用于尿素?zé)峤獾目諝馔ㄟ^換熱器加熱到所需要的溫度值，就可以直接用于尿素?zé)峤?。這樣如能在鍋爐內(nèi)布置一個(gè)合適的氣氣換熱器以利用鍋爐高位煙氣加熱尿素?zé)峤庥蔑L(fēng)，即可代替原有的電加熱器或天然氣加熱爐。
3.1、氣氣換熱器安裝位置選擇
由于不同電廠的入口NOX濃度不同，鍋爐總煙氣量不同，所以尿素用量也不盡相同。所以尿素?zé)峤怙L(fēng)量（稀釋風(fēng)）及熱解風(fēng)溫也不盡相同。但一般情況下600MW機(jī)組稀釋風(fēng)量為1000NM3左右，風(fēng)溫控制在450-600℃，壓力在2-6KPa。所以我們需要布置換熱器的位置煙溫應(yīng)在600℃以上。且該處位置空間能夠滿足布置氣氣換熱器的要求。
通過查閱鍋爐熱力計(jì)算書及鍋爐運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)，鍋爐水平煙道至垂直煙道處（轉(zhuǎn)向室）煙溫滿足要求，且該位置未布置較多換熱屏管，富余空間較大，滿足氣氣換熱器布置空間要求。某廠鍋爐實(shí)際煙溫情況可以參照下圖：
某廠煙溫DCS畫面
3.2、氣氣換熱器材料的選擇
由于鍋爐轉(zhuǎn)向室環(huán)境煙溫非常高，所需要獲得的稀釋風(fēng)溫也較高，且鍋爐煙氣含有較大量的粉塵，對(duì)換熱管壁產(chǎn)生磨損，因此需要找到耐高溫耐磨材料方能制作換熱管。
氣氣換熱器管外為煙氣、管內(nèi)為空氣，換熱管的最高壁溫趨于煙氣溫度但是不會(huì)超過煙氣溫度。而氣氣換熱器不屬于承壓部件，因此換熱管的材料主要考慮抗氧化能力即可。材料S31008，其牌號(hào)為06Cr25Ni20，能長(zhǎng)期運(yùn)行于900℃以上的高溫區(qū)域。
材料A-312TP347，在700℃時(shí)應(yīng)力為31.8MPa，在750℃時(shí)應(yīng)力為18.8MPa，此兩種材料完全能夠滿足要求，能夠在該裝置上使用。
3.3、氣氣換熱器對(duì)鍋爐的影響
氣氣換熱器吸收鍋爐煙氣熱量去用于尿素?zé)峤?，相?dāng)于對(duì)鍋爐的總體需求熱量增加，燃煤耗量需要增加約0.03%，鍋爐整個(gè)熱平衡顯示輸入熱量增加，脫硝系統(tǒng)仍然有一定的漏風(fēng)，因此會(huì)帶走更多的熱量，相當(dāng)于排煙損失增加，鍋爐效率與不上脫硝裝置相比是略有降低的，但相比較而言又是微乎其微度。
氣氣換熱器布置在鍋爐尾部煙道內(nèi)，會(huì)增加尾部煙道煙氣阻力，可能會(huì)提高送引風(fēng)機(jī)電流，增加廠用電率。但由于稀釋風(fēng)量較少，所需布置的換熱面也較少。且換熱管布置稀疏，間距較大。通過理論計(jì)算，某600MW機(jī)組，布置氣氣換熱器后，增加鍋爐尾部煙道阻力如下表：
工況 | 煙氣速度 | 煙氣側(cè)阻力 |
單位 | m/s | Pa |
100%THA工況 | 5.96 | 44 |
40%THA工況 | 2.76 | 4 |
由上表可知，氣氣換熱器對(duì)鍋爐尾部煙道阻力增加幅度非常小。
3.4、氣氣換熱器布置方式的選擇
由于各電廠鍋爐結(jié)構(gòu)形式、汽溫調(diào)節(jié)方式不盡相同，所以不同負(fù)荷下轉(zhuǎn)向室煙氣流場(chǎng)比較復(fù)雜。相應(yīng)的氣氣換熱器布置方式也應(yīng)有所區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可供選擇的布置方式可以分成從鍋爐后墻、側(cè)墻、頂棚插入。具體可以參照下圖：
后墻插入方式
頂棚布置方式
側(cè)墻布置方式
3.5經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
以某廠采用尿素?zé)峤鉅t加熱器采用電加熱方式，銘牌功率為1700KW，正常運(yùn)行平均功率850KW，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)5000h為例，測(cè)算改造收益情況：
計(jì)劃通過改造后，采用爐內(nèi)氣氣換熱器替代電加熱，主要從節(jié)能方面考慮。尿素?zé)峤鉅t加熱器電費(fèi)：850×0.5×5000=210萬(wàn)元；電加熱管約150組，每組單價(jià)約6000元，大修周期6年，每年需發(fā)生費(fèi)用：150÷6×6000=15萬(wàn)元；維護(hù)支撐鋼架防腐，增壓稀釋風(fēng)機(jī)定期保養(yǎng)，風(fēng)門、閥門、保溫維護(hù)每年約需5萬(wàn)元；每年總費(fèi)用約210+15+5=230萬(wàn)元；改造后年費(fèi)用：爐內(nèi)氣氣換熱器尿素?zé)峤鉅t年費(fèi)用約5萬(wàn)元。按此估算，年節(jié)約成本費(fèi)用：225萬(wàn)元。該項(xiàng)目投資約500萬(wàn)，不到三年可以收回成本。
4、熱力計(jì)算
由于氣氣換熱器沒有布置滿后豎井的整個(gè)寬度，因此計(jì)算時(shí)，僅考慮沖刷換熱管的面積及可能的煙氣量，即氣氣換熱器煙氣量=換熱管占通道面積的比例×后豎井后煙道的煙氣量。
尿素?zé)峤庑枰盏臒崃縌等于熱空氣所放出的熱量，即：
Q=C空氣*m*？t= C空氣*（q*1.293）*（T-350）
上式中：
Q——空氣的熱量，kJ/h
C空氣——空氣比熱，kJ/kg. ℃
m——空氣的質(zhì)量，kg/h
？t——溫度的變化值，℃
q——空氣的體積量，Nm3/h
T——空氣的溫度，℃
需要的Q一定時(shí)，通過調(diào)節(jié)氣氣換熱器進(jìn)口空氣量q，可以調(diào)節(jié)氣氣換熱器出口的空氣溫度T。也就是說，若空氣溫度低，則適當(dāng)增大空氣量，也可以獲得相同的熱量。以某600MW機(jī)組SCR脫硝所需要的氣氣換熱器進(jìn)口空氣量q =10000 Nm3/h為例進(jìn)行換熱計(jì)算，結(jié)果見下表：
名稱 | 單位 | BMCR工況 | 40%THA工況 |
數(shù)值(校核) | 數(shù)值（設(shè)計(jì)） | ||
尿素溶液耗量m（質(zhì)量濃度50%） | kg/h | 824 | 412 |
尿素?zé)峤庑枰盏臒崃縌 | kJ/h | 2021274 | 1010638 |
空氣入口壓力 | kPa | 10 | 8 |
空氣量q | Nm3/h | 10000 | 10000 |
鍋爐總煙量 | t/h | 2327.4 | 1079.7 |
換熱器入口煙量 | t/h | 1396.4 | 431.9 |
換熱器入口煙溫 | ℃ | 729 | 523 |
換熱器出口煙溫 | ℃ | 723.8 | 514.2 |
煙氣側(cè)阻力 | Pa | 44 | 4 |
空氣側(cè)阻力 | Pa | 289 | 230 |
空氣流速 | m/s | 12.7 | 10 |
煙氣流速 | m/s | 7.96 | 1.95 |
尿素?zé)峤鉅t入口設(shè)計(jì)空氣溫度T | ℃ | ≥600 | ≥412 |
氣氣換熱器出口計(jì)算空氣溫度 | ℃ | 651.3 | 416.4 |
5、結(jié)論
在鍋爐轉(zhuǎn)向室布置一個(gè)氣氣換熱器以獲得尿素?zé)峤馑璧臒嵩?，技術(shù)上完全可行，且經(jīng)濟(jì)效益可觀。“近零”能耗的尿素?zé)峤鈿鈿鈸Q熱技術(shù)，它能有效地解決尿素?zé)峤怆娂訜峄蛱烊粴饧訜嵯到y(tǒng)能耗大、運(yùn)行成本高的難題，市場(chǎng)前景非常廣闊。
本技術(shù)為火力發(fā)電廠環(huán)保領(lǐng)域重大技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)促進(jìn)電站鍋爐環(huán)保技術(shù)進(jìn)步也具有重要意義，具有良好的社會(huì)、環(huán)境效益。
參考文獻(xiàn)
［1］ Tokmakov I V，Alavi S，Thompson D L． Urea and urea nitrate decomposition pathways: A quantum chemistry study ［J］． Journalof Physical Chemistry，2006，110( 8) : 2759-2770．
?。?］呂洪坤等.尿素溶液高溫?zé)岱纸鉄嵝缘膶?shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（17）：35-40.
?。?］曹國(guó)媛等.尿素溶液熱解制氨氣特性研究.大氣污染治理，2014,07020
第一作者：劉賓 高級(jí)工程師，湖南大唐節(jié)能科技有限公司
