牛 正

（南陽天益發(fā)電有限責(zé)任公司，河南南陽 473000）

0 引言

某公司2008年投產(chǎn)的2×600 MW燃煤機(jī)組，鍋爐為超臨界滑壓運(yùn)行直流鍋爐，型號(hào)DG1900/25.4-Ⅱ1，2014年根據(jù)需要改造了脫硝系統(tǒng)，主要采用尿素?zé)峤猱a(chǎn)生氨氣制備還原劑，煙氣脫硝工藝是選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，SCR），脫硝系統(tǒng)單臺(tái)爐布置2室，反應(yīng)器采用板式催化劑，主要耗電設(shè)備電加熱器額定功率1520 kW。

1 問題分析

（1）脫硝系統(tǒng)原電加熱器額定功率1520 kW，按實(shí)際運(yùn)行功率利用率60%計(jì)算，每年消耗電能約578.99萬kW·h，電費(fèi)達(dá)224.59萬元人民幣。

（2）電加熱器使用期間磨損泄漏（圖1）、超溫跳閘、加熱管損壞時(shí)有發(fā)生，較高的故障率造成脫硝系統(tǒng)頻繁退出運(yùn)行，設(shè)備的可靠性低，容易造成氮氧化物小時(shí)均值排放超標(biāo)。

（3）電加熱器本身熱容量小，所以熱解溫度隨系統(tǒng)的響應(yīng)速較慢度慢，調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)定。受電加熱器特性本身不好，熱解爐出口溫度不能根據(jù)需要盡快調(diào)整溫度，滯后時(shí)間較長，特別是電加熱器在長時(shí)間高負(fù)荷接近跳閘上限運(yùn)行，沒有調(diào)整余地，嚴(yán)重時(shí)影響脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器效率。

圖1 電加熱器磨損嚴(yán)重

2 解決方案

爐內(nèi)加裝一套煙氣換熱器，提高脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

（1）利用尾部煙氣的熱傳導(dǎo)，通過煙氣換熱器可對(duì)冷一次風(fēng)進(jìn)行加熱，加熱溫度最高能達(dá)到（600～650）℃，也就是將低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)換替換原來的高品質(zhì)電能，以后不再使用電加熱器，能將廠用電率降0.2%～0.25%。

（2）煙氣換熱器傳熱穩(wěn)定均勻，在運(yùn)行中調(diào)整手段更多、更靈活，反應(yīng)速度快使脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器效率穩(wěn)定。

（3）采用煙氣直接加熱潔凈冷一次風(fēng)的爐內(nèi)煙氣換熱器技術(shù)，避免了原系統(tǒng)風(fēng)源中熱一次風(fēng)中含塵量大的問題，干凈的一次風(fēng)在噴氨母管中順利通過，不會(huì)積灰，噴氨支管不存在結(jié)垢堵塞，同時(shí)解決了脫硝系統(tǒng)效率低的問題。

（4）降低維護(hù)成本，節(jié)省脫硝電加熱器損壞造成的采購及維護(hù)費(fèi)用。

3 煙氣換熱器應(yīng)用方案

改造后的鍋爐脫硝設(shè)備煙氣換熱器，主要由冷一次風(fēng)管道系統(tǒng)、煙氣換熱器、熱風(fēng)管道系統(tǒng)、閥門及電控裝置等組成。

3.1 系統(tǒng)及設(shè)備布置（圖2）

在鍋爐尾部煙道后豎井，低過水平段前區(qū)域布置一套煙氣換熱器，由0 m層一次風(fēng)機(jī)出口木管抽出的冷一次風(fēng)，經(jīng)管道進(jìn)入鍋爐內(nèi)布置的蛇形管煙氣換熱器，換熱后的熱風(fēng)管接入電加熱器前原一次風(fēng)管道，在接入點(diǎn)前的原一次風(fēng)管道上新增一臺(tái)電動(dòng)蝶閥用于切斷。并在換熱后的熱風(fēng)管道上新增一冷風(fēng)支路，若換熱后一次熱風(fēng)超溫可通過此支路調(diào)節(jié)進(jìn)入熱解爐溫度。煙氣換熱器通過吊桿懸掛于鍋爐爐頂?shù)拇蟀辶禾?，利用高溫?zé)釤煔鈱⒗湟淮物L(fēng)（20℃）加熱至SCR脫硝制氨工藝尿素?zé)峤鉅t需要的工藝溫度（≥550℃），確保熱解爐出口溫度≥350℃，實(shí)現(xiàn)替代電加熱器的功能，節(jié)省廠用電及達(dá)標(biāo)排放。

3.2 爐內(nèi)換熱器管束布置

鍋爐一次風(fēng)機(jī)出口母管壓力穩(wěn)定，引出后通過冷一次風(fēng)自身的壓力作為壓頭，將少量冷一次風(fēng)通過冷風(fēng)管道輸送到鍋爐尾部煙道，低溫過熱器管排上部空間區(qū)域，在這里懸掛一套蛇形管束，高溫?zé)煔饧訜峁苁鵀槟媪?，冷風(fēng)在后熱風(fēng)在前，（管內(nèi)一次風(fēng)，管外鍋爐煙氣，占用空間?。?，通過尾部煙氣加熱器蛇形管束吸熱，將送來的冷一次風(fēng)加熱至（600～650）℃，再把高溫空氣引入尿素?zé)峤鉅t，為尿素?zé)峤馓峁嵩础?/p>

圖2 脫硝設(shè)備煙氣換熱器系統(tǒng)布置

3.3 爐內(nèi)管道布置方式及防磨措施

（1）煙氣換熱器蛇形管束采用拉稀布置，能降低尾部煙氣對(duì)其的沖刷速度，抗磨損能力大幅度提高；對(duì)于易磨損的迎風(fēng)面彎頭及易磨損的其他部位全部加裝防磨瓦，通過防磨措施可避免因磨損造成的管道泄漏。

（2）換熱器垂直懸掛于低過水平段上部超大空間里，方便日常檢查和檢修，同時(shí)也不會(huì)不影響本區(qū)域其他受熱面管道檢修。

（3）特殊情況下，即使煙氣換熱器個(gè)別管道發(fā)生泄漏，由于壓力低也不影響煙氣換熱器的整體運(yùn)行性能。

3.4 改造方案對(duì)系統(tǒng)的影響評(píng)估

3.4.1 煙氣換熱器換熱后對(duì)鍋爐效率的影響。

煙氣換熱器出口風(fēng)溫最高達(dá)到650℃以上，故煙氣換熱器設(shè)計(jì)體積小、布置在鍋爐中心線附近，只占鍋爐總寬度的1/2面積，且蛇形管束是拉稀布置，不會(huì)影響包墻過熱器的正常膨脹，減少煙氣換熱器與包墻過熱器的膨脹熱應(yīng)力。

通過公式計(jì)算驗(yàn)證，煙氣換熱器相對(duì)于鍋爐受熱面來講，總的熱量需求小，對(duì)煙氣流場和煙氣溫降的影響很小。

熱平衡計(jì)算過程以100%BMCR（Boiler Maximum Continue Rate，火電廠鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況計(jì)算（50%BMCR/40%BMCR工況時(shí)計(jì)算過程與之相同）：入口風(fēng)溫20℃，出口風(fēng)溫600℃，風(fēng)量 9100 m3/h。查焓值表得出空氣進(jìn)口側(cè)的焓值為4.7 kcal/m3，空氣出口側(cè)焓值為205.4 kcal/m3，計(jì)算得焓值差Δ焓煙氣=840.13 kJ/m3?？諝鈧?cè)吸熱 Q空氣=流量×Δ焓空氣=7 645 183 kJ/h。煙氣側(cè)釋放的熱量即為煙氣換熱器將20℃加熱到600℃所吸收的熱量。按照設(shè)計(jì)煤種平頂山煙煤，100%BMCR時(shí)煤的低位發(fā)熱量為5113 kcal/kg，折合為21 403.01 kJ/m3，折算成標(biāo)煤為357.2 kg/h，而總?cè)剂舷牧繛?47.8 t/h，煙氣換熱器所吸收的熱量占整個(gè)鍋爐的熱量比為0.14%

由上述計(jì)算結(jié)果可知，煙氣換熱器工作中吸收鍋爐煙氣的熱量，相當(dāng)于對(duì)鍋爐總體需求熱量增加煤耗約0.14%，可忽略不計(jì)，但有利于排煙溫度的降低，提高鍋爐效率。

3.4.2 煙氣系統(tǒng)阻力影響

由于管束布置方式在低過管排上部空間布置，且布置管束很少，爐內(nèi)煙氣換熱器管束造成的煙氣阻力增大約500 Pa，對(duì)整個(gè)鍋爐煙氣阻力來說幾乎可以忽略。

3.4.3 對(duì)SCR脫硝裝置脫硝效率的影響。

由于煙氣換熱器布置在爐內(nèi)，原煙氣流程沒有變化，對(duì)SCR裝置效率沒有影響。

3.4.4 一次風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)煙氣換熱器設(shè)計(jì)在尾部煙道內(nèi)的布置方案。煙氣換熱器入口的冷一次風(fēng)風(fēng)道阻力增加150 Pa，換熱器出口熱風(fēng)道阻力增加150 Pa，煙氣換熱器全部管束增加風(fēng)阻1500 Pa，整個(gè)煙氣換熱器熱一次風(fēng)系統(tǒng)總阻力增加約1800 Pa，完全達(dá)到并能滿足尿素?zé)峤獾男枰挥迷傩沦徍筒贾迷鰤猴L(fēng)機(jī)。

4 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益分析

4.1 節(jié)電

電加熱器的額定功率1520 kW，實(shí)際功率利用率60%，折合約為912 kW，項(xiàng)目實(shí)施后原電加熱器停止使用后，年節(jié)電量6.07×106kW·h，折合235.46萬元人民幣。脫硝電加熱器設(shè)備損壞采購物資及維護(hù)費(fèi)用可節(jié)省20萬元人民幣/a。

4.2 運(yùn)行成本

（1）出口熱一次風(fēng)管道材料S31008具有耐高溫、耐沖刷的特性，設(shè)計(jì)壽命30 a，因此該部分大口徑管道設(shè)計(jì)使用期內(nèi)無維護(hù)費(fèi)用。

（2）出口熱一次風(fēng)管道系統(tǒng)補(bǔ)償器使用壽命按15 a期限設(shè)計(jì)，數(shù)量為6個(gè)，每個(gè)單價(jià)按1萬元人民幣計(jì)算，折算成年維護(hù)（材料）費(fèi)0.4萬元人民幣/a；人工費(fèi)、措施費(fèi)按0.4萬元人民幣/a計(jì)算；總維護(hù)費(fèi)0.8萬元人民幣/a。

（3）煙氣換熱器管束設(shè)計(jì)時(shí)考慮了阻力和防磨問題。針對(duì)爐內(nèi)環(huán)境溫度高，選用耐高溫材料S31008并且采用拉稀布置，換熱管取2倍低過節(jié)距，降低此處煙氣沖刷速度，提高管束外部抗磨損能力。每年補(bǔ)充防磨瓦、維護(hù)材料、施工費(fèi)用共計(jì)0.5萬元人民幣。

（4）由于此方案采用冷一次風(fēng)，風(fēng)管道及其附件粉塵磨損近乎為零，不再納入費(fèi)用統(tǒng)計(jì)。

（5）爐內(nèi)加熱器吸熱耗能估算每年折合煤耗約增加0.52 g/kW·h，取年利用小時(shí)數(shù)3800 h，標(biāo)煤價(jià)格700元人民幣/t，折合人民幣91.29萬元。

以上總計(jì)（單臺(tái)爐）消耗92.59萬元人民幣/a。

4.3 投資回收期

改造投資460萬元人民幣，投資回收期為 2.8 a。

5 結(jié)語

脫硝系統(tǒng)停止使用電加熱器后，使用新型煙氣換熱器加熱冷一次風(fēng)，脫硝正常投用后熱解爐后溫度380℃左右，有效保證脫硝設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行。避免使用電加熱器降低廠用電率，緩解節(jié)能減排壓力，給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。