一種新型節(jié)能高效尿素熱解熱源供給裝置可行性探討

　　摘要：尿素作為火力發(fā)電廠脫硝常用的還原劑，使用時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，運行費用較高。如何降低該項費用同時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，對于該裝置的實施可行性，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.

　　關鍵詞：尿素熱解;熱源;供給裝置

　　1、尿素熱解的現(xiàn)有主流技術

　　目前尿素作為SCR煙氣脫硝還原劑，應用最廣的制氨技術是尿素熱解制氨。尿素熱解制氨工藝由于系統(tǒng)簡單、投資成本低、運行穩(wěn)定、響應速度快、維護量小，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晶的過程，尿素溶液只有在水不斷蒸發(fā)到尿素溶液達到飽后才開始蒸發(fā)熱解，不同溫度下，尿素的熱解效率及反應副產(chǎn)物不同。

　　尿素熱解工藝的主要反應如下：

　　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，同時為了保證分解后的產(chǎn)物不發(fā)生可逆反應，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、 原技術運行費用情況

　　由于電加熱系統(tǒng)較為簡單，在目前工程上應用得最多。但是該技術具有能耗過大、運行成本高的缺點；以某廠600MW的燃煤火電機組為例，電加熱器功率至少需要850kW（設備銘牌出力為1700KW），按年運行5000h、電價0.5元計算，則單臺機組年運行費用高達210萬元。據(jù)了解一臺300MW的燃煤火電機組使用天然氣熱解爐的年平均費用也在100萬元以上。

　　如何降低能耗，減少運行費用，就需找到一種其它的熱源供給裝置，達到節(jié)能高效且運行費用低的目的。

　　3、 解決思路

　　由于火力發(fā)電廠鍋爐就是一個巨大的熱源供給裝置，它能將燃煤的化學能直接轉化為熱能，避免了將電能二次轉化為熱能的損耗，及天然氣長途運輸成本高的弊病。因此鍋爐成為我們獲得尿素熱解熱源的理想場所。

　　我們只需要將用于尿素熱解的空氣通過換熱器加熱到所需要的溫度值，就可以直接用于尿素熱解。這樣如能在鍋爐內(nèi)布置一個合適的氣氣換熱器以利用鍋爐高位煙氣加熱尿素熱解用風，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。所以尿素熱解風量（稀釋風）及熱解風溫也不盡相同。但一般情況下600MW機組稀釋風量為1000NM3左右，風溫控制在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算書及鍋爐運行實際數(shù)據(jù)，鍋爐水平煙道至垂直煙道處（轉向室）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

　　由于鍋爐轉向室環(huán)境煙溫非常高，所需要獲得的稀釋風溫也較高，且鍋爐煙氣含有較大量的粉塵，對換熱管壁產(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，其牌號為06Cr25Ni20，能長期運行于900℃以上的高溫區(qū)域。

　　材料A-312TP347，在700℃時應力為31.8MPa，在750℃時應力為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、氣氣換熱器對鍋爐的影響

　　氣氣換熱器吸收鍋爐煙氣熱量去用于尿素熱解，相當于對鍋爐的總體需求熱量增加，燃煤耗量需要增加約0.03%，鍋爐整個熱平衡顯示輸入熱量增加，脫硝系統(tǒng)仍然有一定的漏風，因此會帶走更多的熱量，相當于排煙損失增加，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)，會增加尾部煙道煙氣阻力，可能會提高送引風機電流，增加廠用電率。但由于稀釋風量較少，所需布置的換熱面也較少。且換熱管布置稀疏，間距較大。通過理論計算，某600MW機組，布置氣氣換熱器后，增加鍋爐尾部煙道阻力如下表：

　　由上表可知，氣氣換熱器對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

　　由于各電廠鍋爐結構形式、汽溫調(diào)節(jié)方式不盡相同，所以不同負荷下轉向室煙氣流場比較復雜。相應的氣氣換熱器布置方式也應有所區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)場情況可供選擇的布置方式可以分成從鍋爐后墻、側墻、頂棚插入。具體可以參照下圖：

　　后墻插入方式

　　頂棚布置方式

　　側墻布置方式

　　3.5經(jīng)濟技術分析

　　以某廠采用尿素熱解爐加熱器采用電加熱方式，銘牌功率為1700KW，正常運行平均功率850KW，年運行小時數(shù)5000h為例，測算改造收益情況：

　　計劃通過改造后，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。尿素熱解爐加熱器電費：850×0.5×5000=210萬元；電加熱管約150組，每組單價約6000元，大修周期6年，每年需發(fā)生費用：150÷6×6000=15萬元；維護支撐鋼架防腐，增壓稀釋風機定期保養(yǎng)，風門、閥門、保溫維護每年約需5萬元；每年總費用約210+15+5=230萬元；改造后年費用：爐內(nèi)氣氣換熱器尿素熱解爐年費用約5萬元。按此估算，年節(jié)約成本費用：225萬元。該項目投資約500萬，不到三年可以收回成本。

　　4、熱力計算

　　由于氣氣換熱器沒有布置滿后豎井的整個寬度，因此計算時，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。

　　尿素熱解需要吸收的熱量Q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

　?。縯——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，通過調(diào)節(jié)氣氣換熱器進口空氣量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，則適當增大空氣量，也可以獲得相同的熱量。以某600MW機組SCR脫硝所需要的氣氣換熱器進口空氣量q =10000 Nm3/h為例進行換熱計算，結果見下表：

　　5、結論

　　在鍋爐轉向室布置一個氣氣換熱器以獲得尿素熱解所需的熱源，技術上完全可行，且經(jīng)濟效益可觀?！敖恪蹦芎牡哪蛩責峤鈿鈿鈸Q熱技術，它能有效地解決尿素熱解電加熱或天然氣加熱系統(tǒng)能耗大、運行成本高的難題，市場前景非常廣闊。

　　本技術為火力發(fā)電廠環(huán)保領域重大技術創(chuàng)新，對促進電站鍋爐環(huán)保技術進步也具有重要意義，具有良好的社會、環(huán)境效益。

　　參考文獻

　?。?］ 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.尿素溶液高溫熱分解熱性的實驗研究［J］.中國電機工程學報，2010，30（17）：35-40.

　　［3］曹國媛等.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 高級工程師，湖南大唐節(jié)能科技有限公司

相關新聞：

煤電“急剎車”效果顯現(xiàn)：火電投資下降

上半年火電完成投資379億元 同比下降了6.4%

環(huán)保供給側改革倒逼火電廠轉型升級

電力改革與市場雙重壓力 倒逼火電廠優(yōu)化轉型

火電現(xiàn)狀：社會電力需求增速放緩、火電爭相上馬