一种用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统论文和设计-袁建丽

全文摘要

本实用新型公开了一种用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，所述系统包括低温过热器、省煤器、至少一条旁路烟道、主路烟道、旁路烟道关断挡板、旁路烟道调节挡板、主路烟道调节挡板，所述主路烟道和旁路烟道并列设置在锅炉转向室处；从烟气流程上，所述低温过热器和省煤器依次设置在主路烟道内；所述旁路烟道关断挡板和旁路烟道调节挡板依次设置在旁路烟道内；所述主路烟道调节挡板设置主路烟道内，在旁路烟道与主路烟道混合点之前；旁路烟道出口的高温烟气和主路烟道出口的低温烟气混合，从而提升SCR入口烟气温度。本实用新型利用烟气旁路提升SCR入口烟气温度，烟气温度提升明显，反应快速。

主设计要求

1.一种用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，所述系统包括低温过热器(4)、省煤器(5)、至少一条旁路烟道(12)、主路烟道(20)、旁路烟道关断挡板(9)、旁路烟道调节挡板(10)、主路烟道调节挡板(7)，其特征在于，所述主路烟道和旁路烟道并列设置在锅炉转向室处；从烟气流程上，所述低温过热器(4)和省煤器(5)依次设置在主路烟道内；从烟气流程上，所述旁路烟道关断挡板(9)和旁路烟道调节挡板(10)依次设置在旁路烟道(12)内；所述主路烟道调节挡板(7)设置主路烟道内，在旁路烟道(12)与主路烟道混合点之前；旁路烟道出口的高温烟气和主路烟道出口的低温烟气混合，从而提升SCR入口烟气温度。

设计方案

旁路烟道出口的高温烟气和主路烟道出口的低温烟气混合，从而提升SCR入口烟气温度。

2.根据权利要求1所述的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，其特征在于，所述系统还包括旁路烟道水平膨胀节(8)、旁路烟道垂直膨胀节(11)和主路烟道膨胀节(6)，所述旁路烟道水平膨胀节(8)设置在旁路烟道与锅炉转向室接口处的水平段，所述旁路烟道垂直膨胀节(11)设置在旁路烟道的垂直段，所述主路烟道膨胀节(6)设置在省煤器出口水平烟道上。

3.根据权利要求2所述的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，其特征在于，所述旁路烟道水平膨胀节(8)、旁路烟道垂直膨胀节(11)和主路烟道膨胀节(6)均采用耐高温的非织物膨胀节。

4.根据权利要求1所述的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，其特征在于，所述系统还包括旁路烟道烟温测点(16)和省煤器出口烟温测点(17)；

所述旁路烟道烟温测点(16)设置在旁路烟道关断挡板和旁路烟道调节挡板之间；所述省煤器出口烟温测点(17)设置在省煤器出口处。

5.根据权利要求1所述的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，其特征在于，所述系统包括两条旁路烟道，所述两条旁路烟道设置在锅炉宽度方向上，呈左右两侧对称布置。

6.根据权利要求1所述的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，其特征在于，所述主路烟道调节挡板(7)在距离主路烟道底部在高度方向上至少保留1000mm的间隙。

7.根据权利要求1所述的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，其特征在于，所述旁路烟道调节挡板(10)和主路烟道调节挡板(7)均采用开环控制。

8.根据权利要求1所述的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，其特征在于，锅炉在第二负荷临界点b及以上负荷时，主路烟道调节挡板处于全开状态；当锅炉负荷低于第二临界点b并且高于第一临界负荷点a时，主路烟道调节挡板处于关小状态；当锅炉负荷低于第一负荷临界点a时，主路烟道调节挡板开度处于不低于临界开度定值状态；

锅炉在第四负荷临界点d及以上负荷时，旁路烟道关断挡板处于关闭状态，并且旁路烟道调节挡板处于关闭状态；当锅炉负荷低于第四临界点并且高于第三负荷临界点c时，旁路烟道关断挡板处于打开状态，旁路烟道调节挡板处于逐步开大状态，在第三负荷临界点c及以下负荷，旁路烟道调节挡板处于全开状态；

所述第一临界负荷点a、第二临界负荷点b、第三临界负荷点c和第四临界负荷点d通过热态下投运旁路烟气系统的升温特性而确定。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及锅炉环保领域，具体涉及燃煤锅炉SCR脱硝装置入口烟气提升的热力系统，通过从锅炉后烟井转向室抽取高温烟气混合到省煤器出口低温烟气中，从而实现提升SCR脱硝装置入口烟气温度。

背景技术

随着环保政策的日益严格，对火电机组的污染物排放提出了更加严格的要求，燃煤机组陆续增设了脱硫、脱硝装置，实现火电机组在运行过程中对SO_{2<\/sub>和NO_{x<\/sub>的排放控制，取得了巨大的成绩，在电力行业和其它行业起到了先锋示范作用。对于大型锅炉，为了控制NO_{x<\/sub>的排放，往往安装了脱硝装置，尤其以选择性催化还原(SCR)技术应用最为广泛，在锅炉的省煤器和空气预热器之间安装SCR脱硝装置，实现对锅炉燃烧过程产生的NO_{x<\/sub>进行换原反应，生成N_{2<\/sub>和H_2<\/sub>O。}}}}}

SCR脱硝反应需要一定的范围区间，对于当前的主流SCR催化剂，考虑到脱硝反应活性和催化剂的使用寿命，一般需要保持SCR脱硝装置入口烟气温度范围为300-400℃。然而燃煤锅炉由于结构特性及负荷变动特性影响，随着机组负荷降低，省煤器出口烟气温度也即SCR入口烟气温度会逐步降低，直到烟气温度低于300℃，影响SCR脱硝装置的正常投运，并且会导致低负荷下锅炉NO_{x<\/sub>排放浓度超标，不能达到环保排放要求。}

目前，我国的电力供应形势处于供过于求的状况，随着新能源装机的日益增长和环保意识的增强，火电年利用小时数逐年降低，燃煤机组在低负荷下长期运行将成为常态化，尤其是对于参与电网深度调峰的燃煤火电机组，需要锅炉在较长时间内低负荷下运行，带来了SCR入口烟气温度难于满足温度区间要求。

而对于燃煤锅炉，尤其是入炉煤水分较高时，会造成烟气中的水蒸气含量较高，烟气比较大，比较难于冷却，尤其时低负荷时，换热温差较小，需要较大的换热面积才能实现烟气温度降低，同理，提升相同烟气温度，需要的热量较高。另外当锅炉负荷较低时，通过提高SCR入口烟气温度，将部分锅炉热量转移到空气预热器，提高热风温度，减少空气预热器发生低温腐蚀。

因此，提升燃煤锅炉在低负荷下SCR入口烟气温度，对于解决SCR脱硝装置的正常运行至关重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于提高燃煤锅炉SCR脱硝装置入口烟气温度的热力系统，通过在锅炉转向室部位抽取部分高温烟气，与省煤器出口的低温烟气进行混合，从而提升SCR入口烟气温度，实现锅炉在低负荷运行时SCR脱硝装置的正常投运。

为了实现上述目的，提供了一种用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统，具体的技术方案如下：所述系统包括低温过热器(4)、省煤器(5)、至少一条旁路烟道(12)、主路烟道(20)、旁路烟道关断挡板(9)、旁路烟道调节挡板(10)、主路烟道调节挡板(7)，所述主路烟道和旁路烟道并列设置在锅炉转向室处；从烟气流程上，所述低温过热器(4)和省煤器(5)依次设置在主路烟道内；从烟气流程上，所述旁路烟道关断挡板(9)和旁路烟道调节挡板(10)依次设置在旁路烟道(12)内；所述主路烟道调节挡板(7)设置主路烟道内，在旁路烟道(12)与主路烟道混合点之前；

旁路烟道出口的高温烟气和主路烟道出口的低温烟气混合，从而提升SCR入口烟气温度。

为了使得锅炉在更大的负荷范围内具有提升SCR入口烟气温度的调节能力，所抽取的高温烟气旁路了低温过热器和省煤器，使得锅炉在低负荷运行时旁路烟道中的烟气流量更小，减少对锅炉本体主要时尾部对流受热面造成影响。

所述旁路烟道关断挡板，垂直方向布置，接近于锅炉后烟井的烟气抽吸口，防止烟气旁路不投入使用时因积灰导致故障，并且可以降低耐高温烟道的尺寸，降低工程造价，该挡板用于控制旁路烟道的投运或者退出，其关闭后的严密性对锅炉性能的影响至关重要，特别是高负荷下降低其泄露烟气量，可以减少对SCR入口烟气温度的影响和降低锅炉排烟温度。

所述旁路烟道调节挡板，布置在旁路烟道的垂直段，呈水平方向布置，用于调节旁路烟道的阻力，与主路烟道调节挡板配合，调节两个并联烟气回路内的烟气流量分配，从而实现对旁通的高温烟气流量进行控制，达到提升SCR入口烟气温度的目的。

旁路烟道中没有受热面，但是存在着垂直接口，弯头，挡板，调节挡板等阻力元件，理论上说旁路烟道的阻力要小于主路烟道，但是为了分别能够调节各种的阻力特性，分别设置两个调节挡板，这样就可以更加灵活地利用设备的固有阻力特性，并且还具备利用调节挡板改变阻力特性的能力，实现主路和旁路之间的阻力特性改变，从而调节两者的流量分配。对于并联回路系统，前后节点之间的阻力相同，流量不同，满足P＝SQ2关系，P为阻力，Pa；S为阻力系数；Q为烟气流量，m^{3<\/sup>\/s。}

作为一种优选的方案，所述系统还包括旁路烟道水平膨胀节(8)、旁路烟道垂直膨胀节(11)和主路烟道膨胀节(6)，所述旁路烟道水平膨胀节(8)设置在旁路烟道与锅炉转向室接口处的水平段，所述旁路烟道垂直膨胀节(11)设置在旁路烟道的垂直段，所述主路烟道膨胀节(6)设置在省煤器出口水平烟道上。

考虑到锅炉本体膨胀和旁路烟道的膨胀，在旁路烟道与锅炉转向室接口处的水平段设置水平膨胀节，用于吸收热态下锅炉后烟井与旁路烟道之间沿着锅炉深度方向的膨胀量；在旁路烟道的垂直段设置垂直膨胀节，用于吸收热态下旁路烟道在垂直方向的膨胀量；在省煤器出口水平烟道上设置膨胀节，吸收锅炉尾部烟道在垂直方向和沿着锅炉深度方向上的膨胀量。

所述主路烟道调节挡板布置在省煤器出口主路烟道的膨胀节之后，与旁路烟道交叉汇合点之前，呈垂直方向布置。

作为一种优选的方案，所述旁路烟道水平膨胀节(8)、旁路烟道垂直膨胀节(11)和主路烟道膨胀节(6)均采用耐高温的非织物膨胀节。

作为一种优选的方案，所述旁路烟道上设置有烟气温度测点，布置在旁路烟道关断挡板和旁路烟道调节挡板之间。所述主路烟道上设置有烟气温度测点，布置在后烟井省煤器和主路烟道膨胀节之间。

SCR入口垂直烟道上设置有烟气温度测点，布置在喷氨格栅之上。

作为一种优选的方案，所述系统包括两条旁路烟道，所述两条旁路烟道设置在锅炉宽度方向上，呈左右两侧对称布置，从烟气流程上依次布置有旁路烟道关断挡板、旁路烟道调节挡板，与省煤器出口的左右两侧水平烟道分别连接，在省煤器出口的水平烟道上设置有主路烟道调节挡板。

作为一种优选的方案，所述的主路烟道调节挡板，在距离主路烟道底部在高度方向上至少保留1000mm的间隙，也即调节挡板关闭后，主路还保留至少1000mm通流面积，确保主路烟道中的正常通流和积灰不影响该调节挡板正常开关操作。

作为一种优选的方案，锅炉在第二负荷临界点b及以上负荷，主路烟道调节挡板处于全开状态；当锅炉负荷低于第二临界点b并且高于第一负荷临界点a时，主路烟道调节挡板处于关小状态；当锅炉负荷低于第一负荷临界点a时，主路烟道调节挡板开度处于不低于临界开度定值状态；

锅炉在第四负荷临界点d及以上负荷，旁路烟道关断挡板处于关闭状态，并且旁路烟道调节挡板处于关闭状态；当锅炉负荷低于第四临界点并且高于第三负荷临界点c时，旁路烟道关断挡板处于打开状态，旁路烟道调节挡板处于逐步开大状态，在第三负荷临界点c及以下负荷，旁路烟道调节挡板处于全开状态；

所述第一临界负荷点a、第二临界负荷点b、第三临界负荷点c和第四临界负荷点d通过热态下投运旁路烟气系统的升温特性而确定。

采用上述的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统的热力方法为：

所述主路烟道调节挡板的开度f_{1<\/sub>(x)与锅炉负荷x之间存在着函数对应关系：}

其中，c_{1<\/sub>表示一个调节挡板临界开度定值，是一个常数，需要在后续的热态试验中进行优化和确定；}

具体为：锅炉在第二负荷临界点b及以上负荷时，主路烟道调节挡板全开，减少其对系统的阻力；当锅炉负荷低于第二临界点b并且高于第一负荷临界点a时，主路烟道调节挡板关小，增加主路烟气系统阻力，提升旁路烟道的烟气的流通量；当锅炉负荷低于第一负荷临界点a时，主路烟道调节挡板开度不低于临界开度定值c_1<\/sub>；

所述旁路烟道调节挡板的开度f_{2<\/sub>(x)与锅炉负荷x之间存在着函数对应关系：}

具体为：锅炉在第四负荷临界点d及以上负荷时，旁路烟道关断挡板关闭，并且旁路烟道调节挡板关闭；当锅炉负荷低于第四临界点d并且高于第三负荷临界点c时，随着锅炉负荷下降，打开旁路烟道关断挡板，并将旁路烟道调节挡板逐步开大，在第三负荷临界点c及以下负荷，旁路烟道调节挡板全开。

所述的临界开度定值需要通过锅炉开展负荷变动试验的结果确定，与锅炉的入炉煤质、给水温度和燃烧系统运行方式等因素均有关系，需要定期进行优化确定，确保烟气旁路系统的可靠投入，实现SCR入口烟气温度可控，并且能够最大程度地降低主路烟气系统的阻力。

所述第一临界负荷点a、第二临界负荷点b、第三临界负荷点c和第四临界负荷点d是通过热态下投运旁路烟气系统的升温特性而确定，运行中可以进一步优化和调整参数。

所述第一临界负荷点a、第二临界负荷点b、第三临界负荷点c和第四临界负荷点d是需要在热态下进行试验和调整优化确认的负荷点，本领域的普通技术人员经过试验整定后，基本上就可以确定a、b、c、d的数值大小，从而设置在DCS逻辑中，实现对两个调节挡板的开环控制。

所述的主路烟道调节挡板和旁路烟道调节挡板在经过上述优化和参数整定后可以投入自动运行模式，其控制方式为开环控制，两个调节挡板的开度仅与锅炉负荷有关联，减少了旁路烟气系统投入运行时的频繁调整和调节挡板的频繁动作，提高系统的可靠性，减少检修维护工作量。两个挡板之间存在关联，旁路调节挡板调节作为控制SCR入口烟气温度主要手段，而主路挡板作为配合调节挡板，主要是为了改变主路烟道及后烟井这个并联回路的阻力，从而给旁路调节挡板的调节创造条件，也即如果当旁路挡板全部打开后，烟气温度仍然不能满足要求，表明旁路烟气流量低，需要将主路烟道调节挡板关小，增大主路阻力，这样旁路烟道可以提高流量；另外当旁路烟道调节开度较小时即可满足SCR入口烟温要求，那就需要适量地开度主路挡板，降低锅炉主要烟气系统的阻力，实现节能。

所述的旁路烟道投运后，其烟气流量与SCR入口烟气总量的之比x＝(t_{3<\/sub>-t_{2<\/sub>)\/(t_{1<\/sub>-t_{2<\/sub>)，其中，t_{1<\/sub>为旁路烟道中烟气温度，℃；t_{2<\/sub>为主路烟道中烟气温度，℃；t_{3<\/sub>为SCR入口垂直烟道中烟气温度，℃。}}}}}}}

本实用新型的有益效果在于：

1)利用烟气旁路提升SCR入口烟气温度，烟气温度提升明显，反应快速；2)通过抽吸未经过低温过热器和省煤器的高温烟气，可以减少旁路烟气流量，增加锅炉宽负荷小脱硝的负荷调整范围；3)在主路烟道上设置调节挡板，增强了旁路烟道调节高温烟气流量的灵活性，适应于锅炉在不同负荷下运行；4)主路烟道调节挡板和旁路烟道调节挡板均采用开环控制，其开度仅与锅炉负荷相关联，简化了控制测量，降低调节挡板的动作频率，提高了运行可靠性；5)采用烟气混合前后的温度检测，可以间接地计算出旁路烟气流量占比，方便运行调整。

附图说明

图1为本实用新型的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统的主视图；

图2为本实用新型的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的旁路烟道及后烟井的俯视图；

图3为本实用新型的用于提高锅炉SCR入口烟气温度的热力系统烟温测点布置示意图；

图4为本实用新型的主路烟道调节挡板开度与锅炉负荷之间关系图；

图5为本实用新型的旁路烟道调节挡板开度与锅炉负荷之间关系图；

附图标记说明：

1.锅炉；2.转向室；3.后烟井；4.低温过热器；5.省煤器；6.主路烟道膨胀节；7.主路烟道调节挡板；8.旁路烟道水平膨胀节；9.旁路烟道关断挡板；10.旁路烟道调节挡板；11.旁路烟道垂直膨胀节；12.旁路烟道；13.SCR入口垂直烟道；14.SCR反应器；15.空气预热器；16.旁路烟道烟温测点；17.省煤器出口烟温测点；18.SCR入口烟温测点；19.喷氨格栅；20.主路烟道。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式，对本实用新型的具体实施方案作详细的阐述。需要说明的是，在不存在冲突的情况下，实施例及其中的技术特征可相互组合。

如附图1和附图2所示，锅炉1在后烟井3的上部转向室2处设置高温烟气抽气口，转向室2区域没有布置受热面，转向室2的下部依次布置有低温过热器4和省煤器5。从转向室2设置旁路烟道12，将低温过热器4和省煤器5出口的低温烟气与经过旁路烟道12后的高温烟气混合，提升烟气温度后，依次经过喷氨格栅19和SCR入口垂直烟道13，经过提升温度后烟气再进入SCR反应器14，进行脱硝反应后进入空气预热器15。

对于大型锅炉，在锅炉1宽度方向上设置有两条旁路烟道12，呈左右两侧对称布置，满足后续喷氨混合、脱硝和流经空气预热器等流程。

在旁路烟道12与转向室2接口区域的水平烟道上，沿着烟气流量依次设置旁路烟道水平膨胀节8和旁路烟道关断挡板9，旁路烟道水平膨胀节8靠近锅炉本体部位，用于吸收热态下后烟井3和旁路烟道12之间的相对膨胀量，旁路烟道关断挡板9布置在水平烟道上，用于减少旁路烟道12停运后飞灰对旁路烟道的影响，该挡板用于控制旁路烟道中烟气的流动与否，其严密性对于防止旁路烟道12泄露至关重要，当旁路烟道12投运时，要求先打开旁路烟道关断挡板9，当旁路烟道12退出运行时，要求关闭旁路烟道关断挡板9，切断高温烟气旁通后烟井3。

在旁路烟道12的垂直段上依次设置有旁路烟道调节挡板10和旁路烟道垂直膨胀节11，旁路烟道垂直膨胀节布置在靠近主路烟道区域，用于吸收热态下旁路烟道12与主路烟道之间的膨胀量。旁路烟道调节挡板10用于控制旁路烟道12中的旁路烟气流量，当旁路烟道12退出运行时，要求旁路烟道调节挡板10关闭，当旁路烟道12投入运行时，随着旁路烟道调节挡板10的开度增大，旁路烟气流量增加，对SCR入口烟气温度的提升能力加强。

在省煤器5出口的主路烟道20上依次布置有主路烟道膨胀节6和主路烟道调节挡板7，主路烟道膨胀节6和主路烟道调节挡板7布置在旁路烟道12与主路烟道混合点之前，其中主路烟道膨胀节6用于吸收热态下后烟井3与主路烟道之间的膨胀量，主路烟道调节挡板7用于调节主路烟道的流动阻力，通过该挡板的调节变化，配合实现调节旁路烟道12内的高温烟气流量，也即，当关小主路烟道调节挡板7时，增大了主路烟道系统的流动阻力，提升了旁路烟道12的烟气抽吸能力，增大SCR入口烟气温度的提升幅度，当开大主路烟道调节挡板7的开度时，减小了主路烟道的流动阻力，降低了旁路烟道12的烟气抽吸能力，对提升SCR入口烟气温度的幅度降低。

如附图3所示，在旁路烟道关断挡板9和旁路烟道调节挡板10之间设置有旁路烟道温度测点16，用于检测流经旁路的高温烟气温度，也用于间接测量旁路内的烟气流量占比。

如附图3所示，在主路烟道膨胀节6和省煤器5之间设置有省煤器出口烟温测点17，用于测量和监视省煤器出口烟气温度，进一步判断旁路烟道是否投入运行。

如附图3所示，在喷氨格栅19和SCR反应器14之间布置有SCR入口烟温测点18，用于测量SCR入口烟气温度，进一步判断旁路烟道12是否泄露。

利用两股烟气混合生成第三股烟气的混合过程中质量和能量平衡原理，可以推算处旁路烟道12中的烟气流量与SCR入口烟气总流量之比：x＝(t_{3<\/sub>-t_{2<\/sub>)\/(t_{1<\/sub>-t_{2<\/sub>)，其中，t_{1<\/sub>为旁路烟道中烟气温度，℃；t_{2<\/sub>为主路烟道中烟气温度，℃；t_{3<\/sub>为SCR入口垂直烟道中烟气温度，℃。}}}}}}}

旁路烟道调节挡板10和主路烟道调节挡板7均采用开环控制策略，减少因采用闭环控制对两个调节挡板的频繁动作，提高系统运行的可靠性和降低维护工作量，两个挡板的开度均与锅炉负荷相关联，其控制关系曲线如图4和图5所示，为了保证锅炉烟风系统的通道不中断，要求主路烟道调节挡板开度不低于某临界值，如30％，并且主路烟道调节挡板7底部，保留至少1000mm的间隙，确保整个烟气流通回路不发生完全关闭引发锅炉事故。

对于主路调节挡板7和旁路调节挡板10的开度与锅炉负荷之间存在四个临界负荷点，需要在系统投运后，根据锅炉负荷和烟气温度特性进行调试试验，一般地，进行完热态优化试验后，可以将图4和图5所示的曲线做成DCS控制逻辑，更新后即可用来控制两个调节挡板的变化。其中，图4和图5中的a、b、c、d分别表示一临界负荷点、第二临界负荷点、第三临界负荷点和第四临界负荷点。从附图4和5中可以看出：第一临界负荷点a为30％、第二临界负荷点b为60％、第三临界负荷点c为30％、第四临界负荷点d为50％。

所谓的四个临界负荷点，是按照图4和图5的调节控制曲线，需要在各个负荷点对两个调节挡板进行限位或者全开；四个临界负荷点对于一台锅炉而言，需要经过热态试验，进行优化运行后确定，并修改到DCS控制逻辑中。最终的目的是：减少两个调节挡板的动作频率，提高可靠性；另外尽可能降低烟气系统的整体阻力，实现节能；还有对两个挡板具有一定的调节裕量，对锅炉而言可以适应一定的外部变化，比如燃料、运行工况变化，旁路烟道仍然具备投入自动运行的能力。

设计图

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