脫硝熱解爐結(jié)晶的處理方法和預(yù)防措施

楊明印，馮仁海

（華電國際電力股份有限公司十里泉發(fā)電廠，山東省 棗莊市 277100）

0 引言

隨著國家環(huán)保要求的提高，煙氣脫硝系統(tǒng)成為火電廠必不可少的設(shè)備之一。選擇性催化還原反應(yīng)(selective catalyst reduction，SCR)以其脫硝效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電廠脫硝系統(tǒng)中[1]。尿素具有與液氨、氨水相同的脫硝性能并且安全、無公害，近幾年逐漸成為脫硝制氨的主要原材料。尿素制氨有2種方法，一種是將尿素以水溶液的形式分解，這種方法需要高壓蒸汽設(shè)備和復(fù)雜的廢水處理系統(tǒng)，投資成本高，水解后會產(chǎn)生易于同飛灰黏合的副產(chǎn)物[2-3]，極易破壞SCR催化劑的活性成分[4]和造成催化劑堵塞；另一種是快速加熱霧化后的尿素溶液獲得NH3的方法，后者以其投資少、反應(yīng)完全、無中間聚合物產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為脫硝制氨的主流方法。但是在實(shí)際運(yùn)行中熱解爐結(jié)晶問題頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此準(zhǔn)確判斷與正確處理熱解爐結(jié)晶和深入剖析熱解爐結(jié)晶的原因?qū)γ撓跸到y(tǒng)的運(yùn)行調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 尿素?zé)峤獾墓に嚵鞒膛c脫硝原理

目前國內(nèi)采用的尿素?zé)峤庵瓢钡姆椒ㄊ怯擅绹鳩uel Tech燃料公司發(fā)明的NOxOUT ULTRA方法[5]。尿素在高溫高壓(160~240 ℃，2.0 MPa)或高溫常壓(350~650 ℃，0.1 MPa)條件下，C—N鍵斷裂分解成NH3與CO2，尿素?zé)峤獍l(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)[6]為

尿素?zé)峤庵瓢钡闹饕に嚵鞒倘鐖D1所示。尿素儲藏罐中的尿素顆粒與除鹽水按照一定比例混合均勻配制成濃度為40%~50%的尿素溶液。尿素溶液和除鹽水經(jīng)升壓泵輸送至鍋爐脫硝平臺的尿素計(jì)量分配模塊，壓縮空氣將尿素溶液霧化后由噴槍噴入熱解爐。除鹽水則作為沖洗水待噴槍停用后沖洗尿素溶液管道使用。具有一定風(fēng)壓的稀釋風(fēng)經(jīng)換熱器換熱后變成能夠分解尿素溶液的熱稀釋風(fēng)，也進(jìn)入熱解爐，熱解爐內(nèi)的流場與溫度場足以保證噴入的霧化尿素溶液能夠完全分解成NH3和CO2。分解后的NH3與CO2經(jīng)噴射格柵進(jìn)入脫硝煙道，NH3與煙氣混合均勻后一起通過填充了催化劑的反應(yīng)器，NOx與NH3在其中發(fā)生還原反應(yīng)，生成 N2和 H2O，將煙氣中的 NOx基本除去，這就是SCR脫硝的基本原理。

圖1 熱解脫硝工藝流程圖Fig. 1 Pyrolysis denitration flow chart

華電國際十里泉發(fā)電廠2臺660 MW超超臨界直流機(jī)爐脫硝熱解系統(tǒng)為東方鍋爐廠配套提供，其稀釋風(fēng)來源于冷一次風(fēng)，在后煙井處配有專門的對流換熱器和輔助電加熱器對稀釋風(fēng)進(jìn)行加熱，以達(dá)到足夠的熱解溫度。

2 熱解爐結(jié)晶的現(xiàn)象與處理

十里泉2臺660 MW機(jī)組自投運(yùn)以來熱解爐結(jié)晶現(xiàn)象頻繁發(fā)生?？傮w來說結(jié)晶現(xiàn)象主要有兩種，一種是熱解爐內(nèi)壁有少量結(jié)晶并脫落，另一種是熱解爐尾部和熱解爐至噴氨格柵管道發(fā)生結(jié)晶并堵塞管道。

熱解爐有少量結(jié)晶脫落的系統(tǒng)參數(shù)變化見表1，其脫硝煙道入口NOx基本沒有變化，熱解爐稀釋風(fēng)量、出口風(fēng)壓迅速下降，熱解爐入口風(fēng)壓、差壓迅速升高。短時尿素溶液霧化效果不好或稀釋風(fēng)量的波動造成熱解爐流場、溫度場的不均勻都很有可能導(dǎo)致發(fā)生少量結(jié)晶的形成并脫落。熱解爐少量結(jié)晶脫落時，由于熱解爐流場、溫度場足夠分解尿素溶液和結(jié)晶，因此熱解爐出入口溫度變化不是很明顯，短時間內(nèi)脫硝熱解系統(tǒng)會自動恢復(fù)正常狀態(tài)，不需要運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)整，只要加強(qiáng)監(jiān)視即可。

熱解爐尾部和噴氨格柵管道的結(jié)晶過程比較緩慢，如發(fā)現(xiàn)不及時、處理不得當(dāng)很有可能造成NOx排放超標(biāo)，其參數(shù)變化見表 2。從表 2中可以看出結(jié)晶發(fā)生前脫硝入口NOx有大幅增長，尿素溶液噴入量也隨之快速增長。隨著結(jié)晶過程的發(fā)展稀釋風(fēng)量與熱解爐出口風(fēng)溫明顯下降，熱解爐入口風(fēng)壓、差壓會隨著風(fēng)量的減少而升高，出口壓力也明顯降低。從表2中不難看出造成熱解爐大面積結(jié)晶的主要原因是由于脫硝入口NOx大幅增加，引起噴射尿素溶液量的大幅增加，而此時熱解爐的流場與溫度場變化滯后于尿素溶液流量，以至于不能夠完全分解所有噴入的尿素溶液。因此，運(yùn)行中一旦發(fā)現(xiàn)入口稀釋風(fēng)量與熱解爐出口溫度同步緩慢下降(約 20%)，即認(rèn)為熱解爐結(jié)晶。處理此種結(jié)晶的1個中心原則就是盡快使熱解爐的流場、溫度場與當(dāng)前的尿素噴射量匹配。首先應(yīng)增開備用稀釋風(fēng)通道增加熱解爐稀釋風(fēng)量，投入稀釋風(fēng)電加熱系統(tǒng)，提高熱解爐出入口風(fēng)溫。其次降低爐膛出口氧量、增大爐膛上部燃盡風(fēng)量使脫硝入口NOx降低，進(jìn)而降低尿素溶液噴射量。如脫硝入口NOx降低不明顯可申請降負(fù)荷停止1臺磨煤機(jī)運(yùn)行。隨著熱解爐內(nèi)部流場、溫度場的逐步恢復(fù)，高溫風(fēng)量會緩慢將堵塞的結(jié)晶物逐步熱解帶出，隨著結(jié)晶物的逐步熱解，熱解爐的出口風(fēng)量、風(fēng)溫會逐漸提高，直至恢復(fù)正常。

表1 熱解爐少量結(jié)晶出現(xiàn)時系統(tǒng)參數(shù)變化表Tab. 1 System parameter variation for a small amount of crystallization in a pyrolysis furnace

表2 熱解爐大量結(jié)晶出現(xiàn)時系統(tǒng)參數(shù)變化表Tab. 2 System parameter variation for a large number of crystallization in a pyrolysis furnace

3 熱解爐結(jié)晶的原因分析

通過對十里泉電廠2臺爐熱解系統(tǒng)有針對性的調(diào)研分析得知，尿素?zé)峤饷撓跸到y(tǒng)脫硝效率高，運(yùn)行穩(wěn)定。但是2臺爐普遍存在結(jié)晶現(xiàn)象，熱解爐的流場、溫度場分布和尿素的霧化情況是影響結(jié)晶的2個重要因素[7]。

熱解爐流場設(shè)計(jì)不均勻[8]，一方面流速過快會導(dǎo)致尿素在熱解爐的停留時間縮短而不完全分解，流速過慢會導(dǎo)致熱解制氨量下降，進(jìn)一步影響脫硝效率。另一方面熱解爐溫度場的建立是靠氣氣換熱器或者電加熱器加熱稀釋風(fēng)建立的，流場分布不均勻會造成熱溫度場的分布不均，在熱解爐內(nèi)就會出現(xiàn)溫度低的點(diǎn)，造成尿素不能完全分解導(dǎo)致結(jié)晶。

尿素溶液霧化情況受多方面因素的影響[9]。首先噴槍性能的好壞直接影響到尿素?zé)峤獾男Ч兔撓醯男省Ｆ浯文蛩卦牧虾湍蛩厝芙馑械碾s質(zhì)成分高于設(shè)計(jì)值，也會直接影響尿素溶液的霧化情況，并會對SCR催化劑的活性成分造成傷害。再次霧化壓縮空氣的壓力與品質(zhì)對尿素溶液的霧化效果也有重要影響。提高壓縮空氣壓力雖然能夠提升霧化效果，但噴霧流量會減小，脫硝效率也會下降；此外如果選用的霧化空氣中水、油、塵的含量比較高，在設(shè)備的長期運(yùn)行中就有可能堵塞霧化空氣管道，造成尿素溶液不被霧化就直接噴入熱解爐，影響熱解效果。

大量灰塵、雜質(zhì)進(jìn)入熱解爐也會造成結(jié)晶?；覊m雜質(zhì)的存在一方面使反應(yīng)物濃度降低，降低了NH3的生成效率，致使尿素溶液噴射量大幅增加，而熱解爐的流場與溫度場短時內(nèi)不能與尿素溶液流量相匹配，大量尿素溶液得不到及時分解而引發(fā)結(jié)晶；另一方面大顆粒的灰塵易于同噴射霧滴結(jié)合集聚形成尿素、灰塵混合物，混合物在流場中不斷運(yùn)動形成更大顆粒的混合物，最終導(dǎo)致無法分解而沉降結(jié)晶。

運(yùn)行人員運(yùn)行調(diào)整的方式方法也很重要。如短時大幅提高尿素溶液噴射量、長時間將稀釋風(fēng)量、熱解爐出入口溫度控制在低限運(yùn)行都會導(dǎo)致熱解爐結(jié)晶。

4 預(yù)防熱解爐結(jié)晶的措施

根據(jù)對熱解爐結(jié)晶原因的深入分析，針對熱解爐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)整方法提出以下幾點(diǎn)預(yù)防優(yōu)化措施。

為了保證尿素溶液能夠在熱解爐內(nèi)完全分解，一方面要設(shè)計(jì)出足夠均勻的氣體流場，使噴槍噴出的霧化尿素溶液能夠與熱空氣充分結(jié)合、完全分解，同時要使整個流場熱空氣旋轉(zhuǎn)，在貼壁部位流速要快，防止形成較大霧滴，在中心部位流速要慢，有利于增加霧滴的停留時間。另一方面應(yīng)保證熱解爐內(nèi)溫度場分布合理，使熱解爐內(nèi)每一個點(diǎn)的溫度都在熱解的合理溫度區(qū)間內(nèi)。因此在設(shè)計(jì)熱解爐時要結(jié)合現(xiàn)場工況使用具有液滴軌跡模型的計(jì)算流體力學(xué)[10]，設(shè)計(jì)出滿足現(xiàn)場工況條件的流場與溫度場。

為了獲得較好的尿素溶液霧化效果，在噴槍選擇上要選擇質(zhì)量可靠的噴槍生產(chǎn)廠家[11]。在尿素原料的采購上不但要嚴(yán)格控制尿素的純度，在溶液配制過程中應(yīng)采用去離子、去礦物質(zhì)的軟化水作為配置尿素溶液的溶解水，必要時可以在尿素溶液輸送泵后增加膜式過濾器設(shè)備以去除尿素溶液中的大顆粒性雜質(zhì)。此外還應(yīng)該選用合適壓力的壓縮空氣，同時提高壓縮空氣的品質(zhì)，選用水、油和塵含量少的儀用壓縮空氣作為霧化氣源能有效防止浮子流量計(jì)的堵塞，提高尿素溶液的霧化效果，進(jìn)而提高熱解效率。

為了更好地控制進(jìn)入熱解爐的灰塵含量，脫硝稀釋風(fēng)可以采用冷一次風(fēng)，并在爐膛后煙井低溫再熱器上部、熱稀釋風(fēng)出口處布置專門的對流換熱器和輔助電加熱器，對稀釋風(fēng)進(jìn)行加熱，以獲得足夠的熱解溫度。實(shí)踐表明此種設(shè)計(jì)對比稀釋風(fēng)直接采用空預(yù)器出口的熱一次風(fēng)、熱二次風(fēng)和冷風(fēng)源經(jīng)空預(yù)器獨(dú)立加熱后的熱風(fēng)，不但能更好地滿足熱解溫度的需要，而且還能很好地控制進(jìn)入到熱解爐中的灰塵含量。

此外，除了做好系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)外，在平時運(yùn)行中也應(yīng)該做好熱解爐的運(yùn)行監(jiān)視與調(diào)整工作。在機(jī)組正常運(yùn)行中應(yīng)該合理分配磨煤機(jī)的運(yùn)行方式，兼顧爐膛出口氧量與出口NOx的關(guān)系，合理配置燃盡風(fēng)，在保證爐膛燃燒安全的情況下，盡量降低爐膛出口NOx，減少噴氨量。其次應(yīng)該嚴(yán)密監(jiān)視霧化壓縮空氣壓力和稀釋風(fēng)量與風(fēng)壓以及熱解爐出入口溫度，以保證尿素溶液有較好的霧化效果和熱解爐有均勻的流場和溫度場，減小結(jié)晶的可能。再次在快速升降負(fù)荷和啟停磨，尤其是啟動上層磨煤機(jī)時，爐膛出口NOx會大幅升高[12]，此時應(yīng)采取適當(dāng)降低運(yùn)行氧量，增大上層燃盡風(fēng)量，適當(dāng)增加尿素溶液量等操作。避免因脫硝出口NOx大幅升高而短時、大量增加尿素噴射量，造成熱解爐流場、溫度場熱解能力的變化滯后于尿素溶液量的變化，增加結(jié)晶的風(fēng)險?？傊畬Ox排放指標(biāo)的調(diào)控上要超前預(yù)控，多方法調(diào)整，對尿素溶液的噴入量要緩慢調(diào)整，避免熱解系統(tǒng)的動態(tài)失衡。

5 結(jié)論

尿素?zé)峤庵瓢笔且环N安全有效的制氨方式，能夠保證SCR系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著國家環(huán)保要求的提高和對安全生產(chǎn)的重視，尿素?zé)峤饧夹g(shù)在燃煤火電廠中的應(yīng)用將日趨廣泛。對于制約尿素?zé)峤饧夹g(shù)發(fā)展的結(jié)晶問題，只要在流場設(shè)計(jì)、工藝流程和霧化效果等多方面進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)巡檢維護(hù)與監(jiān)視，在運(yùn)行調(diào)整中注意方式、方法就可以有效防止結(jié)晶的產(chǎn)生。

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