燃?xì)怆姀S(chǎng)脫硝系統(tǒng)尿素結(jié)晶原因分析及處理措施

任 巖

(河北華電石家莊熱電有限公司,河北 石家莊 050041)

0 引言

某電廠(chǎng)燃?xì)鈾C(jī)組投產(chǎn)后,脫硝系統(tǒng)頻繁發(fā)生尿素結(jié)晶導(dǎo)致管道堵塞的問(wèn)題。運(yùn)行期間多次出現(xiàn)高溫風(fēng)機(jī)流量降低、風(fēng)壓升高的情況,嚴(yán)重時(shí)脫硝系統(tǒng)投運(yùn)1周內(nèi),風(fēng)量從1 200 Nm3/h降至500 Nm3/h,以至于系統(tǒng)不得不停運(yùn),嚴(yán)重影響機(jī)組環(huán)保設(shè)備投運(yùn)和環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)。本文針對(duì)以上問(wèn)題,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解體檢查、綜合分析,對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造,解決了脫硝系統(tǒng)頻繁發(fā)生尿素結(jié)晶堵塞的問(wèn)題,提高了設(shè)備的可靠性、安全性。

1 設(shè)備情況

該電廠(chǎng)2臺(tái)453 MW 燃?xì)鈾C(jī)組,配套脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原脫硝工藝,脫硝系統(tǒng)由尿素區(qū)系統(tǒng)和反應(yīng)區(qū)系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)工作流程為:尿素區(qū)系統(tǒng)將尿素?cái)嚢枞芙庵苽涑赡蛩厝芤?尿素溶液通過(guò)噴槍_霧化,在熱解爐中與高溫?zé)煔饣旌蠠峤馍砂睔?氨氣經(jīng)分配管道由氨注射格柵(AIG)注入脫硝系統(tǒng)入口煙道中。反應(yīng)區(qū)系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 反應(yīng)區(qū)系統(tǒng)流程示意

2 尿素結(jié)晶原因分析

2.1 風(fēng)機(jī)出力不足或尿素過(guò)量噴入

高溫風(fēng)機(jī)出力不足或尿素溶液噴射量過(guò)大[1],高溫?zé)煔怙L(fēng)量不能滿(mǎn)足尿素?zé)岱纸馑璧臒崃?。高溫風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為風(fēng)量Q=1 150 Nm3/h,風(fēng)壓P=8 000 Pa。實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量為1 000～1 200 Nm3/h,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,排除風(fēng)機(jī)出力不足的問(wèn)題,考慮可能為尿素溶液噴射量過(guò)大[2]。

脫硝系統(tǒng)投運(yùn)初期,共5次試投尿素,分析5次投運(yùn)參數(shù),發(fā)現(xiàn)第4次投運(yùn)時(shí)(參數(shù)見(jiàn)表1),機(jī)組帶初始負(fù)荷,高溫風(fēng)機(jī)啟動(dòng),尿素溶液流量為0 L/h時(shí),熱解爐進(jìn)出口溫差過(guò)大,表明噴槍流量調(diào)節(jié)管路關(guān)閉時(shí)仍然有尿素溶液經(jīng)旁路進(jìn)入噴槍和熱解爐,造成過(guò)大溫降。此外,氨注射格柵母管溫度遠(yuǎn)低于熱解爐出口溫度,表明霧化壓縮空氣關(guān)閉時(shí)尿素溶液非正常噴入,無(wú)法正常霧化熱解,從而導(dǎo)致堵塞加劇。

表1 第4次投運(yùn)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),計(jì)量分配模塊管路安裝與圖紙不符,對(duì)比如圖2所示。原始設(shè)計(jì)為,尿素調(diào)節(jié)閥7、流量計(jì)(FT)位于噴槍支路,可有效控制噴槍尿素溶液流量;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為,尿素調(diào)節(jié)閥7、流量計(jì)(FT)位于主管路,調(diào)節(jié)的是主管路尿素溶液流量,無(wú)法單獨(dú)調(diào)節(jié)噴槍尿素溶液流量,流量計(jì)顯示的流量并非噴槍實(shí)際流量。此外,在尿素調(diào)節(jié)閥7關(guān)閉時(shí),這種安裝方式會(huì)導(dǎo)致尿素溶液回液管路液體反流至噴槍及熱解爐,由于尿素供料系統(tǒng)循環(huán)時(shí),2臺(tái)鍋爐為并聯(lián)循環(huán),且無(wú)法隔離,尿素溶液回液管路會(huì)通過(guò)另一臺(tái)鍋爐管道傳導(dǎo)帶壓。尿素調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)線(xiàn)性不好[3],且閥門(mén)口徑過(guò)大,也加劇了投運(yùn)初期尿素噴入量過(guò)大的問(wèn)題。第5次投運(yùn)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)曲線(xiàn)如圖3所示,高溫風(fēng)機(jī)出口母管溫度基本不變,但風(fēng)壓逐漸上漲,風(fēng)量逐漸降低,表明管道堵塞進(jìn)一步加劇。

圖2 稀釋計(jì)量模塊原始設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)比

圖3 第5次投運(yùn)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)曲線(xiàn)

第5次投運(yùn)結(jié)束后,對(duì)脫硝系統(tǒng)解體檢查,發(fā)現(xiàn)噴氨格柵噴氣小孔被白色片狀物堵塞,受熱模塊鰭片附著大量白色粉末物質(zhì),爐底存在大量灰褐色片狀物,脫硝催化劑表面也存在大面積灰褐色片狀物,熱解爐及出口管道中存在大量白色粉末及結(jié)晶物。經(jīng)分析及廠(chǎng)家證實(shí),爐底及催化劑表面灰褐色片狀物為受熱模塊表層防腐涂料因高溫脫落產(chǎn)生,熱解爐、噴氨格柵和格柵附近的受熱模塊表面白色粉末及結(jié)晶物為尿素?zé)峤獠煌耆a(chǎn)生的三聚氰酸、三聚氰胺和縮二脲等中間聚合物及沉積形成的結(jié)晶[4-5]。

2.2 煙溫非正常冷卻

根據(jù)第1次投運(yùn)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),發(fā)現(xiàn)高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)出口溫差較大,煙氣經(jīng)過(guò)高溫風(fēng)機(jī)后非正常冷卻,運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。在風(fēng)機(jī)風(fēng)箱與軸承座之間設(shè)有水冷銅套?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)水套漏水,打開(kāi)風(fēng)箱底部放水閥,有較多水流出,分析為水套漏水導(dǎo)致風(fēng)箱進(jìn)水。高溫風(fēng)機(jī)冷卻水套原設(shè)計(jì)為對(duì)開(kāi)式內(nèi)部通道直連循環(huán),上、下水套水冷腔室由高溫膠粘接。

表2 第1次投運(yùn)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表

2.3 熱解爐內(nèi)尿素?zé)峤獠煌耆?/h3>

受限于熱解爐內(nèi)高溫?zé)煔饬鲌?chǎng),高溫?zé)煔馀c尿素液滴混合不均勻或尿素液滴在熱解爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短[6];噴槍霧化效果不佳,主要與霧化粒度、噴射速度、噴射角有關(guān)。經(jīng)廠(chǎng)家證實(shí),尿素?zé)峤夥磻?yīng)器熱分解距離約7 m,滿(mǎn)足工程需求,同類(lèi)型項(xiàng)目有長(zhǎng)期運(yùn)行驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn);將尿素噴槍取出,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)霧化試驗(yàn),噴槍霧化效果良好。

2.4 噴氨支管配風(fēng)不均

噴氨支管過(guò)多,且每根支管配有蝶閥,造成配風(fēng)不均、阻力較大。此外,遠(yuǎn)端支管行程阻力大,風(fēng)量小,熱損失大,易造成局部低溫而結(jié)晶。機(jī)組冷態(tài)下,啟動(dòng)高溫風(fēng)機(jī),通過(guò)支管差壓計(jì)測(cè)量及格柵噴氣小孔宏觀檢查,確實(shí)存在風(fēng)量、風(fēng)壓不均的問(wèn)題。

2.5 設(shè)備保溫效果不佳

熱解爐或噴氨支管保溫效果不佳,造成局部散熱損失較大。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)局部保溫層變色,存在部分保溫棉安裝不牢固的問(wèn)題。

2.6 小結(jié)

綜上,推斷尿素結(jié)晶的主要原因?yàn)橛?jì)量模塊安裝與圖紙不符,系統(tǒng)停運(yùn)時(shí),尿素溶液非正常噴入,導(dǎo)致熱解爐底部積存大量尿素溶液;系統(tǒng)投運(yùn)時(shí),因尿素調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)位于主管路,無(wú)法單獨(dú)調(diào)節(jié)噴槍尿素溶液流量,流量計(jì)流量與噴槍實(shí)際流量不符,造成尿素噴入量過(guò)大。熱解爐底部積存尿素溶液以及初始尿素噴入量過(guò)大,加劇了尿素不完全分解,形成熱解爐底部大量結(jié)晶和白色粉末。

此外,風(fēng)機(jī)風(fēng)箱進(jìn)水、局部保溫過(guò)薄,造成系統(tǒng)較大溫降,噴氨支管風(fēng)量、風(fēng)壓不均勻,引起遠(yuǎn)端支管和噴氨格柵小孔堵塞,隨著尿素結(jié)晶加劇,逐步造成系統(tǒng)風(fēng)量降低、風(fēng)壓升高,以至于系統(tǒng)無(wú)法投運(yùn)。

3 設(shè)備改造方案

3.1 計(jì)量分配模塊改造

改造計(jì)量分配模塊管路,更換尿素調(diào)節(jié)閥。改造后,尿素溶液可正常噴入熱解爐,調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度提高,配合手動(dòng)閥限流,尿素溶液流量調(diào)節(jié)范圍可維持在10～70 L/h(設(shè)計(jì)流量為55 L/h),與實(shí)際需求更為匹配。

3.2 高溫風(fēng)機(jī)冷卻水套改造

由內(nèi)部通道直連式改為內(nèi)外結(jié)合式,上、下水套重新加工制造,水冷腔室各自封閉,由外置管道將上、下水冷腔室連接,有效避免了高溫膠粘接密封面不嚴(yán)造成泄漏的問(wèn)題。冷卻水套結(jié)構(gòu)改造前后對(duì)比如圖4所示。

圖4 冷卻水套改造前后對(duì)比

3.3 噴氨支管改造

噴氨格柵底部焊接管帽更改為螺紋堵頭。改造后便于疏通、清理格柵內(nèi)部雜質(zhì),方便快速恢復(fù),減少現(xiàn)場(chǎng)切割、焊接工作量,有效提升檢修工作效率。

3.4 熱解爐底部加裝排污閥

在熱解爐底部加裝管道和排污閥,運(yùn)行中發(fā)生積水、堵塞時(shí),可打開(kāi)閥門(mén)放掉積水保證系統(tǒng)暢通,如有結(jié)晶可通過(guò)敲打、疏通等方式將其排出。

3.5 尿素供料循環(huán)系統(tǒng)改造

尿素供料循環(huán)系統(tǒng)加裝隔斷閥、放水閥,優(yōu)化2臺(tái)鍋爐尿素管道的并聯(lián)方式。因2臺(tái)鍋爐脫硝系統(tǒng)共用尿素間尿素母管,各支管處未設(shè)隔斷閥,即使單臺(tái)爐運(yùn)行,2臺(tái)鍋爐尿素管道也必須同時(shí)循環(huán)投運(yùn)。在各支管處加裝隔離閥、放水閥后,降低另一臺(tái)爐尿素溶液循環(huán)對(duì)本鍋爐的影響,同時(shí)降低單機(jī)組運(yùn)行條件下,對(duì)尿素管道的腐蝕。

3.6 系統(tǒng)保溫重新敷設(shè)

對(duì)熱解爐及噴氨支管保溫重新敷設(shè),保溫棉按要求搭接、壓實(shí),確保保溫效果達(dá)標(biāo)。

3.7 結(jié)合風(fēng)量試驗(yàn)徹底疏通管道

對(duì)AIG 各噴管流量分析檢測(cè),如表3 所示,徹底查找堵塞管道。停備期對(duì)其進(jìn)行徹底清理。AIG 管路堵塞清理后,驗(yàn)證各噴管AIG 流量,確保AIG 噴管通暢。同時(shí)根據(jù)風(fēng)量對(duì)AIG 各噴管進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié),保證風(fēng)量基本平衡。

表3 AIG各噴管流量分配實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

熱解系統(tǒng)投入尿素時(shí),定期測(cè)量各噴管差壓,存在嚴(yán)重堵塞的噴管,應(yīng)及時(shí)停止噴射尿素,必要時(shí)停機(jī)檢修。注意定期檢查噴槍霧化,確保噴槍正常工作。

4 運(yùn)行防范措施

4.1 控制尿素噴入量

為防止尿素結(jié)晶,要保證尿素噴入量符合設(shè)計(jì)要求,防止過(guò)量噴入,檢查現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)是否與設(shè)計(jì)相符,檢查現(xiàn)場(chǎng)尿素是否存在非正常噴入,如系統(tǒng)安裝與設(shè)計(jì)不符、閥門(mén)內(nèi)漏等,尤其是機(jī)組停運(yùn)后,要保證尿素溶液可靠關(guān)閉。

4.2 控制熱解過(guò)程

在熱解過(guò)程中,盡量提高熱解爐出口溫度,控制在350～400℃,以利于尿素的充分熱解。檢查系統(tǒng)各煙道區(qū)段溫降是否正常,若溫降過(guò)大,要檢查保溫是否符合要求,是否存在其他問(wèn)題引起溫降,比如高溫風(fēng)機(jī)水套漏水。定期檢查噴槍霧化,確保噴槍正常工作。熱解系統(tǒng)投入尿素時(shí),定期測(cè)量各噴管差壓,存在嚴(yán)重堵塞的噴管,應(yīng)及時(shí)停止噴射尿素,必要時(shí)停機(jī)檢修。檢修期對(duì)各噴氨支管進(jìn)行風(fēng)量平衡試驗(yàn),確保各噴氨支管風(fēng)量基本均衡。

4.3 優(yōu)化運(yùn)行操作

此外,脫硝系統(tǒng)正常投入和退出時(shí),要確保運(yùn)行操作流程規(guī)范。系統(tǒng)投入時(shí),高溫風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后熱解爐溫度達(dá)到350 ℃時(shí)才可逐漸噴入尿素,否則易造成溫度過(guò)低,尿素?zé)峤獠煌耆?。系統(tǒng)退出時(shí),要進(jìn)行噴槍管路沖洗,防止噴槍內(nèi)尿素結(jié)晶,沖洗完畢一段時(shí)間后,方可停運(yùn)高溫風(fēng)機(jī)。

5 改造效果

通過(guò)以上優(yōu)化改造,脫硝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常投運(yùn),尿素溶液正常噴入,系統(tǒng)風(fēng)壓、風(fēng)量、溫度基本穩(wěn)定,各運(yùn)行參數(shù)正常,脫硝效果良好。

機(jī)組停備后,現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn):噴氨格柵未見(jiàn)明顯堵塞,熱解爐依然存在較多尿素結(jié)晶,但較之前已經(jīng)明顯減少,噴槍入口冷卻壓縮空氣對(duì)側(cè)檢查孔存在較多尿素結(jié)晶;觀察孔下部?jī)?nèi)壁,存在尿素結(jié)晶,呈環(huán)形分布,其余內(nèi)壁較為光潔;熱解爐底部存在大量尿素結(jié)晶板結(jié)物。分析可能是由于冷卻壓縮空氣造成噴槍霧化方向改變、粘壁,溫度降低形成尿素結(jié)晶。目前已關(guān)閉冷卻用壓縮空氣,運(yùn)行期間禁止打開(kāi)。此外,在運(yùn)行過(guò)程中,盡量提高熱解爐出口溫度,控制在350～400 ℃,有利于尿素的充分熱解[7]。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析、優(yōu)化改造,逐步解決了脫硝系統(tǒng)頻繁尿素結(jié)晶堵塞的問(wèn)題。機(jī)組2021年6月至8月調(diào)峰啟動(dòng),脫硝系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)正常,脫硝效果良好。再次停備后,現(xiàn)場(chǎng)解體檢查,熱解爐未發(fā)現(xiàn)尿素明顯結(jié)晶現(xiàn)象。截至2022年3月,未再次發(fā)生因尿素結(jié)晶管道堵塞導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)組投產(chǎn)后,脫硝系統(tǒng)頻繁發(fā)生尿素結(jié)晶導(dǎo)致管道堵塞的問(wèn)題,脫硝系統(tǒng)不能投運(yùn),嚴(yán)重影響機(jī)組環(huán)保達(dá)標(biāo)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解體檢查、綜合分析,對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行稀釋計(jì)量模塊改造、高溫風(fēng)機(jī)冷卻水套改造、噴氨格柵加裝活動(dòng)堵頭、熱解爐底部加裝疏水系統(tǒng)、優(yōu)化尿素管道連接方式、進(jìn)行風(fēng)量調(diào)整試驗(yàn)、熱解爐內(nèi)霧化流場(chǎng)分析優(yōu)化等,通過(guò)綜合性?xún)?yōu)化改造,解決了脫硝系統(tǒng)頻繁發(fā)生尿素結(jié)晶堵塞的問(wèn)題,提高了設(shè)備的可靠性、安全性。