尿素?zé)峤庵瓢惫に囋?000MW燃煤電廠的應(yīng)用與優(yōu)化

喻小偉，匡萃杰

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2.中煤新集利辛發(fā)電有限公司，安徽省 亳州市 236744）

0 引言

選擇性催化劑還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝工藝是目前火電廠廣泛應(yīng)用的煙氣脫硝技術(shù)之一，脫硝還原劑一般選用液氨、氨水或尿素[1-2]。氨水與液氨都屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，尿素則為白色或淺黃色的結(jié)晶體，易溶于水，水溶液呈中性反應(yīng)。與氨水及液氨相比，尿素是無(wú)毒、無(wú)害的化學(xué)品，是農(nóng)業(yè)常用的肥料，無(wú)爆炸可能性，完全沒有危險(xiǎn)性。尿素在運(yùn)輸、儲(chǔ)存中無(wú)需安全及危險(xiǎn)性的考量，更不須任何的緊急程序來(lái)確保安全[3]。尿素作為還原劑在燃煤電廠脫硝工程中應(yīng)用廣泛[4]，尤其是在選擇性非催化還原(selective non catalytic reduction，SNCR)脫硝系統(tǒng)中，與液氨和氨水相比有著系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安全系數(shù)高、運(yùn)行成本低廉的優(yōu)勢(shì)[5-6]。尿素溶液被噴入高溫爐膛反應(yīng)，分解完全，在管道和煙道中結(jié)晶少，不容易形成堵塞，有利于系統(tǒng)精確控制。然而在SCR脫硝系統(tǒng)中，還原劑多使用液氨，而較少使用尿素，這是因?yàn)橐喊敝苯诱舭l(fā)可形成氨氣，而尿素必須經(jīng)過熱解或水解工藝才能制成氨氣。相比于尿素水解工藝，尿素?zé)峤庵瓢惫に囉捎谙到y(tǒng)簡(jiǎn)單、投資成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、維護(hù)量小等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地被電廠采用[7-11]。

國(guó)投新集電力利辛板集發(fā)電廠(下文簡(jiǎn)稱“板集電廠”)一期建設(shè)2 臺(tái)1 000 MW 超超臨界燃煤機(jī)組，同步建設(shè)SCR煙氣脫硝工程，還原劑方案選用尿素?zé)峤庵瓢惫に嚕颗_(tái)機(jī)組配置一套獨(dú)立的尿素?zé)峤庵瓢毖b置。本文分析了板集電廠尿素?zé)峤庋b置在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的沉積物堵塞現(xiàn)象，探討了堵塞出現(xiàn)的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施及方案，可為國(guó)內(nèi)外其他配置尿素?zé)峤夤に嚨碾姀S提供借鑒。

1 尿素?zé)峤饧夹g(shù)原理

尿素的熱解反應(yīng)過程極為復(fù)雜，包括眾多的中間反應(yīng)和副反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)生產(chǎn)眾多的中間反應(yīng)產(chǎn)物和副反應(yīng)產(chǎn)物[12-13]，當(dāng)反應(yīng)溫度低于360 ℃時(shí)，這些中間反應(yīng)產(chǎn)物和副反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)大量生成，不利于尿素的完全分解。當(dāng)反應(yīng)溫度高于360 ℃時(shí)，尿素的分解反應(yīng)以下列反應(yīng)為主：

尿素(CO(NH2)2)在受熱時(shí)會(huì)分解為氨(NH3)和異氰酸(HNCO)，HNCO遇到水汽會(huì)發(fā)生水解生成NH3和CO2。上述反應(yīng)在極短的時(shí)間完成，因此也可以綜合為下列反應(yīng)：

2 尿素?zé)峤夤に?/h2>

板集電廠尿素?zé)峤夤に嚾鐖D1 所示。尿素顆粒通過斗提機(jī)提升到溶解罐中，用除鹽水將干尿素溶解成50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素溶液，由于尿素溶解過程是吸熱反應(yīng)，為避免溫度過低導(dǎo)致尿素溶液結(jié)晶，需使用輔助蒸汽將尿素溶解加熱至40～50 ℃。用尿素混合給料泵將配制合格的尿素溶液送入儲(chǔ)罐，2個(gè)尿素溶液儲(chǔ)罐供2臺(tái)機(jī)組的尿素?zé)峤庋b置使用，互為備用。為避免結(jié)晶，同樣使用輔助蒸汽對(duì)尿素溶液儲(chǔ)罐加熱，維持35 ℃以上的溫度。使用尿素溶液循環(huán)泵為熱解爐供應(yīng)尿素溶液，通過計(jì)量分配裝置控制尿素溶液供應(yīng)流量。用壓縮空氣霧化尿素溶液后噴入熱解爐，在熱解爐內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng)。熱解爐的熱源采用空預(yù)器后熱二次風(fēng)抽氣，經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)加壓，通過兩級(jí)電加熱器加熱至600 ℃后送入熱解爐內(nèi)。熱解爐出口溫度控制在340 ℃以上，但不超過400 ℃，以保證熱解反應(yīng)完全，且能源消耗控制在合理的范圍。霧化后的尿素液滴在絕熱分解室內(nèi)受熱分解，生成SCR 脫硝系統(tǒng)反應(yīng)所需的還原劑(氨)，與稀釋空氣混合成氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%的氨/空氣混合物，經(jīng)由氨噴射系統(tǒng)進(jìn)入SCR反應(yīng)器參與脫硝反應(yīng)。

圖1 板集電廠尿素?zé)峤夤に囀疽鈭DFig.1 Diagram of urea pyrolysis technology in Banji power plant

3 運(yùn)行中的問題及分析

3.1 沉積物堵塞

板集電廠1號(hào)機(jī)組于2016年8月投產(chǎn)，2號(hào)機(jī)組于2016 年10 月投產(chǎn)。2017 年5 月，1 號(hào)鍋爐檢修，對(duì)熱解爐內(nèi)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)堵塞嚴(yán)重，內(nèi)壁掛滿結(jié)晶體，僅剩1/3 通道可以流通，如圖2 所示。檢修時(shí)對(duì)熱解爐內(nèi)、出口管道、噴氨格柵入口左右側(cè)聯(lián)箱進(jìn)行了全部清理。2017年6月，2號(hào)鍋爐運(yùn)行時(shí)解爐內(nèi)壓力緩慢上漲至5.5 kPa，后期檢修對(duì)熱解爐內(nèi)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)堵塞嚴(yán)重，與1號(hào)熱解爐類似，而后對(duì)熱解爐內(nèi)、出口管道、噴氨格柵入口左右側(cè)聯(lián)箱進(jìn)行了全部清理。尿素?zé)峤鉅t在運(yùn)行過程中因形成沉積物而被堵塞，已經(jīng)成為尿素?zé)峤夤に嚨囊粋€(gè)比較共性的問題，國(guó)內(nèi)多家配置尿素?zé)峤夤に嚨碾姀S均已出現(xiàn)熱解爐堵塞的情況[14]。當(dāng)熱解溫度降低時(shí)，尿素不會(huì)完全發(fā)生分解，在分解過程中會(huì)生成一系列復(fù)雜的中間產(chǎn)物，一般為三聚氰酸、乙二肟、縮二脲、縮三脲等[15-17]，這些中間產(chǎn)物不易分解，并且容易在熱解爐內(nèi)和管道中產(chǎn)生沉積，生成堅(jiān)硬的沉積物，從而造成堵塞。

圖2 板集電廠熱解爐內(nèi)沉積物照片F(xiàn)ig.2 Photos of pyrolysis furnace sediment in Banji power plant

3.2 熱解風(fēng)量不足

熱解爐入口熱二次風(fēng)量的設(shè)計(jì)要求為不低于8 000 m3/h，但是目前1 號(hào)爐脫硝增壓風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)熱解爐入口流量只有7 000 m3/h左右，2號(hào)爐只有6 300 m3/h 左右，與設(shè)計(jì)值有較大差距。經(jīng)過機(jī)組檢修調(diào)查表明，造成熱解爐入口流量下降的原因包括以下3點(diǎn)：1）由于熱二次風(fēng)內(nèi)飛灰含量大，脫硝增壓風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致葉片磨損，使出力下降；2）噴氨格柵、熱解爐及管道存在不同程度的堵塞，使風(fēng)道減?。?）檢修期間脫硝電加熱器增加防磨套管，使風(fēng)道減小。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高、尿素溶液噴射量增加時(shí)，熱解風(fēng)量不足會(huì)影響尿素?zé)峤庑剩瑫r(shí)導(dǎo)致尿素?zé)峤獾闹虚g反應(yīng)發(fā)生，生成大量的中間產(chǎn)物，沉積在熱解爐內(nèi)和管道中。

3.3 電加熱器出力受限

2號(hào)爐脫硝電加熱器當(dāng)出力達(dá)到88%時(shí)，電加熱器本體出口3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)分別為680、650、650 ℃(電加熱器本體出口溫度大于700 ℃，三取二跳閘，此邏輯是為了防止脫硝電加熱器超溫跳閘)。由于電加熱器入口風(fēng)量過低，電加熱器產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)帶走，從而造成脫硝電加熱器本體出口溫度高。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高、尿素溶液流量增大時(shí)，風(fēng)量無(wú)法隨之提升，會(huì)導(dǎo)致熱解溫度下降，從而影響熱解效率，造成尿素結(jié)晶或中間產(chǎn)物大量生成。

3.4 熱解爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)有限

目前熱解爐內(nèi)只有3 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，就地分布在熱解爐中上部，水平相差120°，當(dāng)熱解爐內(nèi)空氣場(chǎng)分布不均時(shí)，無(wú)法及時(shí)體現(xiàn)，導(dǎo)致熱解爐內(nèi)較低的溫度區(qū)域無(wú)法監(jiān)視到。目前電廠運(yùn)行時(shí)要求熱解爐出口溫度不低于360 ℃，當(dāng)爐內(nèi)存在局部溫度過低時(shí)，尿素?zé)峤獾闹虚g反應(yīng)就會(huì)發(fā)生，中間產(chǎn)物也會(huì)隨之生成。

3.5 尿素溶液噴槍霧化效果差

尿素溶液噴槍流量增大時(shí)，霧化效果差。2號(hào)爐B、D噴槍流量測(cè)點(diǎn)故障，長(zhǎng)期無(wú)備件，不能監(jiān)視噴槍運(yùn)行情況。特別是進(jìn)入冬季，從尿素溶液制備到進(jìn)入熱解爐內(nèi)，管線長(zhǎng)，保溫效果差，加上霧化用壓縮空氣溫度較低，尿素溶液易結(jié)晶，導(dǎo)致噴槍堵塞，霧化效果進(jìn)一步降低，造成熱解效率下降，導(dǎo)致部分來(lái)不及分解的尿素及中間產(chǎn)物沉積加劇。

由于機(jī)組負(fù)荷隨自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)指令在不斷變化，特選取1、2號(hào)機(jī)相同負(fù)荷段穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的脫硝系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。可以看出，900 MW及以下負(fù)荷階段，在鍋爐氧量接近一致的條件下，2號(hào)爐脫硝反應(yīng)器入口煙氣NOx含量低于1號(hào)爐，2號(hào)爐尿素溶液用量低于1號(hào)爐。2號(hào)爐脫硝反應(yīng)器入口煙氣NOx含量低于1號(hào)爐的主要原因?yàn)椋?號(hào)爐調(diào)試期間對(duì)燃燒器及二次風(fēng)門進(jìn)行調(diào)整，空氣動(dòng)力場(chǎng)較好。目前1 號(hào)爐兩側(cè)汽溫的平衡，主要是靠運(yùn)行人員對(duì)燃盡風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了保證兩側(cè)汽溫接近，運(yùn)行時(shí)#1/2/3/4角燃盡風(fēng)門開度保持相對(duì)較小，從而導(dǎo)致燃燒過程中NOx的生成量增加。當(dāng)負(fù)荷為1 000 MW時(shí)，2號(hào)爐尿素溶液用量明顯大于1 號(hào)爐，原因?yàn)闄C(jī)組負(fù)荷過高，脫硝反應(yīng)過程氨的需求量增大，2 號(hào)爐脫硝熱解爐出力受限，熱解爐出口溫度低于360 ℃，同時(shí)熱風(fēng)量偏小，尿素不能完全分解，生成三聚氰酸、三聚氰胺等中間聚合物，生成NH3比例降低。生成的中間聚合物一部分隨熱解爐出口熱風(fēng)經(jīng)過噴氨格柵進(jìn)入爐膛，一部分沉積在熱解爐及熱解爐出口管道內(nèi)。為了保證凈煙氣中NOx含量不超過排放限值50 mg/m3，不得不增加尿素溶液噴射量，而增加尿素溶液噴射量又會(huì)導(dǎo)致尿素分解效率下降，產(chǎn)生沉積物，如此惡性循環(huán)。

表1 不同負(fù)荷下1&2號(hào)爐脫硝系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of SCR parameters of No.1&2 unit in different loads

4 解決措施

針對(duì)板集電廠尿素?zé)峤庵瓢毖b置存在的問題，提出以下解決措施和方案：

1）停爐期間對(duì)熱解爐內(nèi)部進(jìn)行檢查，及時(shí)清除內(nèi)部沉積物；對(duì)脫硝電加熱進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)電加熱管磨損時(shí)及時(shí)更換，使電加熱器滿足安全運(yùn)行及熱解爐出力的需要。

2）優(yōu)化燃燒調(diào)整、合理調(diào)整配風(fēng)，降低脫硝反應(yīng)器入口NOx的生成量，從而減少尿素溶液噴射量。

3）加強(qiáng)脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和調(diào)整，控制好尿素溶液噴射量和熱解爐出口溫度(原則上不低于360 ℃)，保持凈煙氣NOx質(zhì)量濃度在40 mg/m3以上。

4）加強(qiáng)對(duì)機(jī)組各參數(shù)的調(diào)整，尤其是在機(jī)組負(fù)荷變化及啟停磨煤機(jī)前，提前調(diào)整脫硝參數(shù)，保持各尿素噴槍出力平衡，增加尿素噴槍溶液流量時(shí)禁止大幅操作，避免尿素流量過大造成熱解爐內(nèi)局部溫度過低，導(dǎo)致尿素反應(yīng)不完全，使熱解爐內(nèi)結(jié)晶堵塞。

5）鑒于目前2 號(hào)爐脫硝熱解爐入口風(fēng)量過低，可適當(dāng)啟動(dòng)備用脫硝增壓風(fēng)機(jī)，保持2 臺(tái)風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行10 min 后停運(yùn)一臺(tái)風(fēng)機(jī)備用，以增加脫硝熱解爐入口風(fēng)量。

6）定期對(duì)脫硝增壓風(fēng)機(jī)葉輪及漏風(fēng)情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)葉輪磨損時(shí)及時(shí)更換，確保脫硝增壓風(fēng)機(jī)出力正常。

7）定期對(duì)熱解爐噴槍進(jìn)行檢查，及時(shí)清理內(nèi)部結(jié)晶，并進(jìn)行霧化試驗(yàn)，同時(shí)加強(qiáng)霧化用壓縮空氣壓力的監(jiān)視，對(duì)尿素溶液管道及噴槍等相關(guān)設(shè)備保溫、伴熱的檢查，防止尿素噴槍霧化效果變差。

8）對(duì)尿素噴槍進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，使其在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)尿素溶液噴射量。防止由于手動(dòng)操作噴槍調(diào)門造成尿素溶液噴射量過大，以及事故處理時(shí)減少操作量。

5 結(jié)論

自采用以上檢修手段以及運(yùn)行優(yōu)化措施以來(lái)，板集電廠再未發(fā)生過熱解爐嚴(yán)重堵塞的情況，并且明顯減少了尿素用量，節(jié)省了運(yùn)行成本。在凈煙氣NOx含量變化不大的條件下，機(jī)組負(fù)荷為1 000 MW 時(shí)尿素溶液噴射量由625 L/h 降低至560 L/h， 尿 素 單 耗 由0.45 g/(kW·h) 降 低 至0.40 g/(kW·h)，按照2臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量100億kW·h計(jì)算，年尿素總消耗量減少500 t左右，按照每噸尿素0.26 萬(wàn)元計(jì)算，年節(jié)省大宗物資費(fèi)用130萬(wàn)元。

雖然目前機(jī)組運(yùn)行狀況良好，但是風(fēng)險(xiǎn)還是一直存在。建議后期增加霧化空氣管道的伴熱保溫，避免冬季霧化空氣溫度過低導(dǎo)致尿素溶液結(jié)晶，使噴槍堵塞；將脫硝增壓風(fēng)機(jī)葉輪更換為大葉輪，增大風(fēng)機(jī)出力；增加熱解爐內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的布置，便于監(jiān)測(cè)熱解爐內(nèi)各區(qū)域的溫度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在均布溫度過低的情況；現(xiàn)脫硝熱解爐風(fēng)源為熱二次風(fēng)，由于熱二次風(fēng)飛灰含量大，不僅會(huì)造成脫硝增壓風(fēng)機(jī)葉片磨損和電加熱器磨損，而且也會(huì)增加尿素在熱解爐內(nèi)結(jié)晶和發(fā)生中間反應(yīng)的概率。建議調(diào)研同類型電廠，后期可以考慮將脫硝熱解爐風(fēng)源改為飛灰含量較低的熱一次風(fēng)。