黃 俊
(廣州珠江電力有限公司,廣東廣州 511400)
目前,國家對火電廠氮氧化物排放提出更嚴的要求,液氨、氨水和尿素是脫硝工藝中常用的還原劑。由于液氨工藝系統(tǒng)簡單,運輸、投資、運行成本較低,在目前的工程中已廣泛應(yīng)用,但存在的缺點是對系統(tǒng)的安全性要求較高。在國內(nèi),根據(jù)《重大危險源辨識》的規(guī)定,氨的使用量若超過40 t,就成為重大危險源。因此,某些特殊地區(qū)(如北京、廣州等)要求還原劑制備系統(tǒng)采用安全性要求較低的尿素工藝。某電廠在2013年初響應(yīng)國家號召,將原有的液氨系統(tǒng)改造為尿素制氨系統(tǒng),在初期遇到了一系列的問題,經(jīng)過研究優(yōu)化,切實提高了脫硝系統(tǒng)的可靠性。
尿素?zé)峤夤に嚵鞒倘鐖D1所示,袋裝的尿素經(jīng)人工拆包后經(jīng)下料斗進入尿素溶解罐配制成50%的尿素溶液,通過尿素輸送泵輸送到尿素儲罐儲存。再由尿素循環(huán)泵通過計量分配系統(tǒng)后噴入熱解爐內(nèi),與經(jīng)由電加熱器加熱后的熱一次風(fēng)混合熱解,生成NH3、H2O 和CO2。分解產(chǎn)物與熱一次風(fēng)混合均勻經(jīng)噴氨格柵噴入脫硝系統(tǒng)。
圖1 尿素?zé)峤庀到y(tǒng)流程圖
具體反應(yīng)方程式如下。
CO(NH2)2(尿素)→NH3+HNCO
HNCO(異氰酸)+H2O →NH3+CO2
尿素溶液配制系統(tǒng)設(shè)備簡單,但運行維護復(fù)雜。尿素基本采用袋式包裝,在設(shè)計時都會有自動拆包機的設(shè)備,但在運行中基本無法投入使用,大多采用人工拆包配制溶液。主要原因是由于尿素噴槍霧化的要求,噴槍的噴嘴口徑很小,因此對于溶液的雜質(zhì)細度要求很嚴,采用自動拆包機,通過刀片切割尿素編織袋,通過下漏口濾網(wǎng)將編織袋分離,在實際運行中,無論下料口濾網(wǎng)多細都無法避免大量碎屑進入溶液中。其中的雜質(zhì)除了包裝袋的碎屑外,還有尿素產(chǎn)品中含有的不溶物。因此在設(shè)計時無須設(shè)計自動拆包機,可采用人工拆包,若當?shù)赜心蛩毓捃囘\送更好。
尿素循環(huán)泵系統(tǒng)的正常運行是保證脫硝安全運行的關(guān)鍵因素,當其出現(xiàn)故障,脫硝率馬上維持不了,因此對尿素循環(huán)泵系統(tǒng)的維護非常重要。
1.3.1 電源優(yōu)化
設(shè)計中采用尿素MCC 電源對尿素制備區(qū)所有設(shè)備進行供電,沒有考慮尿素循環(huán)泵的保安電源。為此,某電廠將備用的尿素循環(huán)泵電源移出尿素MCC 系統(tǒng),將其掛到除塵段,避免了系統(tǒng)失電導(dǎo)致尿素循環(huán)泵全停、脫硝系統(tǒng)退出風(fēng)險。
1.3.2 連鎖邏輯優(yōu)化
中國調(diào)味品企業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級和技術(shù)創(chuàng)新上不斷發(fā)力,在包裝、品牌宣傳、產(chǎn)品創(chuàng)新方面都有了很大提升,推動了中國調(diào)味品行業(yè)品牌集中度和產(chǎn)業(yè)集中度不斷上升。目前在各個分支產(chǎn)業(yè)都涌現(xiàn)出家喻戶曉的品牌,如醬油產(chǎn)業(yè)的海天、加加、美味鮮、李錦記,食醋產(chǎn)業(yè)的鎮(zhèn)江香醋、山西老陳醋、福建永春、四川保寧醋,復(fù)合調(diào)味料產(chǎn)業(yè)的太太樂、家樂、佳隆,調(diào)味醬產(chǎn)業(yè)的李錦記、老干媽,火鍋調(diào)味料產(chǎn)業(yè)的周君記、天味等。除了大型品牌的強勁發(fā)展,各地區(qū)域性的中小企業(yè)也競相成長,并在不少地區(qū)形成了產(chǎn)業(yè)集群。
設(shè)計中對尿素循環(huán)泵的保護采用的是跳閘連鎖啟備用。在運行過程中,經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)尿素循環(huán)泵濾網(wǎng)堵導(dǎo)致泵出力降低,而此種情況下,備用泵不會啟動,因此脫硝率會急劇下降。針對這一隱患,電廠采用壓力來連鎖啟動備用泵,保證脫硝系統(tǒng)的安全運行。
1.3.3 尿素濾網(wǎng)優(yōu)化
尿素溶液的堵塞是尿素系統(tǒng)的主要問題,由于尿素?zé)峤庀到y(tǒng)對噴槍的霧化要求,噴槍噴嘴的口徑很小,因此要求尿素溶液中的顆粒物直徑也必須很小。設(shè)計中,在尿素輸送泵以及尿素循環(huán)泵的入口都安裝有濾網(wǎng),但由于設(shè)計中的濾網(wǎng)過濾面積小,導(dǎo)致在運行中頻繁堵塞,兩天需清洗一次濾網(wǎng),從而導(dǎo)致尿素循環(huán)泵跳閘,影響脫硝系統(tǒng)的運行。某電廠通過分析,在原濾網(wǎng)過濾孔徑不變的前提下,過濾面積增大,很好地解決了濾網(wǎng)堵塞的頻率,現(xiàn)在尿素輸送泵前濾網(wǎng)每天清理一次、尿素循環(huán)泵前的濾網(wǎng)每月清理一次即可,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
某電廠#1、#2爐熱一次風(fēng)是從鍋爐空預(yù)器出口熱一次風(fēng)管上部引出,而#3、#4爐熱一次風(fēng)是從鍋爐空預(yù)器出口熱一次風(fēng)管下部引出,運行中#3、#4爐排灰量明顯比#1、#2爐大很多。設(shè)計中在彎頭設(shè)置的排灰管是對空采用袋子排灰,人力以及對環(huán)境污染大,電廠在機組檢修期間對排灰管道進行了優(yōu)化,將排灰管道直接接入鍋爐尾部煙道,利用鍋爐煙道內(nèi)的負壓,增加排灰的動力,并在排灰管道中增加壓縮空氣反吹接口,在排灰管道堵塞時,可以通過反吹進行疏通。
在大小修檢查中發(fā)現(xiàn)電加熱器磨損嚴重,積灰量大。由于熱一次風(fēng)流量大,含有灰塵,在電加熱器迎風(fēng)處的加熱管管壁明顯被吹薄,加熱器拆出時積滿了灰。針對此現(xiàn)象,采用加熱管套膜防磨損和旋轉(zhuǎn)140°回裝,并在加熱器底部加裝排灰管道進行定期排灰。從運行上看,熱一次風(fēng)的灰與尿素結(jié)晶共同形成的物質(zhì)堵管是脫硝系統(tǒng)的重要問題,因此對熱一次風(fēng)的灰量控制尤為重要。
由于尿素溶液在低于26℃時容易結(jié)晶,其主要結(jié)晶部位如下。
(1)尿素循環(huán)管道內(nèi)部結(jié)晶。由于這部分溫度比較容易控制,并且尿素溶液在不間斷循環(huán),此部位結(jié)晶堵塞的可能性不大。
(2)熱解爐噴槍結(jié)晶。某電廠采用2組6根噴槍,一用一備,在運行中發(fā)現(xiàn),噴槍堵塞的可能性不大,對于備用噴槍來說,若尿素噴槍調(diào)門前電動門隔絕不嚴,有尿素溶液滲入極易造成噴槍堵塞。因此某電廠采用的是每周定期切換一次,保證噴槍有效備用。在停機時及時將噴槍電動門前手動門關(guān)閉,防止?jié)B漏,同時在停機退出噴槍時保證沖洗過程中熱一次風(fēng)繼續(xù)通風(fēng)10 min,保證整個系統(tǒng)干燥。
(3)熱解爐內(nèi)部結(jié)晶。此類結(jié)晶主要發(fā)生在熱解爐尾部和噴氨混合器處,結(jié)晶原因分析較為復(fù)雜。主要為尿素噴槍霧化效果不佳或熱解爐內(nèi)部溫度低。噴槍流量大霧化空氣壓力不夠是造成噴槍霧化效果不佳的主要原因。這會導(dǎo)致尿素溶液不能充分熱解為氨氣,在熱解爐底部集聚并結(jié)晶。由于某電廠單只噴槍流量基本控制在0.14 m3/h 以下,不太會出現(xiàn)霧化效果不佳的現(xiàn)象。熱解爐溫度低,熱解爐在局部低溫(低于280℃)情況下,含有熱解反應(yīng)產(chǎn)物的氣體在溫度較低的管壁及閥體上結(jié)晶,在運行時保證熱解爐出口溫度在320℃以上。只是在噴槍沖洗時,雖然能保證出口溫度,但沖洗水的冷激作用可能會導(dǎo)致熱解爐某些區(qū)域溫度急劇下降產(chǎn)生尿素結(jié)晶。此種原因可能是熱解爐內(nèi)部結(jié)晶最容易忽視的地方。同時在噴氨混合器的尾部和一些死角在這次檢修中仍發(fā)現(xiàn)有大量結(jié)晶,因此在管道處設(shè)置清灰孔,在每次檢修期間進行檢查尤為必要。
尿素?zé)峤庵瓢泵撓跽麄€噴氨系統(tǒng)中含有大量的灰,容易沉積在噴氨母管中,因此在機組運行一段時間后,噴氨流場會發(fā)生變化,造成系統(tǒng)噴氨不均勻,從而脫硝氨逃逸升高,形成硫酸氫氨堵塞空預(yù)器,影響機組的安全運行。因此在日常管理中對噴氨流場的優(yōu)化尤為重要,要求在機組大小修后,整個噴氨系統(tǒng)清灰完成,投運需進行一次噴氨優(yōu)化調(diào)整,投運半年后進行一次噴氨優(yōu)化調(diào)整,后面每年進行一次噴氨優(yōu)化調(diào)整,可以保證噴氨流場的均勻性。
尿素?zé)峤庵瓢辈捎秒娂訜崞鲗嵋淮物L(fēng)穩(wěn)定加熱到500℃以保證尿素?zé)峤獬浞?,所以電加熱器的運行穩(wěn)定性直接關(guān)系到脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定。電加熱器常見故障有溫控器故障,電加熱器溫度控制采用的是一個出口溫度表控制4路可控柜,如果主溫控表損壞,4路可控柜均無法工作,導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)被迫停運。某廠將原來的1臺控制柜換成2臺,每臺柜控制兩個回路,每個回路采用獨立的溫控表控制及超溫聯(lián)鎖。每個回路配置1個多功能數(shù)顯電量表,帶一路電流變送4~20 mA 信號去DCS,DCS 提供4 路4~20 mA 溫度設(shè)定信號,分別接入4個出口溫度控制表,實現(xiàn)一對一控制。這樣出現(xiàn)一組溫控器損壞時其他組可以正常運行,增加了電加熱器的可靠性。
在尿素?zé)峤庵瓢泵撓踔?,自動調(diào)整主要有理論氨需量、補償后氨需量,以及實際氨需量。理論按需量計算公式:理論尿素溶液需量=5×(機組負荷÷320)×(入口NOx濃度×17÷46)×(脫硝效率設(shè)定值/100+氨逃逸×2.05/入口NOx濃度)×3.095975
可以看出,理論尿素溶液需量主要跟機組負荷(目標負荷)、入口NOx濃度、脫硝效率設(shè)定值、尿素溶液的濃度相關(guān),而補償后氨需量主要是在理論尿素溶液需量的基礎(chǔ)上增加了當前負荷與目標負荷的偏差值、當前效率與設(shè)定效率的偏差值作為調(diào)整前饋。其控制原理如圖2所示,在實際運行中,鍋爐燃燒的工況變化會直接影響脫硝效率的控制,而根據(jù)噴氨量干預(yù)反映到效率變化上需要7 min 左右的時間,在自動控制中采用PID 的調(diào)整并不能滿足工況變化時脫硝自動控制的要求。
圖2 尿素噴氨原自動控制原理圖
(1)原自動控制中采用了脫硝效率作為控制目標,而在實際運行過程中,運行人員是以出口NOx作為調(diào)整目標的。當入口NOx波動時,并不能及時增加噴氨量控制出口NOx排放。比如NOx濃度為240 mg/m3時,脫硝效率設(shè)定值為80%,出口NOx排放濃度為48 mg/m3,而當入口濃度波動到300 mg/m3時,脫硝效率設(shè)定值80%不變,按脫硝自動控制的邏輯原理,出口的NOx排放濃度將上升到60 mg/m3,超過排放標準。按脫硝效率的計算公式:反應(yīng)器出口NOx濃度=[(100-脫硝效率)/100]×反應(yīng)器入口NOx濃度,某電廠將控制策略由脫硝效率改為了出口NOx濃度。
(2)根據(jù)運行的實際情況,脫硝自動控制由于出口的參數(shù)具有嚴重的滯后性,因此傳統(tǒng)PID 調(diào)整在實際運行中脫硝出口NOx濃度波動很大,容易超標,現(xiàn)在很多研究都依托外掛采用人工智能算法預(yù)測的方式控制,但成本較高,維護困難。根據(jù)日常運行的參數(shù)分析及試驗,某電廠取消了脫硝的PID 調(diào)整,考慮了入口NOx濃度和機組負荷這兩個影響較大的參數(shù),對補充氨需量邏輯進行優(yōu)化。引入機組AGC 目標負荷參數(shù),采用入口NOx濃度和機組負荷變化速率,在理論氨需量的基礎(chǔ)上增加一個5 min 的脈沖或者減少一定的按需量得到補償按需量,可以在工況變化時自動快速調(diào)整按需量,而工況穩(wěn)定后脈沖信號也消失,恢復(fù)正常的氨需量,確保出口NOx濃度較為穩(wěn)定。脈沖信號的時間和補償?shù)陌毙枇扛鶕?jù)日常的參數(shù)及試驗決定。
隨著對安全要求的日益嚴格,尿素?zé)峤夥ㄖ瓢痹陔姀S脫硝的應(yīng)用逐漸興起,可以預(yù)見,未來在大城市中,尿素制氨法將是電廠脫硝的主流。隨著尿素制氨法的發(fā)展,運行經(jīng)驗的不斷豐富,以及尿素產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,未來散裝罐車尿素的運輸將會實現(xiàn),從而使尿素溶液的配制和尿素的儲存更加方便。同時有很多的電廠將霧化空氣改為儀用壓縮空氣,這樣無論從壓力還是品質(zhì)上對霧化效果有了很高的保證。華能玉環(huán)電廠還將噴槍沖洗水改造,采用煙道外壁面自然散熱的熱量加熱沖洗水防止因冷激產(chǎn)生尿素結(jié)晶。通過各種的優(yōu)化,尿素制氨法日益成熟且安全運行,必將得到越來越廣泛的運用。