尿素熱解爐結晶堵塞原因分析

王珍

【摘 要】SCR尿素熱解脫硝法由于其原料的安全性、經濟性，在火電廠脫硝系統中得到廣泛應用。但在實際運行中，尿素熱解系統容易結晶，尤其是熱解爐出口及其出口管道部位，導致脫硝系統無法正常運行，嚴重威脅氮氧化物穩定達標排放，現結合某公司14號爐尿素熱解系統結晶情況，分析SCR尿素熱解系統結晶原因，并探討對應處理方案，希望對SCR尿素熱解脫硝系統可靠運行提供幫助。

【關鍵詞】尿素熱解;結晶;脫硝

1.設備概況

某公司2×165MW機組采用兩爐一機的運行方式，共有鍋爐四臺，編號11—14。鍋爐為單汽鼓，膜式水冷壁、超高壓，自然循環立式水管鍋爐，固態排渣，布置型式為“п”型，全鋼架、懸吊結構。2012年對進行了低氮燃燒器改造，爐膛出口NOx濃度設計值為350mg/Nm3，2014年進行了SNCR改造，還原劑使用20%的氨水，爐膛出口NOx濃度設計值為180mg/Nm3。2017-2019年先后進行SCR脫硝改造，采用尿素熱解制氨脫硝法，脫硝系統出口NOx濃度設計值為40mg/Nm3。

2.尿素熱熱解脫硝技術原理

尿素的分子式為CO（NH2）2，亦稱脲，分子量60.06，無色或白色針狀或棒狀結晶體，工業或農業品為白色略帶微紅色固體顆粒，無臭無味，密度 1.335g/cm3，熔點132.7℃，溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微堿性，可與酸作用生成鹽，對熱不穩定。尿素熱解反應過程是將40%-50%濃度的尿素溶液通過霧化噴射器噴入熱解爐，在溫度為 350 ～ 650℃的熱煙氣條件下，加熱分解生成 NH3和 CO2。尿素熱解的化學反應式為：

CO（NH2）2= NH3+ HNCO（1）

HNCO + H2O = NH3+ CO2（2）

尿素溶液熱解制氨的溫度約在500℃～650℃，進入熱解爐的常溫尿素溶液需要吸收一部分熱量，工藝上通常將熱解風作為尿素熱解過程中熱量的來源。該公司為了節約能源、降低系統的運行費用，采用高溫稀釋風機，從鍋爐尾部的高溫段空氣預熱器出口引出一部分熱二次風（熱風溫度在280℃～320℃），通過電加熱器將其溫度再次提升到熱解所需的溫度（500℃～650℃）后，送入熱解爐內。計量后的尿素溶液和霧化壓縮空氣通過噴槍噴入到熱解合適溫度段內，霧滴受熱汽化并發生熱解。

3.脫硝系統結晶現象情況

某公司13-14號爐尿素熱解脫硝系統自2017年先后投運，共用一套尿素溶液制備系統。在2019年5月6日檢查14號爐脫硝系統時，打開噴氨母管后，發現噴氨母管內靠近末端近三分之一的管段有結晶堵塞情況，且在靠近母管末端部位共計9臺蝶閥閥芯也出現結晶堵塞。恢復運行后，于5月20日停爐檢查14號爐噴氨母管時，發現其內部又有少量結晶。

4.可能導致結晶的原因分析及措施建議

4.1 噴氨母管內形成冷點，導致結晶

14號爐噴氨母管位于熱解爐出口至噴氨格柵之間，外敷保溫層，熱解后的混合氣體從熱解爐出口流至噴氨母管內，氣體從噴氨母管左側流入，充滿噴氨母管后，通過噴氨母管上部蝶閥流至噴嘴處。由于11-14號爐從西到東依次并排布置，11、14號爐單側毗鄰廠房邊界，13號爐位于12、14號鍋爐中間，鍋爐運行中，13號爐左右兩側溫度均勻;而由于14號爐左臨13號爐，右側為廠房外墻，噴氨母管左右側存在一定溫差，導致噴氨母管右側散熱損失大于左側，母管內部絕熱環境被破壞，存在冷點，最終導致結晶。

建議措施;檢查噴氨母管保溫，確保保溫良好;結合現場實際，考慮為噴氨母管加裝電加熱設備，通過提高溫度減少結晶形成。

4.2 熱解反應不充分，導致結晶

14號爐熱解爐內部結晶并不明顯，但是噴氨母管結晶嚴重，間接說明熱解后的混合氣體中存在未熱解尿素含量較多，導致未熱解尿素含量較多的原因大致有以下幾條：1、稀釋熱風流速過快，或形成渦流，導致熱風與尿素溶液接觸時間過短，尿素溶液在熱解爐內反應時間不夠，造成熱解過程不夠充分，使得未反應完全的尿素有可能在噴氨母管內行成結晶。2、噴氨量過大。噴入熱解爐內的尿素量較大，導致尿素反應不完全，過量尿素在噴氨母管內結晶沉積，堵塞母管，降低SCR反應器內的噴氨量，為保障出口NOx濃度不超標，運行一般將加大尿素噴入量，加速尿素結晶。

措施建議;適當加大稀釋熱風的溫度，以提高尿素的熱解程度，從而降低熱解爐出口氣體中尿素的含量，間接降低結晶堵塞現象。優化稀釋熱風調整，找到稀釋風量和噴氨量之間的最優配比，提高尿素溶液熱解反應程度，降低熱解爐出口尿素含量，從而降低結晶量。

4.3 熱解爐內雜質較多，影響熱解效率

熱解爐內雜質較多，雜質顆粒與尿素粘結成團，減少尿素受熱面積;粘結成團的顆粒有可能堵塞噴嘴，造成噴嘴霧化程度差，噴槍的霧化效果的好壞對整個系統的影響非常大，直接影響尿素熱解效率，導致結晶的形成。

熱解爐內雜質主要有：

1）尿素溶液帶雜質。一般設計要求尿素的制備水及計量模塊的沖洗水為除鹽水，除鹽水的水質比較好。但當水質比較差時，水中礦物質和離子都比較高，水中的雜質比較多，在和尿素溶液結合的噴嘴部位形成沉積物，導致噴槍的噴嘴小孔部分堵塞，這樣噴到熱解爐中的尿素溶液就會形成水柱狀而不是霧狀，水柱狀被汽化的效果就沒有霧狀好，部分流到加熱爐底部或底部管道拐彎處，和稀釋風中的雜質結塊，容易造成結晶。

2）霧化用壓縮空氣帶雜質。當壓縮空氣中塵、油、雜質等含量較高時，長時間運行容易堵塞浮子流量計，其堵塞后流量低不報警，尿素溶液得不到霧化，直接噴入熱解爐，影響熱解效果，容易造成結晶

措施建議：1、針對尿素溶液中的雜質：建議加強尿素原料采購管理，采購的尿素符合純度要求。定期對尿素的溶解水和噴槍沖洗水進行水質化驗，定期對水管道上的濾網進行清理，確保水質合格。尿素溶液儲藏罐定期檢查，符合設計要求。尿素溶液濾網定期檢查更換，濾網不得有破損現象，或加設目數更細的濾網，提高尿素溶液品質。在尿素的制備過程中，加強監護及工作責任心，防止因人為原因造成的對系統的堵塞。

2、針對霧化用壓縮空氣帶雜質：定期對計量模塊提供壓縮空氣的氣源或空壓機進行檢查，避免由于空壓機出現故障導致壓縮空氣中油、水含量較高，進而影響霧化效果。定期對系統的各個濾網進行檢查及清理，不能隨意更換與設計不符的濾網。

5.結束語

在系統運行過程中，加強監盤和維護，尿素結晶是可以有效的防止和控制的，一旦管道或熱解爐結晶，從運行參數上是很容易判斷出來的，及時發現、分析并解決問題，可以對系統的影響減少到最低。我們要在系統運行及維護中要善于總結經驗與教訓，不斷學習與探索，將SCR尿素法脫硝運行與維護水平，提升到更深、更高的層次。

參考文獻：

[1].《尿素溶液熱解制取氨氣特性研究》，曹圓媛、仲兆平、張波、劉志超、丁寬、彭代軍、周燁、宋紅兵，環境工程

[2].《SCR尿素熱解法脫硝在運行與維護過程中防止結晶的探討》，王惠慧，科技資訊

[3].《SCR脫硝系統熱解爐內結晶脫落堵塞處理措施》，王登香，電力安全技術

[4].《火力發電廠 SCR 脫硝尿素熱解系統結晶綜合治理研究》，王朝軍，華電技術 第40卷第12期

[5].《燃煤電站尿素熱解SCR脫硝優化系統》，和圣杰、徐鋼、鄭清清、薛小軍、韓宇，鍋爐技術，第49 卷第4期

[6].《脫硝熱解爐結晶的處理方法和預防措施》，楊明印、馮仁海，發電技術，第39卷第3期

（作者單位：蘭州西固熱電有限責任公司）