燃氣電廠脫硝系統尿素結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

某電廠燃氣機組投產后,脫硝系統頻繁發生尿素結晶導致管道堵塞的問題。運行期間多次出現高溫風機流量降低、風壓升高的情況,嚴重時脫硝系統投運1周內,風量從1 200 Nm3/h降至500 Nm3/h,以至于系統不得不停運,嚴重影響機組環保設備投運和環保指標達標。本文針對以上問題,通過現場解體檢查、綜合分析,對脫硝系統進行了優化改造,解決了脫硝系統頻繁發生尿素結晶堵塞的問題,提高了設備的可靠性、安全性。

1 設備情況

該電廠2臺453 MW 燃氣機組,配套脫硝系統采用選擇性催化還原脫硝工藝,脫硝系統由尿素區系統和反應區系統兩部分組成。系統工作流程為:尿素區系統將尿素攪拌溶解制備成尿素溶液,尿素溶液通過噴槍_霧化,在熱解爐中與高溫煙氣混合熱解生成氨氣;氨氣經分配管道由氨注射格柵(AIG)注入脫硝系統入口煙道中。反應區系統流程如圖1所示。

圖1 反應區系統流程示意

2 尿素結晶原因分析

2.1 風機出力不足或尿素過量噴入

高溫風機出力不足或尿素溶液噴射量過大[1],高溫煙氣風量不能滿足尿素熱分解所需的熱量。高溫風機設計參數為風量Q=1 150 Nm3/h,風壓P=8 000 Pa。實際運行風量為1 000～1 200 Nm3/h,滿足設計要求,排除風機出力不足的問題,考慮可能為尿素溶液噴射量過大[2]。

脫硝系統投運初期,共5次試投尿素,分析5次投運參數,發現第4次投運時(參數見表1),機組帶初始負荷,高溫風機啟動,尿素溶液流量為0 L/h時,熱解爐進出口溫差過大,表明噴槍流量調節管路關閉時仍然有尿素溶液經旁路進入噴槍和熱解爐,造成過大溫降。此外,氨注射格柵母管溫度遠低于熱解爐出口溫度,表明霧化壓縮空氣關閉時尿素溶液非正常噴入,無法正常霧化熱解,從而導致堵塞加劇。

表1 第4次投運脫硝系統運行參數表

現場檢查發現,計量分配模塊管路安裝與圖紙不符,對比如圖2所示。原始設計為,尿素調節閥7、流量計(FT)位于噴槍支路,可有效控制噴槍尿素溶液流量;現場實際情況為,尿素調節閥7、流量計(FT)位于主管路,調節的是主管路尿素溶液流量,無法單獨調節噴槍尿素溶液流量,流量計顯示的流量并非噴槍實際流量。此外,在尿素調節閥7關閉時,這種安裝方式會導致尿素溶液回液管路液體反流至噴槍及熱解爐,由于尿素供料系統循環時,2臺鍋爐為并聯循環,且無法隔離,尿素溶液回液管路會通過另一臺鍋爐管道傳導帶壓。尿素調節閥調節線性不好[3],且閥門口徑過大,也加劇了投運初期尿素噴入量過大的問題。第5次投運脫硝系統運行參數曲線如圖3所示,高溫風機出口母管溫度基本不變,但風壓逐漸上漲,風量逐漸降低,表明管道堵塞進一步加劇。

圖2 稀釋計量模塊原始設計與現場實際對比

圖3 第5次投運脫硝系統運行參數曲線

第5次投運結束后,對脫硝系統解體檢查,發現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,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晶物。經分析及廠家證實,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晶物為尿素熱解不完全產生的三聚氰酸、三聚氰胺和縮二脲等中間聚合物及沉積形成的結晶[4-5]。

2.2 煙溫非正常冷卻

根據第1次投運脫硝系統運行參數,發現高溫風機進出口溫差較大,煙氣經過高溫風機后非正常冷卻,運行參數見表2。在風機風箱與軸承座之間設有水冷銅套?，F場檢查發現水套漏水,打開風箱底部放水閥,有較多水流出,分析為水套漏水導致風箱進水。高溫風機冷卻水套原設計為對開式內部通道直連循環,上、下水套水冷腔室由高溫膠粘接。

表2 第1次投運脫硝系統運行參數表

2.3 熱解爐內尿素熱解不完全

受限于熱解爐內高溫煙氣流場,高溫煙氣與尿素液滴混合不均勻或尿素液滴在熱解爐內停留時間過短[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。經廠家證實,尿素熱解反應器熱分解距離約7 m,滿足工程需求,同類型項目有長期運行驗證經驗;將尿素噴槍取出,經現場霧化試驗,噴槍霧化效果良好。

2.4 噴氨支管配風不均

噴氨支管過多,且每根支管配有蝶閥,造成配風不均、阻力較大。此外,遠端支管行程阻力大,風量小,熱損失大,易造成局部低溫而結晶。機組冷態下,啟動高溫風機,通過支管差壓計測量及格柵噴氣小孔宏觀檢查,確實存在風量、風壓不均的問題。

2.5 設備保溫效果不佳

熱解爐或噴氨支管保溫效果不佳,造成局部散熱損失較大?，F場發現局部保溫層變色,存在部分保溫棉安裝不牢固的問題。

2.6 小結

綜上,推斷尿素結晶的主要原因為計量模塊安裝與圖紙不符,系統停運時,尿素溶液非正常噴入,導致熱解爐底部積存大量尿素溶液;系統投運時,因尿素調節閥、流量計位于主管路,無法單獨調節噴槍尿素溶液流量,流量計流量與噴槍實際流量不符,造成尿素噴入量過大。熱解爐底部積存尿素溶液以及初始尿素噴入量過大,加劇了尿素不完全分解,形成熱解爐底部大量結晶和白色粉末。

此外,風機風箱進水、局部保溫過薄,造成系統較大溫降,噴氨支管風量、風壓不均勻,引起遠端支管和噴氨格柵小孔堵塞,隨著尿素結晶加劇,逐步造成系統風量降低、風壓升高,以至于系統無法投運。

3 設備改造方案

3.1 計量分配模塊改造

改造計量分配模塊管路,更換尿素調節閥。改造后,尿素溶液可正常噴入熱解爐,調節閥調節精度提高,配合手動閥限流,尿素溶液流量調節范圍可維持在10～70 L/h(設計流量為55 L/h),與實際需求更為匹配。

3.2 高溫風機冷卻水套改造

由內部通道直連式改為內外結合式,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造成泄漏的問題。冷卻水套結構改造前后對比如圖4所示。

圖4 冷卻水套改造前后對比

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、清理格柵內部雜質,方便快速恢復,減少現場切割、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,運行中發生積水、堵塞時,可打開閥門放掉積水保證系統暢通,如有結晶可通過敲打、疏通等方式將其排出。

3.5 尿素供料循環系統改造

尿素供料循環系統加裝隔斷閥、放水閥,優化2臺鍋爐尿素管道的并聯方式。因2臺鍋爐脫硝系統共用尿素間尿素母管,各支管處未設隔斷閥,即使單臺爐運行,2臺鍋爐尿素管道也必須同時循環投運。在各支管處加裝隔離閥、放水閥后,降低另一臺爐尿素溶液循環對本鍋爐的影響,同時降低單機組運行條件下,對尿素管道的腐蝕。

3.6 系統保溫重新敷設

對熱解爐及噴氨支管保溫重新敷設,保溫棉按要求搭接、壓實,確保保溫效果達標。

3.7 結合風量試驗徹底疏通管道

對AIG 各噴管流量分析檢測,如表3 所示,徹底查找堵塞管道。停備期對其進行徹底清理。AIG 管路堵塞清理后,驗證各噴管AIG 流量,確保AIG 噴管通暢。同時根據風量對AIG 各噴管進行風量調節,保證風量基本平衡。

表3 AIG各噴管流量分配實測數據表

熱解系統投入尿素時,定期測量各噴管差壓,存在嚴重堵塞的噴管,應及時停止噴射尿素,必要時停機檢修。注意定期檢查噴槍霧化,確保噴槍正常工作。

4 運行防范措施

4.1 控制尿素噴入量

為防止尿素結晶,要保證尿素噴入量符合設計要求,防止過量噴入,檢查現場系統是否與設計相符,檢查現場尿素是否存在非正常噴入,如系統安裝與設計不符、閥門內漏等,尤其是機組停運后,要保證尿素溶液可靠關閉。

4.2 控制熱解過程

在熱解過程中,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。檢查系統各煙道區段溫降是否正常,若溫降過大,要檢查保溫是否符合要求,是否存在其他問題引起溫降,比如高溫風機水套漏水。定期檢查噴槍霧化,確保噴槍正常工作。熱解系統投入尿素時,定期測量各噴管差壓,存在嚴重堵塞的噴管,應及時停止噴射尿素,必要時停機檢修。檢修期對各噴氨支管進行風量平衡試驗,確保各噴氨支管風量基本均衡。

4.3 優化運行操作

此外,脫硝系統正常投入和退出時,要確保運行操作流程規范。系統投入時,高溫風機啟動后熱解爐溫度達到350 ℃時才可逐漸噴入尿素,否則易造成溫度過低,尿素熱解不完全。系統退出時,要進行噴槍管路沖洗,防止噴槍內尿素結晶,沖洗完畢一段時間后,方可停運高溫風機。

5 改造效果

通過以上優化改造,脫硝系統實現正常投運,尿素溶液正常噴入,系統風壓、風量、溫度基本穩定,各運行參數正常,脫硝效果良好。

機組停備后,現場檢查發現:噴氨格柵未見明顯堵塞,熱解爐依然存在較多尿素結晶,但較之前已經明顯減少,噴槍入口冷卻壓縮空氣對側檢查孔存在較多尿素結晶;觀察孔下部內壁,存在尿素結晶,呈環形分布,其余內壁較為光潔;熱解爐底部存在大量尿素結晶板結物。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晶。目前已關閉冷卻用壓縮空氣,運行期間禁止打開。此外,在運行過程中,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]。

通過現場分析、優化改造,逐步解決了脫硝系統頻繁尿素結晶堵塞的問題。機組2021年6月至8月調峰啟動,脫硝系統各運行參數正常,脫硝效果良好。再次停備后,現場解體檢查,熱解爐未發現尿素明顯結晶現象。截至2022年3月,未再次發生因尿素結晶管道堵塞導致系統停運問題。

6 結束語

機組投產后,脫硝系統頻繁發生尿素結晶導致管道堵塞的問題,脫硝系統不能投運,嚴重影響機組環保達標。通過現場解體檢查、綜合分析,對脫硝系統進行稀釋計量模塊改造、高溫風機冷卻水套改造、噴氨格柵加裝活動堵頭、熱解爐底部加裝疏水系統、優化尿素管道連接方式、進行風量調整試驗、熱解爐內霧化流場分析優化等,通過綜合性優化改造,解決了脫硝系統頻繁發生尿素結晶堵塞的問題,提高了設備的可靠性、安全性。