尿素熱解制氨工藝在1000MW燃煤電廠的應用與優化

喻小偉，匡萃杰

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2.中煤新集利辛發電有限公司，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用的煙氣脫硝技術之一，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化學品，尿素則為白色或淺黃色的結晶體，易溶于水，水溶液呈中性反應。與氨水及液氨相比，尿素是無毒、無害的化學品，是農業常用的肥料，無爆炸可能性，完全沒有危險性。尿素在運輸、儲存中無需安全及危險性的考量，更不須任何的緊急程序來確保安全[3]。尿素作為還原劑在燃煤電廠脫硝工程中應用廣泛[4]，尤其是在選擇性非催化還原(selective non catalytic reduction，SNCR)脫硝系統中，與液氨和氨水相比有著系統簡單、安全系數高、運行成本低廉的優勢[5-6]。尿素溶液被噴入高溫爐膛反應，分解完全，在管道和煙道中結晶少，不容易形成堵塞，有利于系統精確控制。然而在SCR脫硝系統中，還原劑多使用液氨，而較少使用尿素，這是因為液氨直接蒸發可形成氨氣，而尿素必須經過熱解或水解工藝才能制成氨氣。相比于尿素水解工藝，尿素熱解制氨工藝由于系統簡單、投資成本低、運行穩定、響應速度快、維護量小等優勢，越來越多地被電廠采用[7-11]。

國投新集電力利辛板集發電廠(下文簡稱“板集電廠”)一期建設2 臺1 000 MW 超超臨界燃煤機組，同步建設SCR煙氣脫硝工程，還原劑方案選用尿素熱解制氨工藝，每臺機組配置一套獨立的尿素熱解制氨裝置。本文分析了板集電廠尿素熱解裝置在運行過程中出現的沉積物堵塞現象，探討了堵塞出現的原因，并提出了相應的解決措施及方案，可為國內外其他配置尿素熱解工藝的電廠提供借鑒。

1 尿素熱解技術原理

尿素的熱解反應過程極為復雜，包括眾多的中間反應和副反應，同時也會生產眾多的中間反應產物和副反應產物[12-13]，當反應溫度低于360 ℃時，這些中間反應產物和副反應產物會大量生成，不利于尿素的完全分解。當反應溫度高于360 ℃時，尿素的分解反應以下列反應為主：

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

2 尿素熱解工藝

板集電廠尿素熱解工藝如圖1 所示。尿素顆粒通過斗提機提升到溶解罐中，用除鹽水將干尿素溶解成50%質量分數的尿素溶液，由于尿素溶解過程是吸熱反應，為避免溫度過低導致尿素溶液結晶，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罐，2個尿素溶液儲罐供2臺機組的尿素熱解裝置使用，互為備用。為避免結晶，同樣使用輔助蒸汽對尿素溶液儲罐加熱，維持35 ℃以上的溫度。使用尿素溶液循環泵為熱解爐供應尿素溶液，通過計量分配裝置控制尿素溶液供應流量。用壓縮空氣霧化尿素溶液后噴入熱解爐，在熱解爐內發生熱解反應。熱解爐的熱源采用空預器后熱二次風抽氣，經增壓風機加壓，通過兩級電加熱器加熱至600 ℃后送入熱解爐內。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受熱分解，生成SCR 脫硝系統反應所需的還原劑(氨)，與稀釋空氣混合成氨質量分數小于5%的氨/空氣混合物，經由氨噴射系統進入SCR反應器參與脫硝反應。

圖1 板集電廠尿素熱解工藝示意圖Fig.1 Diagram of urea pyrolysis technology in Banji power plant

3 運行中的問題及分析

3.1 沉積物堵塞

板集電廠1號機組于2016年8月投產，2號機組于2016 年10 月投產。2017 年5 月，1 號鍋爐檢修，對熱解爐內檢查時發現爐內堵塞嚴重，內壁掛滿結晶體，僅剩1/3 通道可以流通，如圖2 所示。檢修時對熱解爐內、出口管道、噴氨格柵入口左右側聯箱進行了全部清理。2017年6月，2號鍋爐運行時解爐內壓力緩慢上漲至5.5 kPa，后期檢修對熱解爐內檢查時發現爐內堵塞嚴重，與1號熱解爐類似，而后對熱解爐內、出口管道、噴氨格柵入口左右側聯箱進行了全部清理。尿素熱解爐在運行過程中因形成沉積物而被堵塞，已經成為尿素熱解工藝的一個比較共性的問題，國內多家配置尿素熱解工藝的電廠均已出現熱解爐堵塞的情況[14]。當熱解溫度降低時，尿素不會完全發生分解，在分解過程中會生成一系列復雜的中間產物，一般為三聚氰酸、乙二肟、縮二脲、縮三脲等[15-17]，這些中間產物不易分解，并且容易在熱解爐內和管道中產生沉積，生成堅硬的沉積物，從而造成堵塞。

圖2 板集電廠熱解爐內沉積物照片Fig.2 Photos of pyrolysis furnace sediment in Banji power plant

3.2 熱解風量不足

熱解爐入口熱二次風量的設計要求為不低于8 000 m3/h，但是目前1 號爐脫硝增壓風機正常運行時熱解爐入口流量只有7 000 m3/h左右，2號爐只有6 300 m3/h 左右，與設計值有較大差距。經過機組檢修調查表明，造成熱解爐入口流量下降的原因包括以下3點：1）由于熱二次風內飛灰含量大，脫硝增壓風機長時間運行導致葉片磨損，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，使風道減小；3）檢修期間脫硝電加熱器增加防磨套管，使風道減小。當機組負荷升高、尿素溶液噴射量增加時，熱解風量不足會影響尿素熱解效率，同時導致尿素熱解的中間反應發生，生成大量的中間產物，沉積在熱解爐內和管道中。

3.3 電加熱器出力受限

2號爐脫硝電加熱器當出力達到88%時，電加熱器本體出口3個溫度測點分別為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量過低，電加熱器產生的熱量不能及時帶走，從而造成脫硝電加熱器本體出口溫度高。當機組負荷升高、尿素溶液流量增大時，風量無法隨之提升，會導致熱解溫度下降，從而影響熱解效率，造成尿素結晶或中間產物大量生成。

3.4 熱解爐內溫度監測有限

目前熱解爐內只有3 個溫度測點，就地分布在熱解爐中上部，水平相差120°，當熱解爐內空氣場分布不均時，無法及時體現，導致熱解爐內較低的溫度區域無法監視到。目前電廠運行時要求熱解爐出口溫度不低于360 ℃，當爐內存在局部溫度過低時，尿素熱解的中間反應就會發生，中間產物也會隨之生成。

3.5 尿素溶液噴槍霧化效果差

尿素溶液噴槍流量增大時，霧化效果差。2號爐B、D噴槍流量測點故障，長期無備件，不能監視噴槍運行情況。特別是進入冬季，從尿素溶液制備到進入熱解爐內，管線長，保溫效果差，加上霧化用壓縮空氣溫度較低，尿素溶液易結晶，導致噴槍堵塞，霧化效果進一步降低，造成熱解效率下降，導致部分來不及分解的尿素及中間產物沉積加劇。

由于機組負荷隨自動發電控制(automatic generation control，AGC)指令在不斷變化，特選取1、2號機相同負荷段穩定運行時的脫硝系統參數進行對比，如表1所示。可以看出，900 MW及以下負荷階段，在鍋爐氧量接近一致的條件下，2號爐脫硝反應器入口煙氣NOx含量低于1號爐，2號爐尿素溶液用量低于1號爐。2號爐脫硝反應器入口煙氣NOx含量低于1號爐的主要原因為，2號爐調試期間對燃燒器及二次風門進行調整，空氣動力場較好。目前1 號爐兩側汽溫的平衡，主要是靠運行人員對燃盡風門進行調節。為了保證兩側汽溫接近，運行時#1/2/3/4角燃盡風門開度保持相對較小，從而導致燃燒過程中NOx的生成量增加。當負荷為1 000 MW時，2號爐尿素溶液用量明顯大于1 號爐，原因為機組負荷過高，脫硝反應過程氨的需求量增大，2 號爐脫硝熱解爐出力受限，熱解爐出口溫度低于360 ℃，同時熱風量偏小，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經過噴氨格柵進入爐膛，一部分沉積在熱解爐及熱解爐出口管道內。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導致尿素分解效率下降，產生沉積物，如此惡性循環。

表1 不同負荷下1&2號爐脫硝系統參數對比Tab.1 Comparison of SCR parameters of No.1&2 unit in different loads

4 解決措施

針對板集電廠尿素熱解制氨裝置存在的問題，提出以下解決措施和方案：

1）停爐期間對熱解爐內部進行檢查，及時清除內部沉積物；對脫硝電加熱進行詳細檢查，發現電加熱管磨損時及時更換，使電加熱器滿足安全運行及熱解爐出力的需要。

2）優化燃燒調整、合理調整配風，降低脫硝反應器入口NOx的生成量，從而減少尿素溶液噴射量。

3）加強脫硝系統的監視和調整，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質量濃度在40 mg/m3以上。

4）加強對機組各參數的調整，尤其是在機組負荷變化及啟停磨煤機前，提前調整脫硝參數，保持各尿素噴槍出力平衡，增加尿素噴槍溶液流量時禁止大幅操作，避免尿素流量過大造成熱解爐內局部溫度過低，導致尿素反應不完全，使熱解爐內結晶堵塞。

5）鑒于目前2 號爐脫硝熱解爐入口風量過低，可適當啟動備用脫硝增壓風機，保持2 臺風機并列運行10 min 后停運一臺風機備用，以增加脫硝熱解爐入口風量。

6）定期對脫硝增壓風機葉輪及漏風情況進行檢查，發現葉輪磨損時及時更換，確保脫硝增壓風機出力正常。

7）定期對熱解爐噴槍進行檢查，及時清理內部結晶，并進行霧化試驗，同時加強霧化用壓縮空氣壓力的監視，對尿素溶液管道及噴槍等相關設備保溫、伴熱的檢查，防止尿素噴槍霧化效果變差。

8）對尿素噴槍進行自動優化，使其在機組負荷變化時，能夠自動調節尿素溶液噴射量。防止由于手動操作噴槍調門造成尿素溶液噴射量過大，以及事故處理時減少操作量。

5 結論

自采用以上檢修手段以及運行優化措施以來，板集電廠再未發生過熱解爐嚴重堵塞的情況，并且明顯減少了尿素用量，節省了運行成本。在凈煙氣NOx含量變化不大的條件下，機組負荷為1 000 MW 時尿素溶液噴射量由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臺機組年發電量100億kW·h計算，年尿素總消耗量減少500 t左右，按照每噸尿素0.26 萬元計算，年節省大宗物資費用130萬元。

雖然目前機組運行狀況良好，但是風險還是一直存在。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致尿素溶液結晶，使噴槍堵塞；將脫硝增壓風機葉輪更換為大葉輪，增大風機出力；增加熱解爐內溫度測點的布置，便于監測熱解爐內各區域的溫度，及時發現存在均布溫度過低的情況；現脫硝熱解爐風源為熱二次風，由于熱二次風飛灰含量大，不僅會造成脫硝增壓風機葉片磨損和電加熱器磨損，而且也會增加尿素在熱解爐內結晶和發生中間反應的概率。建議調研同類型電廠，后期可以考慮將脫硝熱解爐風源改為飛灰含量較低的熱一次風。