尿素熱解制氨脫硝技術在電廠運維技術優化

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。由于液氨工藝系統簡單，運輸、投資、運行成本較低，在目前的工程中已廣泛應用，但存在的缺點是對系統的安全性要求較高。在國內，根據《重大危險源辨識》的規定，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（如北京、廣州等）要求還原劑制備系統采用安全性要求較低的尿素工藝。某電廠在2013年初響應國家號召，將原有的液氨系統改造為尿素制氨系統，在初期遇到了一系列的問題，經過研究優化，切實提高了脫硝系統的可靠性。

1 尿素熱解制氨維護技術優化

1.1 尿素熱解工藝

尿素熱解工藝流程如圖1所示，袋裝的尿素經人工拆包后經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。再由尿素循環泵通過計量分配系統后噴入熱解爐內，與經由電加熱器加熱后的熱一次風混合熱解，生成NH3、H2O 和CO2。分解產物與熱一次風混合均勻經噴氨格柵噴入脫硝系統。

圖1 尿素熱解系統流程圖

具體反應方程式如下。

CO（NH2）2（尿素）→NH3+HNCO

HNCO（異氰酸）+H2O →NH3+CO2

1.2 尿素溶液配制系統維護

尿素溶液配制系統設備簡單，但運行維護復雜。尿素基本采用袋式包裝，在設計時都會有自動拆包機的設備，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，通過下漏口濾網將編織袋分離，在實際運行中，無論下料口濾網多細都無法避免大量碎屑進入溶液中。其中的雜質除了包裝袋的碎屑外，還有尿素產品中含有的不溶物。因此在設計時無須設計自動拆包機，可采用人工拆包，若當地有尿素罐車運送更好。

1.3 尿素循環泵系統

尿素循環泵系統的正常運行是保證脫硝安全運行的關鍵因素，當其出現故障，脫硝率馬上維持不了，因此對尿素循環泵系統的維護非常重要。

1.3.1 電源優化

設計中采用尿素MCC 電源對尿素制備區所有設備進行供電，沒有考慮尿素循環泵的保安電源。為此，某電廠將備用的尿素循環泵電源移出尿素MCC 系統，將其掛到除塵段，避免了系統失電導致尿素循環泵全停、脫硝系統退出風險。

1.3.2 連鎖邏輯優化

中國調味品企業在產品結構升級和技術創新上不斷發力，在包裝、品牌宣傳、產品創新方面都有了很大提升，推動了中國調味品行業品牌集中度和產業集中度不斷上升。目前在各個分支產業都涌現出家喻戶曉的品牌，如醬油產業的海天、加加、美味鮮、李錦記，食醋產業的鎮江香醋、山西老陳醋、福建永春、四川保寧醋，復合調味料產業的太太樂、家樂、佳隆，調味醬產業的李錦記、老干媽，火鍋調味料產業的周君記、天味等。除了大型品牌的強勁發展，各地區域性的中小企業也競相成長，并在不少地區形成了產業集群。

設計中對尿素循環泵的保護采用的是跳閘連鎖啟備用。在運行過程中，經常會發現尿素循環泵濾網堵導致泵出力降低，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，保證脫硝系統的安全運行。

1.3.3 尿素濾網優化

尿素溶液的堵塞是尿素系統的主要問題，由于尿素熱解系統對噴槍的霧化要求，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。設計中，在尿素輸送泵以及尿素循環泵的入口都安裝有濾網，但由于設計中的濾網過濾面積小，導致在運行中頻繁堵塞，兩天需清洗一次濾網，從而導致尿素循環泵跳閘，影響脫硝系統的運行。某電廠通過分析，在原濾網過濾孔徑不變的前提下，過濾面積增大，很好地解決了濾網堵塞的頻率，現在尿素輸送泵前濾網每天清理一次、尿素循環泵前的濾網每月清理一次即可，保證了系統的穩定性。

1.4 熱一次風系統

某電廠#1、#2爐熱一次風是從鍋爐空預器出口熱一次風管上部引出，而#3、#4爐熱一次風是從鍋爐空預器出口熱一次風管下部引出，運行中#3、#4爐排灰量明顯比#1、#2爐大很多。設計中在彎頭設置的排灰管是對空采用袋子排灰，人力以及對環境污染大，電廠在機組檢修期間對排灰管道進行了優化，將排灰管道直接接入鍋爐尾部煙道，利用鍋爐煙道內的負壓，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。

在大小修檢查中發現電加熱器磨損嚴重，積灰量大。由于熱一次風流量大，含有灰塵，在電加熱器迎風處的加熱管管壁明顯被吹薄，加熱器拆出時積滿了灰。針對此現象，采用加熱管套膜防磨損和旋轉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，熱一次風的灰與尿素結晶共同形成的物質堵管是脫硝系統的重要問題，因此對熱一次風的灰量控制尤為重要。

1.5 尿素結晶

由于尿素溶液在低于26℃時容易結晶，其主要結晶部位如下。

（1）尿素循環管道內部結晶。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，此部位結晶堵塞的可能性不大。

（2）熱解爐噴槍結晶。某電廠采用2組6根噴槍，一用一備，在運行中發現，噴槍堵塞的可能性不大，對于備用噴槍來說，若尿素噴槍調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閉，防止滲漏，同時在停機退出噴槍時保證沖洗過程中熱一次風繼續通風10 min，保證整個系統干燥。

（3）熱解爐內部結晶。此類結晶主要發生在熱解爐尾部和噴氨混合器處，結晶原因分析較為復雜。主要為尿素噴槍霧化效果不佳或熱解爐內部溫度低。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。這會導致尿素溶液不能充分熱解為氨氣，在熱解爐底部集聚并結晶。由于某電廠單只噴槍流量基本控制在0.14 m3/h 以下，不太會出現霧化效果不佳的現象。熱解爐溫度低，熱解爐在局部低溫（低于280℃）情況下，含有熱解反應產物的氣體在溫度較低的管壁及閥體上結晶，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致熱解爐某些區域溫度急劇下降產生尿素結晶。此種原因可能是熱解爐內部結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現有大量結晶，因此在管道處設置清灰孔，在每次檢修期間進行檢查尤為必要。

1.6 噴氨流場的優化調整

尿素熱解制氨脫硝整個噴氨系統中含有大量的灰，容易沉積在噴氨母管中，因此在機組運行一段時間后，噴氨流場會發生變化，造成系統噴氨不均勻，從而脫硝氨逃逸升高，形成硫酸氫氨堵塞空預器，影響機組的安全運行。因此在日常管理中對噴氨流場的優化尤為重要，要求在機組大小修后，整個噴氨系統清灰完成，投運需進行一次噴氨優化調整，投運半年后進行一次噴氨優化調整，后面每年進行一次噴氨優化調整，可以保證噴氨流場的均勻性。

1.7 電加熱的穩定性

尿素熱解制氨采用電加熱器將熱一次風穩定加熱到500℃以保證尿素熱解充分，所以電加熱器的運行穩定性直接關系到脫硝系統的穩定。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，導致脫硝系統被迫停運。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鎖。每個回路配置1個多功能數顯電量表，帶一路電流變送4~20 mA 信號去DCS，DCS 提供4 路4~20 mA 溫度設定信號，分別接入4個出口溫度控制表，實現一對一控制。這樣出現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。

1.8 尿素熱解制氨脫硝自動調節

在尿素熱解制氨脫硝中，自動調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、脫硝效率設定值、尿素溶液的濃度相關，而補償后氨需量主要是在理論尿素溶液需量的基礎上增加了當前負荷與目標負荷的偏差值、當前效率與設定效率的偏差值作為調整前饋。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，而根據噴氨量干預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：反應器出口NOx濃度=[（100-脫硝效率）/100]×反應器入口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）根據運行的實際情況，脫硝自動控制由于出口的參數具有嚴重的滯后性，因此傳統PID 調整在實際運行中脫硝出口NOx濃度波動很大，容易超標，現在很多研究都依托外掛采用人工智能算法預測的方式控制，但成本較高，維護困難。根據日常運行的參數分析及試驗，某電廠取消了脫硝的PID 調整，考慮了入口NOx濃度和機組負荷這兩個影響較大的參數，對補充氨需量邏輯進行優化。引入機組AGC 目標負荷參數，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整按需量，而工況穩定后脈沖信號也消失，恢復正常的氨需量，確保出口NOx濃度較為穩定。脈沖信號的時間和補償的氨需量根據日常的參數及試驗決定。

2 結束語

隨著對安全要求的日益嚴格，尿素熱解法制氨在電廠脫硝的應用逐漸興起，可以預見，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展，運行經驗的不斷豐富，以及尿素產業的發展，未來散裝罐車尿素的運輸將會實現，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上對霧化效果有了很高的保證。華能玉環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生尿素結晶。通過各種的優化，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。