某電廠煙氣脫硝尿素?zé)峤庀到y(tǒng)運(yùn)行中存在的問題及對(duì)策

李 偉

（國家能源集團(tuán)寶慶發(fā)電有限公司，湖南 邵陽 422000）

0 引言

目前在各火力發(fā)電廠煙氣脫硝技術(shù)主要有SCR和SNCR。SCR 和SNCR 煙氣脫硝常用的還原劑是液氨、氨水和尿素，液氨屬于危險(xiǎn)品，目前出于安全方面考慮多數(shù)電廠逐漸認(rèn)可尿素用于還原劑，尿素作為還原劑制氨主要有熱解與水解兩種方式[1]。尿素水解制氨系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低，已成為首選尿素制氨系統(tǒng)技術(shù)。

本文針對(duì)某電廠使用的由東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)安裝的尿素水解制氨系統(tǒng)，從2022 年投入運(yùn)行至今在運(yùn)行中逐漸暴露出的一些問題，進(jìn)行分析并提出解決措施。

1 某電廠660 MW 機(jī)組尿素水解制氨脫硝系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成

尿素站由尿素溶解系統(tǒng)、尿素溶液儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)、尿素水解系統(tǒng)、尿素站公用系統(tǒng)組成，主要設(shè)備包括尿素溶液溶解罐（配置一臺(tái)攪拌器）、尿素溶解泵、尿素溶液儲(chǔ)罐、尿素溶液輸送泵、水解器、疏水箱、廢水池、減溫水增壓泵、催化劑加藥設(shè)備等。

1.2 工藝流程

尿素進(jìn)入尿素溶解罐與水混合攪拌，制備成50%濃度的尿素溶液，經(jīng)尿素溶解泵輸送至尿素溶液儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，經(jīng)尿素溶液輸送泵至水解器，利用減溫減壓后的蒸汽升溫，將尿素溶液水解蒸發(fā)為氨蒸氣，氨蒸汽送入氨/空混合器與熱一次風(fēng)充分混合，通過氣氨噴射系統(tǒng)將稀釋后的氣氨噴入SCR 反應(yīng)器入口煙道與煙氣充分混合，再進(jìn)入SCR 反應(yīng)器，如圖1 所示。

圖1 尿素水解制氨脫硝系統(tǒng)工藝流程示意圖

1.3 尿素水解制氨反應(yīng)原理

尿素溶液在一定溫度、壓力條件下，尿素水溶液分解產(chǎn)生氨和二氧化碳，其反應(yīng)方程式見式（1）：

1.4 脫硝系統(tǒng)概述

該廠脫硝系統(tǒng)采取選擇性催化還原（SCR）法，原還原劑為液氨，2022 年12 月改為尿素。尿素水解產(chǎn)生的氨氣（體積濃度為37.5%）與加熱后的稀釋風(fēng)在氨空混合器混合稀釋成體積濃度低于5%氨空混合物。氨空混合物通過精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)噴入煙氣中，還原劑和煙氣充分混合后在SCR 反應(yīng)器中催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，去除NOx。化學(xué)反應(yīng)式如式（2）、式（3）：

2 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題分析及解決措施

2.1 氨氣帶水

2.1.1 現(xiàn)象

某日該電廠1#機(jī)組運(yùn)行，值班員監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)B 側(cè)脫硝稀釋風(fēng)流量突降，流量在0～2 300 m3/h 波動(dòng)，A側(cè)脫硝稀釋風(fēng)流量逐漸上漲至9 000 m3/h，稀釋風(fēng)機(jī)A 電流下降至79 A，其他參數(shù)正常，脫硝出口NOx開始快速上漲，調(diào)節(jié)尿素站來噴氨調(diào)門調(diào)整無效，立即投入氨站至脫硝供氨門，調(diào)整脫硝出口NOx。

檢修人員拆開B 側(cè)稀釋風(fēng)流量計(jì)排氣閥，發(fā)現(xiàn)排氣閥處向外噴水，判斷氨與空氣混合器管道積水堵塞整段稀釋風(fēng)管道。拆開氨與空氣混合器旁導(dǎo)流板的法蘭，通過拆開法蘭排水。排水完畢后，開始投運(yùn)B 側(cè)噴氨系統(tǒng)，稀釋風(fēng)管流量恢復(fù)，尿素噴氨投運(yùn)。

2.1.2 原因分析

尿素溶液充分水解后的產(chǎn)物應(yīng)為氣態(tài)的NH3、CO2和H2O 的混合物。該廠尿素水解的設(shè)計(jì)值為尿素溶液濃度為50%，水解反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，氣液兩相平衡體系的壓力約為0.4～0.6 MPa，溫度約為115～160 ℃。調(diào)節(jié)蒸汽減溫裝置的減壓閥控制蒸汽壓力0.65～0.75 MPa 范圍，調(diào)節(jié)減溫調(diào)節(jié)閥控制減溫后蒸汽溫度165～170 ℃范圍。

該電廠運(yùn)行人員就地打開2#水解器出口蒸汽吹掃關(guān)斷閥，之后就地關(guān)閉2#水解器出口蒸汽吹掃關(guān)斷閥，當(dāng)時(shí)此閥門顯示關(guān)信號(hào)。實(shí)際經(jīng)此次操作后此閥門不嚴(yán)密，蒸汽通過此閥門持續(xù)進(jìn)入2#水解器出口氨氣管道，大量蒸汽進(jìn)入水解器出口氨氣管道。吹掃蒸汽溫度在165 ℃以上，壓力0.8 MPa，蒸汽進(jìn)入氨氣管道后遇到130 ℃左右的氨氣，遇冷冷凝成水。B側(cè)稀釋風(fēng)管線在氨空混合器處呈U 型走向，大量積水無法排出積累在U 型管段處造成管道堵塞，以致稀釋風(fēng)流量下降為0 m3/h，氨氣無法進(jìn)入脫硝反應(yīng)器。

檢修人員解體2#水解器出口蒸汽吹掃閥關(guān)斷閥，該球閥處于關(guān)到位狀態(tài)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)存在以下問題：閥門設(shè)計(jì)為不銹鋼球閥，球閥閥座為聚四氟乙烯材質(zhì)，在高溫高壓的情況下，閥座受熱變形，存在軟化情況，此時(shí)操作閥門后，關(guān)閉閥門導(dǎo)致閥門密封線偏移，解體后發(fā)現(xiàn)密封面有磨損痕跡。如圖2 所示。

圖2 球閥閥座密封面

吹掃蒸汽溫度設(shè)計(jì)參數(shù)為320 ℃，而故障的吹掃蒸汽閥門密封墊為聚四氟乙烯材質(zhì)，適用長期使用溫度為-180～260 ℃，超過會(huì)軟化，起不到密封作用。

2.1.3 采取措施

1）尿素站聚四氟乙烯材質(zhì)閥座的高溫高壓閥門進(jìn)行排查，并進(jìn)行更換。

2）在水解器出口蒸汽吹掃閥閥后管道上加裝溫度傳感器，通過溫度變化利于運(yùn)行人員及時(shí)判斷閥門是否嚴(yán)密，分析該閥門內(nèi)漏情況，及時(shí)調(diào)整處理。

3）氨空混合器處呈U 型走向，事故情況下易積水，導(dǎo)致供氨不暢，選擇在合適位置加裝自動(dòng)疏水裝置。

2.2 水解器出口管道結(jié)晶

2.2.1 現(xiàn)象

由于該廠尿素水解制氨系統(tǒng)設(shè)備區(qū)域遠(yuǎn)離鍋爐因此造成氨氣管線線路長，不可避免會(huì)造成在氨氣輸送過程中有比較大的熱損失。初設(shè)計(jì)沿氨氣管道鋪設(shè)蒸汽伴熱管道并包裹在同一保溫層內(nèi)，以達(dá)到氨氣在送至鍋爐噴氨調(diào)整門前溫度下降不大的目的。但在實(shí)際運(yùn)行中證明這種伴熱方式效果不明顯，不能有效降低氨氣溫度的熱損失，造成水解器出口管道結(jié)晶。

2.2.2 原因分析

尿素水解制氨是一個(gè)可逆反應(yīng)，水解制氨逆反應(yīng)為放熱反應(yīng)[2]。輸送管道混合氣中的水蒸氣在尿素水解器出口混合氣輸送管道溫度降低到一定條件時(shí)產(chǎn)生回凝，混合氣中的NH3和CO2也會(huì)反應(yīng)生成NH2CO2NH4。NH2CO2NH4會(huì)破壞不銹鋼表面的氧化薄膜，腐蝕不銹鋼材料，NH2CO2NH4結(jié)晶會(huì)造成管路閥門等堵塞，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 及圖4[3]所示分別為不同尿素溶液濃度及水解器運(yùn)行壓力下水蒸氣回凝溫度及NH2CO2NH4結(jié)晶析出溫度。由圖3 及圖4 可知，運(yùn)行壓力在0.5～0.8 MPa，尿素溶液溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%～60%時(shí)，水蒸氣回凝溫度均高于NH2CO2NH4結(jié)晶析出溫度，因此，保證水解器出口混合氣輸送管道溫度在水蒸氣回凝溫度以上可以有效避免混合氣輸送管道閥門結(jié)晶堵塞。

圖3 水蒸氣回凝溫度

圖4 NH2CO2NH4 結(jié)晶析出溫度

由圖3 可知，提高尿素溶液濃度或者降低水解器運(yùn)行壓力可以降低水蒸氣回凝溫度。提高尿素溶液濃度會(huì)提高水解器中產(chǎn)氨速率[4]，在機(jī)組長期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為了控制尿素水解器出口產(chǎn)氨速率，水解器運(yùn)行溫度會(huì)降低，水解器出口混合氣溫度相應(yīng)降低；降低水解器運(yùn)行壓力，會(huì)增加反應(yīng)液中尿素及其衍生物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而增加設(shè)備腐蝕及結(jié)晶堵塞的風(fēng)險(xiǎn)[1]。為兼顧尿素水解器及輸送管道安全運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行過程中，一般控制水解器運(yùn)行壓力不低于0.6 MPa，尿素溶液溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%，對(duì)應(yīng)的水蒸氣回凝溫度在130～140 ℃之間。據(jù)此分析，提高混合氣輸送管道伴熱溫度，使輸送管道中混合氣溫度維持在140 ℃以上可有效避免氨混合氣中水蒸氣回凝及NH2CO2NH4結(jié)晶，從而降低輸送管道閥門腐蝕堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 采取措施

1）為避免尿素水解器出口混合氣中水蒸氣回凝，配制尿素溶液質(zhì)量濃度控制為50%，水解器運(yùn)行壓力約0.6 MPa。原系統(tǒng)設(shè)計(jì)氨氣輸送管道與蒸汽伴熱管道為兩條平行相鄰管道，利用蒸汽管道的輻射熱能伴熱氨氣管道以避免氨氣溫度的熱損失。現(xiàn)改造為夾套管道，夾套管中間管路介質(zhì)為水解器的產(chǎn)品氣（氣氨），夾層介質(zhì)為蒸汽，利用蒸汽作為氣氨管路的伴熱熱量來源，對(duì)沿途氣氨管路進(jìn)行充分加熱，確保水解器出口到鍋爐爐前溫度不下降，從而保證氣氨的過熱度，減少蒸汽回凝，保證蒸汽伴熱系統(tǒng)熱交換速率、傳熱均勻性可靠性。

2）尿素水解器出口混合氣管道上的儀表增設(shè)電伴熱，保證儀表不結(jié)晶。電伴熱帶嚴(yán)禁用鐵絲進(jìn)行捆扎，全部用壓敏膠帶和鋁箔膠帶進(jìn)行錯(cuò)開捆扎。

2.3 尿素顆粒下料系統(tǒng)堵塞、給料機(jī)上插板門卡澀

2.3.1 現(xiàn)象

該廠設(shè)計(jì)為尿素儲(chǔ)備系統(tǒng)設(shè)置2 套尿素溶解罐。1#尿素溶解罐配備一臺(tái)斗提機(jī)，通過料斗將尿素顆粒從地面豎向提升至1#尿素溶解罐，斗提機(jī)中尿素板結(jié)，造成下料口堵塞或下料口插板門卡澀。

2.3.2 原因分析

1）尿素顆粒吸濕性較強(qiáng)，空氣濕度較大時(shí)極容易吸收超期而板結(jié)，搬運(yùn)或儲(chǔ)存過程中尿素包裝袋破損，易發(fā)生板結(jié)，在下料口造成堵塞或閥板卡澀。

2）尿素溶解罐斗提機(jī)下部有積水，未及時(shí)清理，尿素顆粒吸潮板結(jié)，導(dǎo)致儲(chǔ)倉不下料。

2.3.3 采取措施

1）尿素顆粒存儲(chǔ)位置干燥、通風(fēng)良好。

2）尿素包裝袋完好無損，運(yùn)輸及倒運(yùn)過程中輕拿輕放，防止雨淋。

3）加強(qiáng)尿素儲(chǔ)存?zhèn)}密封。

4）對(duì)已發(fā)生堵塞的系統(tǒng)通過采用人工破碎、榔頭敲擊儲(chǔ)倉的方式進(jìn)行消除。

5）斗提機(jī)地坑要定期清理，如果有積水的話，及時(shí)清理。

3 結(jié)語

本文主要圍繞某廠尿素水解制氨脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行中所出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并提供有針對(duì)性的對(duì)策，針對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的不同問題，通過查閱相關(guān)資料，結(jié)合設(shè)備實(shí)際特性，找出影響安全運(yùn)行的問題因素和環(huán)節(jié)，并針對(duì)這些因素和環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的控制措施。通過這些措施，尿素水解器運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足機(jī)組不同負(fù)荷下的各種工況，通過對(duì)水解系統(tǒng)進(jìn)行改造，對(duì)聚四氟乙烯材質(zhì)閥座的高溫高壓閥門進(jìn)行排查，并進(jìn)行更換，增加尿素溶液的濃度并降低系統(tǒng)運(yùn)行的壓力。同時(shí)采用夾套管中間管路介質(zhì)為水解器的產(chǎn)品氣（氣氨），夾層介質(zhì)為蒸汽伴熱方案以保證輸送管道中混合氣溫度在140 ℃以上，有效解決了噴氨管道帶水及堵塞的問題。通過在實(shí)際運(yùn)行中的檢驗(yàn)，證明所提出解決方案和措施有效，使尿素水解制氨脫硝系統(tǒng)能更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行。