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電廠SCR熱解爐尿素結(jié)晶的分析與對(duì)策尿素?zé)峤鉅t結(jié)晶怎么處理

文章插圖
摘要：電廠SCR脫硝系統(tǒng)熱解爐尿素結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致整個(gè)脫硝系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，本文介紹了我廠3號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)流程，并以我廠3號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)熱解爐尿素結(jié)晶為案例，分析了SCR尿素?zé)峤鉅t尿素結(jié)晶的原因，提出了對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、流場控制、設(shè)備選型、運(yùn)行參數(shù)及日常維護(hù)方面的改進(jìn)措施，以期對(duì)熱解爐尿素結(jié)晶的現(xiàn)象進(jìn)行有效地預(yù)付和提供有針對(duì)性的對(duì)策。

關(guān)鍵詞： SCR；脫硝改造；熱解爐；尿素結(jié)晶；分析與對(duì)策

1前言

隨著國家環(huán)保部門對(duì)電力污染治理要求的不斷提高，依據(jù)最新《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223——2011》規(guī)定要求，2003年12月31日前投運(yùn)或通過審批的機(jī)組氮氧化物排放濃度不得大于200mg/Nm3，之后的現(xiàn)役或新建機(jī)組氮氧化物排放濃度不得大于100 mg/Nm3，作為環(huán)首都北京的重點(diǎn)區(qū)域，我廠自2011年開始逐步實(shí)施了8臺(tái)機(jī)組的煙氣脫硝改造工程。

目前在世界上有成熟應(yīng)用業(yè)績的脫硝方法主要分為兩類，分別為燃燒中脫硝和燃燒后脫硝。燃燒中脫硝主要為低氮燃燒技術(shù)，它具有投資少，建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但其脫硝效率較低，一般在40%以下，另外受工況變化的影響較大。燃燒后脫硝有成熟應(yīng)用的技術(shù)可分為SCR和SNCR技術(shù)，其中SCR技術(shù)具有脫硝效率高，還原劑消耗少、脫硝性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界上應(yīng)用最多的技術(shù)之一。經(jīng)過詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，我廠脫硝改造工程采取了低氮燃燒器+SCR相結(jié)合的方式。

23號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)簡介

大唐國際張家口發(fā)電廠1-8號(hào)300MW機(jī)組之3號(hào)鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的1025t/h、亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、汽包型鍋爐。采用三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，平衡通風(fēng), 擺動(dòng)式燃燒器，四角切園燃燒, 制粉系統(tǒng)采用HP803中速磨正壓直吹冷一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng) 。

我廠3號(hào)機(jī)組SCR法煙氣脫硝工藝，由清華同方環(huán)境股份有限公司提供，引進(jìn)意大利TKC公司技術(shù)，結(jié)合清華大學(xué)熱能系多年來在SCR煙氣脫硝技術(shù)方面的研究，為本工程提供優(yōu)化設(shè)計(jì) 。脫硝設(shè)施布置在3號(hào)爐后與電除塵器之間，反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間，脫硝系統(tǒng)不設(shè)置煙氣旁路和省煤器高溫旁路系統(tǒng) 。在完成低氮燃燒器改造后，SCR入口NOx濃度可控制在450mg/Nm3以下，SCR區(qū)按3層設(shè)計(jì)（2+1形式），初裝2層催化劑后可保證在鍋爐任何工況處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于80％。吸收劑原料為尿素，采用熱解法制備氨氣。保證煙氣出口氨的逃逸率不大于3ppm，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%，在催化劑附加層未投運(yùn)前，從脫硝裝置入口到出口之間的系統(tǒng)壓力損失不大于800Pa（SCR煙道阻力不大于450Pa）。在滿足NOx脫除率、氨的逃逸率及SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的性能保證條件下，可保證SCR系統(tǒng)能夠在最低連續(xù)運(yùn)行煙溫300℃，最高連續(xù)運(yùn)行煙溫420℃條件下正常投運(yùn) 。脫硝系統(tǒng)主要包括：煙氣系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器本體、尿素儲(chǔ)存供應(yīng)系統(tǒng)、尿素?zé)峤庀到y(tǒng)、氨計(jì)量分配系統(tǒng)、廢水回收系統(tǒng) 。

3尿素?zé)峤饧夹g(shù)簡介

尿素制取氨通常有兩種方法：熱解和水解。水解法是將尿素以水溶液的方式進(jìn)行分解。熱解法是將直接快速霧化后的尿素溶液進(jìn)行分解。我廠3號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用了NOXOUT ULTRA方法。NOXOUT ULTRA方法是美國燃料公司（Fuel Tech Inc）尿素?zé)峤庵瓢惫に嚨淖悦Q 。

3.1尿素的性質(zhì)

3.1.1尿素的物理性質(zhì)

尿素的分子式為CO(NH2)2，相對(duì)分子質(zhì)量60.06 ，為無色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體，工業(yè)或農(nóng)業(yè)品為白色略帶微紅色固體顆粒，有刺鼻性氣味。含氮量約為46.67% 。密度1.335g/cm3 。熔點(diǎn)132.7℃ 。溶于水、醇，難溶于乙醚、氯仿。呈弱堿性。

3.1.2尿素的化學(xué)性質(zhì)

尿素在酸、堿、酶作用下（酸、堿需要加熱）能水解生產(chǎn)氨和二氧化碳。尿素對(duì)熱不穩(wěn)定性，在高溫下可進(jìn)行縮合反應(yīng)，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸。加熱至150~160℃將脫氨成縮二脲。若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環(huán)化合物三聚氰酸。（機(jī)理：先脫氨生成異氰酸（HN=C=O），再三聚。）加熱至160℃分解，產(chǎn)生氨氣同時(shí)變?yōu)楫惽杷?。

尿素易溶于水，在20℃時(shí)100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反應(yīng) 。尿素產(chǎn)品有兩種。結(jié)晶尿素呈白色針狀或棱柱狀晶形，吸濕性強(qiáng) 。粒狀尿素為粒徑1～2毫米的半透明粒子，外觀光潔，吸濕性有明顯改善。20℃時(shí)臨界吸濕點(diǎn)為相對(duì)濕度80%，但30℃時(shí)，臨界吸濕點(diǎn)降至72.5%，故尿素要避免在盛夏潮濕氣候下敞開存放。在尿素生產(chǎn)中加入石蠟等疏水物質(zhì)，其吸濕性大大下降。

3.2尿素?zé)峤夤に?br />

尿素?zé)峤庀到y(tǒng)的主體設(shè)備包括尿素儲(chǔ)倉、尿素溶解罐、尿素溶液儲(chǔ)罐、尿素溶液噴嘴、熱解爐和電加熱器。主要的工藝流程為固體尿素溶液經(jīng)溶液配置成40%-60%的尿素溶液（我廠尿素溶液濃度控制在50%左右），混合/給料泵將尿素溶液輸送至尿素溶液儲(chǔ)罐，尿素溶液經(jīng)過計(jì)量分配模塊合適配量，由專門設(shè)計(jì)的噴槍噴入熱解爐中，在高溫下分解為氨氣，熱解需要的熱量來源于經(jīng)過加熱器加熱后的熱一次風(fēng)，分解得到的氨濃度小于5%的氨/空氣混合氣，經(jīng)氨氣噴射格柵（AIG）噴射入煙氣系統(tǒng)中。

3.3尿素?zé)峤夤に囈?br />

我廠3號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用尿素?zé)峤庵瞥砂睔庾鳛檫€原劑，熱解爐由北京福泰克環(huán)?？萍加邢薰咎峁?，尺寸為Φ2454×14801×8mm,材質(zhì)本體為SS304不銹鋼，出口U型管為Q345R，共設(shè)有6支噴槍。尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)的分解產(chǎn)物中應(yīng)不含有對(duì)SCR裝置產(chǎn)生不良影響的物質(zhì)，尿素?zé)峤饴?00% 。進(jìn)入絕熱分解室的尿素溶液濃度為40～50%，分解產(chǎn)物中的NH3濃度不超過5% 。絕熱分解室出口分解產(chǎn)物的溫度不超過400℃，且不低于260℃，AIG接口溫度約為260~345℃ 。

43號(hào)機(jī)組熱解爐尿素結(jié)晶實(shí)例

4.1缺陷描述

3號(hào)爐脫硝系統(tǒng)自2013年5月17日開始試運(yùn)，在6月7日投運(yùn)進(jìn)行內(nèi)部168試運(yùn)，6月12日晚間發(fā)現(xiàn)熱解爐一次風(fēng)量大幅下降，檢查測點(diǎn)數(shù)據(jù)正常，調(diào)整無效后判斷為熱解系統(tǒng)堵塞，于13日01:01退出脫硝系統(tǒng)運(yùn)行，辦理工作票進(jìn)行熱解系統(tǒng)檢查。打開檢查孔發(fā)現(xiàn)熱解爐6只噴槍下部300mm處有大量尿素結(jié)晶與灰的混合物，熱解爐截面幾近全部堵塞，堵塞物整體厚度500-1000mm，呈淺灰色蜂窩狀，質(zhì)地堅(jiān)硬，有大量白色晶質(zhì)體。熱解爐上、下部及均流器、濾網(wǎng)正常。

4.2原因分析

經(jīng)過相關(guān)人員共同探討，檢查熱解爐內(nèi)部、噴槍設(shè)備、DCS數(shù)據(jù)分析后，確認(rèn)熱解爐尿素結(jié)晶堵塞原因：

（1）一次風(fēng)流量設(shè)計(jì)值為5000Nm3/h,在整個(gè)運(yùn)行期間多數(shù)時(shí)間維持在5000-5200Nm3/h，但有部分時(shí)段處于流量偏低工況，如6月10日7:00風(fēng)量低至4185 Nm3/h、6月11日5:00-9:00風(fēng)量低至4200Nm3/h 。

（2）第一次試運(yùn)投入噴槍為B/D/F槍,本次試運(yùn)投入噴槍為A/C/E槍,運(yùn)行中均沒進(jìn)行噴槍增減及切換，單支噴槍流量基本在0.05-0.15m3/h范圍內(nèi), 投運(yùn)初期及6月9日11:50噴槍流量波動(dòng)最高值0.21m3/h，單支噴槍流量偏大。

大量結(jié)晶物僅出現(xiàn)在熱解爐噴槍下部區(qū)域，是因?yàn)闊峤鉅t內(nèi)流場偏離設(shè)計(jì)值或噴嘴工作有異常所致。一次風(fēng)流量偏低將造成稀釋風(fēng)在熱解爐內(nèi)分布不均，尤其是熱解爐外壁側(cè)流量偏少，噴射的尿素溶液在這種工況下很難與稀釋風(fēng)充分混合，就會(huì)噴射至熱解爐外壁，出現(xiàn)尿素溶液掛壁結(jié)晶問題；噴槍流量如果偏離設(shè)定值（單只噴槍流量建議不大于0.17m3/h），將使尿素溶液霧化效果變差；上述兩種情況都會(huì)發(fā)生結(jié)晶問題。當(dāng)結(jié)晶物不斷累積后，將對(duì)熱解爐內(nèi)正常流場產(chǎn)生更大破壞，加上熱解風(fēng)內(nèi)不可避免含有的灰分，造成惡性循環(huán)，會(huì)使結(jié)晶情況迅速擴(kuò)大惡化，造成熱解系統(tǒng)堵塞。

4.3處理方案

（1）分析堵塞原因后，拆除6只噴槍調(diào)節(jié)短管（長約150mm），重新安裝后的噴槍伸進(jìn)熱解爐內(nèi)長度增加150mm，減少尿素貼壁附著的可能，現(xiàn)場試驗(yàn)檢驗(yàn)噴槍噴射角度、范圍正常，符合運(yùn)行要求。

（2）清除全部堵塞物，確保熱解爐內(nèi)空氣動(dòng)力場均勻。本次啟運(yùn)熱解爐時(shí)延長加熱時(shí)間2小時(shí)以保證結(jié)晶物充分分解。

（3）運(yùn)行中密切關(guān)注對(duì)運(yùn)行參數(shù)的控制，確認(rèn)關(guān)鍵參數(shù)：熱解爐溫度、一次風(fēng)量、噴槍霧化空氣壓力設(shè)定值聲光報(bào)警投運(yùn)正常；確認(rèn)聯(lián)鎖保護(hù)正確投入。及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常以便迅速處理。

（4）調(diào)整A/B/C/D/E/F噴槍流量閥，將流量限制在0.17m3/h以內(nèi)，減小霧化顆粒度，保證尿素溶液的霧化分解效果；

（5）熱解爐噴槍定期進(jìn)行抽出檢查，確保霧化效果良好。

（6）為了保證熱解爐內(nèi)流場穩(wěn)定，要保證熱解爐入口有穩(wěn)定的流量，保持熱解一次風(fēng)流量在5000Nm3/h（±500）。

5結(jié)束語

由于尿素在熱解制氨過程中，稍有偏差便容易造成結(jié)晶，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成熱解爐內(nèi)部堵塞，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)推出運(yùn)行，伴隨著國家相關(guān)環(huán)保政策的收緊和脫硝電價(jià)補(bǔ)貼的提高，脫硝系統(tǒng)的退出運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致企業(yè)在環(huán)評(píng)和經(jīng)濟(jì)上的損失，因此這就需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、流場控制、設(shè)備選型、運(yùn)行參數(shù)及日常維護(hù)方面加以改進(jìn)，來有效防止和控制尿素結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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