燃煤機組尿素熱解制氨脫硝系統(tǒng)運行分析及優(yōu)化

郭文軍，張衛(wèi)彬，楊安志，李新平

（中國神華勝利能源分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，燃煤發(fā)電機組已全面實施超低排放，火電進入了“不環(huán)保不發(fā)電”時代。當前粉塵、SO2、NOx排放的質(zhì)量濃度作為火力發(fā)電企業(yè)環(huán)保的主要評價指標，按照GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》執(zhí)行?？刂芅Ox是近幾年研究的一項技術手段，目前該方法存在的主要問題有機組運行中尿素熱解爐的結晶堵塞、鍋爐尾部煙道空預器堵塞以及硫酸鹽在引風機葉片結垢等。本文針對某電廠尿素熱解制氨脫硝系統(tǒng)發(fā)生的經(jīng)常性故障，分析其對機組穩(wěn)定性、安全性的影響，并結合同類型電力企業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)調(diào)研情況，從工藝設計和運行操作方面進行控制優(yōu)化，為其他電廠提供參考[1-3]。

1 尿素熱解制氨脫硝系統(tǒng)概況

某發(fā)電廠鍋爐為660 MW超超臨界變壓運行本生直流鍋爐，采用尿素熱解制氨選擇性催化還原法（SCR）脫硝工藝，爐膛出口NOx設計排放質(zhì)量濃度為200 mg/m3，在省煤器與空預器之間設置2個2+1催化劑層SCR反應器，其中最下層為預留層。反應器入口設置煙氣整流裝置，最大限度保證煙氣中的NOx與NH3充分接觸。

尿素熱解過程為：固體尿素顆粒與除鹽水混合成質(zhì)量分數(shù)為50%的溶液，并將溫度控制在45～65℃以防止結晶，經(jīng)輸送泵將尿素溶液輸送到儲罐，再經(jīng)循環(huán)泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴進入熱解爐內(nèi)進行加熱分解，生成NH3和CO2；最后經(jīng)NH3手動流量調(diào)節(jié)閥門組噴入煙氣并流經(jīng)SCR催化系統(tǒng)。尿素熱解制氨脫硝過程中，熱解爐結晶、堵塞現(xiàn)象時有發(fā)生，給機組安全運行帶來危險。

2 故障原因分析

針對該電廠尿素熱解系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的結晶、堵塞問題研究表明，主要原因有以下幾點。

2.1 脫硝尿素熱解爐設計裕度較小

該廠尿素熱解制氨脫硝工藝設計參數(shù)見表1，在高負荷、煤種硫分偏高的情況下，爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度高達290～310 mg/m3，遠超設計值（200 mg/m3），此時只有增大尿素流量才能控制NOx排放值。按照表1熱解爐設計入口風量為4600 m3/h，而機組運行中預計所需風量約5700 m3/h，超設計值約1100 m3/h。如按照設計值運行，無法保障高負荷情況下每桿噴槍流量約130 L/h時，熱解爐內(nèi)的尿素溶液完全熱解，導致熱解溫度場和流場分布偏離設計值，使部分尿素液滴在熱解爐尾部及噴槍頭部套管部位黏附結晶。

2.2 噴槍霧化能力不足

在高負荷階段，4桿噴槍平均流量約為125 L/h，如遇異常工況將流量調(diào)節(jié)到135 L/h左右時，則會發(fā)出噴槍霧化壓縮空氣壓力低報警，此時判斷為噴槍霧化能力不足，必須降低流量，保障尿素溶液霧化效果。

表1 尿素熱解制氨脫硝工藝設計參數(shù)

2.3 尿素熱解爐噴槍調(diào)節(jié)特性差

本廠邏輯限制噴槍上限流量為130 L/h，但因調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性差，偶爾會出現(xiàn)流量超過規(guī)定值的情況，如操作人員不能及時發(fā)現(xiàn)并手動調(diào)整至130 L/h以內(nèi)，就會超流量運行。運行中應控制熱解爐溫度≥340℃，但是由于熱一次風氣流和噴槍流量不均勻造成熱解爐內(nèi)部溫度不均，特別是尿素噴量較大或波動大時，內(nèi)部溫度經(jīng)常在330～340℃波動。

2.4 熱解爐溫度測點布置不足

尿素熱解爐溫度測點布置數(shù)量有限，在噴槍區(qū)域未設置溫度測點，運行人員無法觀測各支噴槍附近的壁溫。

2.5 熱一次風灰分高

熱解爐熱一次風中灰分含量過高，在熱解碰撞過程中造成整體流場偏離設計值，同時灰分顆粒物與尿素霧滴結合，形成大直徑的混合顆粒物，并在熱解室內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流中形成惡性循環(huán)，無法進行分解反應，而直接沉淀形成初始結晶層，當達到一定時長，會造成噴嘴及熱解爐堵塞[4-5]。

3 試驗分析與優(yōu)化

3.1 增加熱解爐容量

增設1臺容量較小的熱解爐，增加1套噴槍，同時將2臺脫硝增壓熱一次風機增容約25%，將原尿素熱解制NH3能力由160 kg/h提升至200 kg/h，熱解風量提升至5750 m3/h，將約1100 m3/h的風量引入小容量熱解爐。改進后熱解爐的內(nèi)部沒有出現(xiàn)參數(shù)異常變化及結晶現(xiàn)象。

3.2 優(yōu)化尿素噴槍參數(shù)

針對尿素噴槍霧化效果不良問題，主要考慮從噴槍流量、壓縮空氣指標、尿素溶解水質(zhì)3個方面進行參數(shù)優(yōu)化控制，優(yōu)化控制參數(shù)匯總見表2。

表2 試驗優(yōu)化前后控制參數(shù)

3.3 優(yōu)化邏輯控制

優(yōu)化尿素溶液噴槍入口調(diào)閥自動調(diào)整邏輯，加入機組負荷、爐膛出口NOx變化趨勢并作為前饋信號，降低慣性系數(shù)，減小調(diào)閥大幅度流量調(diào)整，防止熱解爐內(nèi)部由于流量突變而發(fā)生的內(nèi)部溫度場大幅度變化；優(yōu)化自動調(diào)節(jié)過程中的PID（比例函數(shù)）參數(shù)，并且降低尿素母管壓力至650～700 kPa，使自動跟蹤調(diào)整及時、平穩(wěn)。

3.4 縮短清洗周期

機組負荷較低時，在NOx可控的前提下，縮短清洗尿素噴槍周期；在一次風機不超壓的前提下將熱解爐入口風量上限控制在8～9 kPa，并保持熱解爐出口溫度在395～405℃，正常運行時手動調(diào)整，保持熱解爐各噴槍流量一致。

采取上述優(yōu)化控制措施后，機組運行期間未發(fā)生環(huán)保指標均值超限情況（＜50 mg/m3）。按照該電廠所在區(qū)域上網(wǎng)標桿電價0.259 5元/kWh、每年2臺機組因環(huán)保指標造成負荷迫降折算年利用小時數(shù)約10 h計算，每年增加收益約175萬元。

4 尿素熱解制氨脫硝系統(tǒng)對鍋爐尾部煙道設備的影響及優(yōu)化

采用尿素熱解制氨來降低煙氣NOx排放質(zhì)量濃度，生產(chǎn)過程中易發(fā)生自動控制誤差過大、人為操作失誤以及表盤指示變化時未能對參數(shù)進行有效控制、未定期統(tǒng)計監(jiān)視參數(shù)的變化等情況，日積月累對尾部煙道的空預器、引風機等設備造成安全影響。

4.1 空預器

尿素熱解制氨脫硝系統(tǒng)對空預器的影響主要表現(xiàn)在空預器堵塞，原因是脫硝噴NH3不均勻，NH3逃逸率大。尿素溶液噴槍性能不均勻，尾部煙道噴NH3不均勻，不能與整個截面NOx質(zhì)量濃度分布相匹配，造成NH3逃逸增加空預器發(fā)生堵塞、引風機葉片結垢。針對此問題，提出以下優(yōu)化措施。

4.1.1 低負荷采取單列風機運行

根據(jù)某電網(wǎng)消納新能源（風、光電源）要求，火電機組應進行深度調(diào)峰配合電網(wǎng)的潮流；電力企業(yè)鍋爐一般帶有40%～100%BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力工況）負荷調(diào)峰能力，在深度調(diào)峰的大背景下，機組低負荷的運行小時數(shù)會不斷增加，發(fā)生NH4HSO4沉積的可能性亦會大幅增加。在機組低負荷運行時，通過停運半側(cè)送/引風機的運行方式來提高空預器的排煙溫度以消除NH4HSO4沉積，同時在低負荷停運送風機也可降低廠用電率，提高排煙溫度也使鍋爐效率下降大約0.3%[6]。

4.1.2 提高空預器入口風溫

在高負荷情況下，調(diào)節(jié)風機入口暖風器的蒸汽流量來提高空預器入口冷風溫度消除NH4HSO4沉積。通過調(diào)節(jié)暖風器的蒸汽流量，來增加空預器入口一、二次風溫，在夏季暖風器也可保持連續(xù)運行。

4.1.3 增加高壓水吹灰裝置

增加高壓水吹灰裝置（雙介質(zhì)吹灰器），當空預器煙氣側(cè)差壓達到設計值150%左右時，對空預器冷端進行熱態(tài)離線高壓清洗[7-8]，NH4HSO4在160～175℃時處于液態(tài)，清洗相對容易。

通過運行數(shù)據(jù)建模分析，合理控制尿素溶液噴量、精準調(diào)整NH3流量平衡裝置，避免了尾部煙道發(fā)生局部或整體過量噴NH3。

4.1.4 工程設計優(yōu)化

空預器蓄熱元件技改為熱端和冷端2部分，把冷端高度增加到1100～l200 mm，確保全部NH4HSO4在冷端蓄熱元件完成凝結和沉積。同時冷端換熱元件采用表面光潔，易于清洗的搪瓷涂層元件，這種材料可隔斷腐蝕物與金屬間的接觸。

4.2 引風機

目前燃煤機組尾部煙道增設脫硝SCR反應器、低溫省煤器等設備，造成煙氣管道阻力增加600～800 Pa。在機組正常運行過程中，NH3逃逸率超出設計值，尤其是在低負荷時NH3逃逸率進一步增加，造成引風機葉片硫酸銨鹽沉積，改變引風機的性能曲線。管道阻力的增加和風機性能曲線的改變很可能將風機運行工況落在不安全區(qū)域[9-12]，出現(xiàn)引風機搶風、喘振等不安全問題，同時引風機的出力下降會造成廠用電率升高，影響機組經(jīng)濟性。

運行過程中需增加鍋爐省煤器出口水平段煙道積灰情況的檢查，不斷優(yōu)化本段輸灰系統(tǒng)的順序控制策略。某電廠輸灰系統(tǒng)省煤器出口水平段輸灰順序控制策略為7次/h（相當于間隔2.4 min對8個灰斗整體輸送1次），發(fā)現(xiàn)水平段積灰清除不徹底，煙氣飛灰含量高，經(jīng)優(yōu)化后按照順序控制時間折算9次/h，大幅度減少煙道積灰并降低了煙氣灰質(zhì)量濃度，避免發(fā)生引風機葉片硫酸鹽結垢、搶風等不安全現(xiàn)象。

5 建議

本文通過對尿素熱解制氨脫硝系統(tǒng)發(fā)生的故障進行分析，并結合運行情況、調(diào)整試驗提出控制優(yōu)化建議。

（1）建議做好脫硝尿素熱解爐設計裕度的充分論證，防止熱解爐內(nèi)溫度場無法達到設計值，造成尿素液滴在熱解爐出口及噴槍頭部位黏附結晶。在噴槍區(qū)域及熱解爐出口區(qū)域增加熱解爐溫度測點，保證運行人員對熱解爐內(nèi)溫度場的精準掌握；定期對尿素熱解爐噴槍調(diào)節(jié)特性進行校對，降低NH3逃逸率和機組負荷迫降次數(shù)。

（2）建議在機組峰谷期，風煙系統(tǒng)采取單列運行方式，將空預器出口溫度提升至230℃左右運行，消除NH4HSO4對空預器進出口差壓的影響。同時差壓超設計值1.5倍時，要考慮進行高壓熱態(tài)離線沖洗，提升機組的運行小時數(shù)。

（3）根據(jù)機組運行灰量，定期對鍋爐煙道出口水平段輸灰控制進行順控優(yōu)化，及時輸灰、降低煙氣灰質(zhì)量濃度，減少過量噴NH3對空預器、引風機等設備的影響。

（4）工程基建期應充分考慮空預器的冷端和中溫端合并增加高度在1100～1200 mm且采用搪瓷涂層元件，保證NH4HSO4在搪瓷元件上沉積，同時方便檢修更換和清洗。