燃煤火电厂脱硝系统尿素热解炉及喷氨格栅堵塞原因分析及处理

GXF360 2019-11-10

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SCR脱硝还原剂主要有尿素、液氨和氨水。尿素是一种稳定、无毒的固体物料,与液氨和氨水相比较更便于运输与储存,且没有强腐蚀性。尿素制氨工艺有水解法和热解法〔1〕。理论上热解法不易产生中间聚合物,且喷入烟道的氨气温度约为300℃,对SCR装置入口烟气温度的影响很小〔2〕,不会出现堵塞。但实际采用尿素热解工艺的燃煤发电厂脱硝系统经常出现热解炉及喷氨格栅堵塞情况,严重影响系统的运行与NOX的达标排放。

1 工艺与系统简介

华中某电厂2×660MW超超临界燃煤机组,脱硝系统采用选择性催化还原法 (SCR)脱硝装置,在设计煤种、锅炉最大连续出力工况 (BMCR)下脱硝装置入口 NOx浓度 330mg/Nm3(6%含氧量,干基),2+1层板式催化剂条件下脱硝效率不小于85%。其还原剂为氨,氨制备工艺为尿素热解法,其工艺流程为：将尿素颗粒由斗式提升机输送到溶解罐里,用去离子水将干尿素溶解成50%质量浓度的尿素溶液,通过尿素溶液输送泵输送到尿素溶液储罐;尿素溶液经由输送装置、计量分配装置进入热解室内,与经电加热器加热后的热一次风混合热解,生成NH3和CO2。热解室内主要反应式〔3〕：

在催化剂的作用下,NH3选择性地与烟气中的NO和 NO2反应生成 N2和 H2O,从而去除烟气中的NOX,达到脱硝的目的。催化剂内主要反应式：

华中某电厂SCR系统是配套机组新建的系统,且其热解炉及喷氨格栅管道经常发生堵塞情况,因此被选为试验分析机组。

2 情况调查与分析

2018年1月9日,华中某电厂1号机组总排口NOX浓度超标,SCR系统加大尿素溶液供给量后,NOX浓度没有变化,停机后对热解炉进行检修,发现热解炉内结晶严重,且有大量的积灰。1月15日检修完成后启机,总排口NOX仍然不能达标排放,检查各喷氨格栅支管法兰连接处,发现烟道两侧喷氨管道存在严重积灰结垢现象。

2.1 喷氨管道堵塞

对比2017年7月1日与2018年1月16日DCS历史数据,见表1。

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2017年7月1日与2018年1月16日机组负荷、脱硝进口氮氧化物浓度均相差不大。由表1可知：①热一次风提供的稀释风量减小,热解炉侧热一次风压变大。而热解炉在停机期间已经经过清灰处理,可推断喷氨格栅处部分堵塞;②在机组负荷、脱硝入口NOX浓度均相差不大的工况下,2018年1月16日相比2017年7月1日尿素溶液供给量更大,总排口NOX浓度更高,且加大尿素溶液供给量,机组总排口NOX浓度无明显变化,SCR反应区出口氨逃逸大。推断部分喷氨格栅管道已堵塞,未堵塞的喷氨格栅区域喷氨过量。

由于氨与稀释风混合气体温度有330℃,现场可根据温度推断各喷氨格栅支管及母管堵塞情况。现场用点温枪对1号机组喷氨母管及48根支管的温度进行测试。背对锅炉从A、B两侧SCR反应器的中间向两侧对喷氨格栅支管分别以A1至A24,B1至B24进行编号。测试结果见表2,发现：①其中有24根喷氨支管的温度与环境温度接近,可推断这24根支管存在堵塞或完全堵塞;②A、B烟道斜边上方6根喷氨支管及相应的母管温度测试值接近环境温度,说明这6根喷氨支管及其母管存在堵塞或完全堵塞。

表1 脱硝系统DCS历史数据对比

项目 2017年7月1日2018年1月16日负荷/MW 650 650进口 NOX/(mg·m-3) 300～320 300～320总排口NOX/(mg·m-3) 22 34热解所需稀释风量/(m3·h-1) 5 600 5 087热解炉侧热一次风压/kPa 8.77 9.45尿素溶液/(m3·h-1) 0.34 0.46热解炉出口温度/℃ 353 345出口逃逸NH3/ppm 1.6 6.9

表2 A、B烟道喷氨支管温度测试数据 ℃

注：测试时环境温度为12℃,标记 “∗”表示测点温度与环境温度接近。

A烟道B烟道测点温度测点温度测点温度测点温度测点温度测点温度A1∗ 18 A9 121 A17 62 B1 107 B9 88 B17∗ 17 A2 88 A10 83 A18 66 B2 98 B10∗ 21 B18∗ 21 A3 106 A11 117 A19∗ 16 B3 99 B11 90 B19∗ 21 A4 100 A12 125 A20∗ 23 B4∗ 21 B12∗ 29 B20∗ 17 A5 116 A13 89 A21∗ 17 B5 96 B13 80 B21∗ 16 A6 109 A14 98 A22∗ 15 B6 98 B14∗ 25 B22∗ 17 A7 102 A15∗ 19 A23∗ 14 B7∗ 20 B15∗ 22 B23∗ 16 A8 112 A16 64 A24∗ 13 B8∗ 27 B16∗ 17 B24∗ 16

关闭喷氨格栅支管手动调节阀,检查手动调节阀至烟道间的喷氨支管,发现堵塞情况跟温度测试判断的堵塞情况一致。喷氨支管堵塞如图1所示,造成堵塞的灰样如图2所示。

图1 喷氨支管堵塞

图2 造成支管堵塞的松散灰样

分析运行过程情况与SCR系统结构,得出导致喷氨格栅管道堵塞的原因包括：

1)SCR烟道与反应器结构如图3所示,从图3中可知SCR入口烟道存在变径结构,这导致喷氨格栅处烟道的烟气流场分布不均。喷氨格栅区域烟气速度分布如图4所示,从图4中可知：烟道斜边上方烟气流场小,相应的负压小,造成对应位置的喷氨格栅自净送灰能力小,积灰堵塞严重。且A、B两侧趋势非常一致,这与A、B两侧喷氨支管堵塞情况一致相对应。

原题：The 2011 MW9.0Tohoku earthquake：Comparison of GPS and strong－motion data

图3 SCR烟道与反应器结构

图4 A、B两侧喷氨格栅区域烟气速度分布

2)在SCR进口风道截面上,根据流场分布,中间NOX含量较高两边较低,特别是斜烟道上方位置流速特别小,NOX含量很低。而A、B两侧喷氨支管阀门均为全开,即烟道两侧位置存在氨过喷现象。为了满足达标排放,运行处理方式为加大尿素热解量,尿素量大,入热解炉前雾化效果差,尿素在热解炉内没有完全热解,大的结晶颗粒在热解炉出口沉积堵塞,小结晶颗粒随热一次风进入喷氨格栅,在调节阀前及格栅管道内沉积堵塞。

同时,在SCR运行过程中,入口NOX长时间超过设计值330 mg/m3,为了达标排放,运行处理方式同样为加大尿素热解量 (超过热解炉热解负荷),造成尿素热解不完全,引起热解炉出口及喷氨格栅处沉积堵塞。

3)SCR稀释风是由热一次风提供,热一次风含尘量大,也是造成喷氨格栅堵塞的重要原因之一。

2.2 热解炉结晶堵塞

2018年1月9日,总排口NOX浓度超标,加大尿素溶液供给量,NOX浓度没有变化,查看DCS画面,发现热解炉画面各压力测点异常。对就地压力表计检查,发现各压力测点堵塞,经过清灰处理,DCS画面压力、流量点位恢复正常,但是仍存在热解炉压降过大的现象。停机后打开热解炉出口人孔门,发现热解炉出口被白色块状生成物堵塞。

ABA和GA3在生理代谢上是相互联系，均从甲羟戊酸通过光敏色素系统转变而来，一般长日照有利于形成GA3，短日照有利于形成ABA。GA3可以逆转ABA的抑制作用，ABA和GA3对休眠和萌芽可能具有协同和负反馈调节作用。虽然在个别种类激素的作用上存在分歧，目前多数研究结果还是支持植物生长抑制物质与生长促进物质共同作用、决定及调节植物休眠这一理论，即当某种因子相对占优势时，就表现该因子所控制的生理生化变化。

分别在该尿素热解炉、喷氨格栅和喷氨支管阀门处采集沉积样品,采用电感耦合等离子体光谱仪对其进行元素分析,采用热重分析法 (TG)分析其热稳定性,采用傅立叶变换红外光谱对样品的官能团进行表征,采用气相色谱-质谱仪对样品进行定性分析〔4〕。分析结果 (表3、表4) 表明：①热解炉和喷氨格栅沉积物主要是由三聚氰酸、其他三聚氰酸一酰胺或三聚氰酸聚合物组成,喷氨支管阀门采样点样品中缩二脲和三聚氰酸的含量分别为65.4%和26.7%,其余为三聚氰酸聚合物;②各采样点不溶物为黄色粉末固体,热解炉处沉积物样品中具有较高比例的不溶物,喷氨格栅和喷氨支管阀门处沉积物样品水溶性较好。

表3 溶解性及重结晶试验结果

溶解性重结晶样品取样点称样量/g不溶物含量/% 不溶物外观称样量/g重结晶量/%热解炉 0.613 2 25.4 黄色粉末固体 5.0 47喷氨格栅 0.625 3 8.7 黄色、青色固体 5.0 41喷氨支管阀门0.378 2 1.26 黄色粉末固体 / /

表4 各样品成分分析 %

样品缩二脲含量三聚氰酸含量相对偏差热解炉样品 / 73.2 2.1喷氨支管阀门样品 65.4 26.7 3.0喷氨格栅样品 / 83.1 0.4

查看SCR运行记录,发现因入口NOX长时间超过设计值330 mg/m3,以及为达到超低排放的要求,运行的处理方式都是加大尿素热解量 (超过热解炉热解尿素量)。每当出现这种情况后,热解炉的压降就呈现逐渐上升趋势。热解炉超负荷运行造成尿素热解不完全而生成三聚氰酸与三聚氰酸聚合物,引起热解炉出口及喷氨格栅处沉积堵塞。

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3 预防措施与建议

3.1 喷氨管道堵塞

1)对SCR系统进行烟气流场模拟,根据模拟结果调节入口烟道处烟气导流板的角度,对脱硝系统喷氨格栅前的烟道流场进行优化,使SCR入口流速偏差小于15%,提高SCR脱硝反应器入口氨氮分布均匀性及喷氨格栅出口流场均匀性。

2)进行喷氨优化试验,通过对脱硝出口烟道截面的NOX含量的测量,合理地调节喷氨格栅支管上手动阀门开度,调整入口烟道断面各区域的喷氨量,使得尿素热解量接近该NOX浓度下所需尿素的理论值,减少尿素的使用量。

3)建议对尿素热解法制氨系统控制和喷氨格栅氨气量平衡控制进行优化调整,提高自动控制品质,减少过调或者调节滞后。

3.2 热解炉堵塞

1)定期对脱硝尿素计量模块雾化气系统、喷枪进行检查, 清理〔5〕。

2)停机后,对喷枪进行雾化模拟试验,检验喷枪雾化效果,计量模块中喷枪雾化空气压力不低于0.55 MPa,确保尿素充分雾化、热解,减少尿素溶液附着热解炉壳体。

3)对热解炉出口、弯头处人孔门、热解炉喷枪处及热解炉电加热器下方人孔等裸露处加装或加厚保温材料,使保温材料外部温度降至50℃以下,减少热量散失。

化合物 3A10：质谱 ESI／MS（negative mode），m／z 250，［M－H］－。 1H NMR（500 MHz，CDCl3，TMS），δ为7.22～7.24（m，2H），7.00（t，J＝8.5 Hz，2H），5.83（br.s，1H，NH），4.39 （d，J＝6.0 Hz，2H），2.19 （t，J＝7.5 Hz，2H），1.62～1.65 （m，2H），1.26 ～1.32 （m，8H），0.87 （t，J＝7.5 Hz，3H）。

4)控制热解炉出口温度,正常控制在340～350℃,最低控制不低于330℃运行,保证尿素热解反应完全,避免因尿素热解不完全结晶物的生成,堵塞热解炉。

出险理赔阶段，在台风等恶劣自然灾害来临前，承包商还应做好相关防台工作，这即是履行保险合同义务，也是防止损失的最好途径，毕竟没有损失才是最好的理赔。防台加固后应拍照留底，以便出险后能够前后对照及时说明损失情况。出险后，被保险人应及时保护损失现场，并收集相关损失工程量及单价证明资料，提供的资料越详细，越有助于保险公估的核损，缩短理赔时间，使得承包商资金能够得到及时的补偿。

3.3 系统运行建议

1)燃烧方面尽量保证煤粉集中燃烧,保证煤粉浓度,制粉系统尽量集中不分散燃烧;配风方面,在保证二次风与炉膛差压大于400 Pa的前提下开大上层高低位燃尽风,关小燃烧区域的二次风,在保证锅炉燃烧效率的同时,降低入口NOX浓度。

2)出口NOX浓度控制40～45 mg/m3,机组负荷、燃烧工况稳定时,严格控制喷氨量不超过0.35 t/h;负荷急剧调整前,手动进行喷氨调整,缓慢增加喷氨量,喷氨量最大不超过0.48 t/h,防止喷氨调门自动未跟上负荷调整,导致喷氨调门大开大关,使得喷氨量过喷。

3)每班巡检对喷氨计量模块雾化空气运行状态进行检查,定期检查压缩空气品质,保证压缩空气清洁。同时关注压缩空气流量值,出现低流量报警时,及时退出该尿素喷枪运行,对压缩空气管道进行检查。

4)运行人员每班对喷氨格栅手动进行测温检查,测量温度低于80℃,说明该支管有堵塞,应联系检修进行清灰处理。

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5)确保配置的尿素溶液浓度达到设计值1 140 kg/m3,尿素溶液温度控制在50～60℃。

6)机组启动过程中,对尿素溶液管道冲洗,冲洗水进热解炉时,各项工况及参数应与正常运行时一样,确保冲洗水充分雾化、蒸发。当热解炉出口温度达到最低温度330℃后延时30 min,方可喷入尿素溶液。

图7比较了携带不同拓扑荷数(l=0，2，4和6)的贝塞尔高斯涡旋光束(图7(a))和单环拉盖尔高斯涡旋涡旋光束(Laguerre-Gaussian beam，LGB)(图7(b))在各向异性湍流大气中光束抖动效应的差异.湍流大气中涡旋光束的光束抖动效应明显弱于非涡旋光束(l=0)，且光束抖动效应随着拓扑荷数的增大而减小.这是因为随着拓扑荷数的增大，涡旋光束的光束宽度随之增大，光斑尺寸的增大导致了其抖动效应随之减弱.比较图7(a)和图7(b)，发现相同情况下贝塞尔高斯涡旋光束的抖动效应在远距离处要高于拉盖尔高斯涡旋光束.

7)机组停运时,脱硝系统退出后,对尿素溶液管道冲洗,冲洗水进热解炉时,热解炉各工况及参数应与正常运行时一样,延时30 min后,停加热器,确保冲洗水充分雾化、蒸发。

8)定期对尿素喷枪进行雾化试验,观察雾化效果,保证尿素喷枪的雾化效果。机组停运后,需对热解炉内部、喷氨格栅各支管进行全面检查、清灰。