姜波
（广州中电荔新热电有限公司 广东广州 51340）
摘要：尿素水解制氨系统及SCR烟气脱硝系统的正常稳定运行关系到净烟气出口NOX浓度的排放是否达标。运行中无论哪个环节出现问题都将影响最终净烟气NOX浓度的排放，针对在运行中出现的污染除盐水、氨气带水、喷氨分管堵塞、氨气管道伴热效果差等问题进行分析，从整体制约因素、设备特性、操作方法等方面入手，分析整个系统中各问题的因素，并根据设备实际情况，提出了相应的控制以及解决方案，确保系统安全可靠运行。
关键词：脱硝 运行 分析 对策
0引言：目前在各火力发电厂烟气脱硝技术主要有SCR 和SNCR。两种烟气脱硝技术还原剂均可为液氨、氨水及尿素，液氨属于危险品，目前发展到今天为了安全方面考虑多数电厂逐渐认可尿素用于还原剂，尿素作为还原剂制氨主要有热解与水解两种方式。尿素水解制氨系统因其安全、稳定、可靠、运行费用低，逐渐成为尿素制氨系统的主流技术。
本文针某电厂使用的由四川晨光工程设计院设计安装的尿素水解制氨系统，从2012年投入运行到现在，在运行中逐渐暴露出的一些问题，进行分析及提出解决方案。
1某电厂330MW热电联产尿素水解制氨脱硝系统简介
1.1 尿素水解制氨系统
尿素水解反应是尿素合成反应的逆反应。利用这个原理将尿素水解就可以制得气氨，同时产生气态二氧化碳，其反应式为：
CO(NH2)2+H2O = 2NH3+CO2
尿素溶液是亚稳性的，在60℃以下，分解速度几乎为零，至100℃左右速度开始提高 ，在145℃以上尿素的水解速度急剧的加快。尿素的水解率随温度升高而增大，随停留时间的增加而增大。尿素的水解率还与溶液中氨含量和尿素溶液的浓度有关：氨含量高的尿素溶液较氨含量低的尿素溶液的水解率低，溶液中尿素浓度低则水解率大。
1.2 SCR脱硝系统
该厂脱硝系统采用选择性催化还原法（SCR）脱硝工艺，高灰型SCR布置方式（即SCR反应器布置在锅炉省煤器出口和空气预热器之间），不设旁路。每台锅炉机组配置1套氨稀释系统，#1、#2机组分别设置两台稀释风机，一运一备，稀释风取自锅炉热二次风联络母管。SCR反应器设计成烟气竖直向下流动，反应器安装蒸汽吹灰装置。脱硝采用蜂窝式催化剂，催化剂3层布置，还原剂采用氨气，氨气采用尿素深度水解方法制备，氨气喷入温度约310℃～420℃的烟气中，在催化剂(TiO2)作用下，将NOX还原成N2和H2O。
2 运行中出现的问题分析
2.1 尿素溶液污染除盐水
该厂在某次停运尿素水解制氨系统系统过程中，发生尿素溶液污染除盐水系统事件，主要原因是运行人员在停运尿素水解制氨系统时，对氨气管道进行除盐水冲洗后，没有关闭除盐水冲洗水门，导致再次启动系统运行后由于尿素溶液运行压力高于除盐水压力由此冲洗水门倒灌至除盐水系统，从而造成除盐水受到污染。（尿素溶液压力在1.0~1.1Mpa之间，除盐水压力在0.4Mpa左右），另外一个原因是除盐水系统直接与尿素水解制氨系统连接，中间没有有效隔离。
2.2 氨气带水
尿素溶液充分水解后的产物应为气态的NH3、CO2和H2O的混合物。该厂尿素水解的设计值为尿素溶液浓度为15%，尿素水解产物压力为1.3MPa、温度为168℃。按此计算，水蒸气冷凝温度为184℃，已高于168℃，则会出现水蒸气的冷凝，目前实际的尿素溶液浓度约为20%，运行压力为1.2MPa，则对应的水蒸气冷凝温度为178℃，仍然会出现水蒸气的冷凝。目前炉前的运行数据为压力1MPa，对应的水蒸气冷凝温度为170℃，而实际温度只有110~140℃，会出现大量的水蒸气冷凝，进而导致尿素喷射系统的堵塞及尿素流量计的故障。尿素喷射系统易堵塞会导致反应器出口NOX的偏差。
2.3 伴热管道效果差
由于该厂尿素水解制氨系统设备区域远离锅炉因此造成氨气管线线路长，不可避免会造成在氨气输送过程中有比较大的热损失。该厂初设计沿氨气管道铺设蒸汽伴热管道并包裹在同一保温层内，以达到氨气在送至锅炉喷氨调整门前温度下降不大的目的。但在实际运行中证明这种伴热方式效果不明显，不能有效降低氨气温度的热损失。
2.4 喷氨管道堵塞
来自稀释空气系统的氨/空气混合气体，经A、B侧母管上的18个支管，喷入SCR反应器的入口烟道中。每个支管上均配有一个手动蝶阀，可以在初始运行阶段根据烟气工况进行手动调节，使每个喷嘴喷入的氨流量与其覆盖区域的NOX浓度匹配。由于此手动蝶阀内部阀杆中间是凸起设计，占整个支管流通面积的三分之一，氨气未达到饱和状态以及一定的热损失后带水量大，再加上锅炉热二次风来的稀释风源内有一定量的灰尘，在长时间运行后灰水混合体在阀杆中间慢慢累积，最终导致整个喷氨分管完全堵死，另外灰水的混合体还会在管道弯头部位慢慢累积导致管道堵塞情况出现，从而影响到反应器出口NOX出现偏差，当需要进行调整时，如果堵塞管道多出现在A侧各分管中，A侧将不能有效降低出口NOX浓度，势必要开大B侧调整门进行大量喷氨，B侧开大后会造成喷氨过量，氨逃逸明显上升，喷氨过量又会导致空气预热器压差升高，整个系统将不断恶化下去。
干净的喷氨管道与堵塞的喷氨管道对比如下图：
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3运行中出现的问题解决方案
3.1 尿素溶液污染除盐水解决方案
原尿素水解系统除盐水由除盐水母管直接接入，用于系统内蒸汽减温减压，配置尿素溶液和管道冲洗。现为防止管道冲洗时尿素溶液和氨气倒流至除盐水系统，同时对系统进行一定的优化，对尿素水解制氨系统除盐水进行如下改造：
增加除盐水箱(ф1600mm×H=3000)，除盐水箱出口设置稳压泵，供尿素水解区内蒸汽减温减压和管道冲洗。
取消原除盐水加压泵，由稳压泵提供减温水压力，避免因除盐水加压泵需保持最小流量而经常要现场手动调节。
原除盐水主管道保留，并在尿素溶解罐入口加装电动门，便于运行操作。
改造后将提高系统的稳定性以及防止了尿素溶液和氨气倒流至除盐水系统中，同时实现以下几点功能：
除盐水箱进水由远程控制(控制系统接到环保控制系统中)，补水系统由液位自动补水，补水系统分为三点液位控制，最底点为系统保护点，水位至此点时水泵控制电源断开（无法启动系统），当水位至中点时系统自动恢复；中点为缺水点，水位至此点时补水电动阀自动打开补水；最高点为满水点，水位至此点时补水电动门自动关闭。
稳压泵提供减温水所需压力（约1.3MPa），所需减温水量由减温水调整门自动调节。
除盐水至尿素溶解罐加装电动门，实现尿素溶解罐进水远程控制。
改造前后系统图对比：
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3.2 氨气带水的问题解决方案
尿素溶液在水解器内反应好坏与以下几个方面有关：
温度影响：尿素水解过程是吸热反应，故提高温度对平衡反应有利，尿素水解速率在145℃以上有剧增趋势。
尿素浓度影响:如果尿素溶液浓度低，则水解率大，但水解量并不多，相反溶液浓度高，水解率小，但水解量大。通过计算及实验证明，尿素溶液浓度为50%（质量浓度）最适宜脱硝尿素水解工况。
停留时间的影响:停留时间越长，尿素水解率越高，停留时间已经在成套尿素水解设备设计时进行过严格计算。
该厂原设计值为尿素溶液浓度为15%，尿素水解产物压力为1.3MPa、温度为168℃。按此计算，水蒸气冷凝温度为184℃，已高于168℃，则会出现水蒸气的冷凝。目前实际的尿素溶液浓度约为20%，运行压力为1.2MPa，则对应的水蒸气冷凝温度为178℃，仍然会出现水蒸气的冷凝。目前炉前的运行数据为压力1MPa，对应的水蒸气冷凝温度为170℃，而实际温度只有110~140℃，会出现大量的水蒸气冷凝，目前国内尿素水解系统的典型设计参数和该厂有很大区别，最新研究设计尿素溶液浓度为40~60%，压力为0.45~0.7MPa，温度为140~160℃。以浓度为50%、压力为0.6MPa计算，对应的水蒸气冷凝温度仅为128℃。可见，如能增加尿素溶液浓度并降低系统运行压力，可有效解决水蒸气冷凝的问题。2018年1月该厂对水解器进行升级换代改造完成，目前运行良好。
3.3 伴热管道效果差的解决方案
3.3.1加装蒸汽加热器
在炉前气氨管道加装列管式蒸汽加热器，利用辅汽加热气氨，将气氨温度提高至170℃,加热器疏水直接引至定排扩容器，加热器采用卧式布置于#2炉五楼平台。加热器管程流经的介质为气氨，壳程流经的介质为辅汽。炉前A、B侧气氨管先并联经变径管接入蒸汽加热器装置，经加热后由不锈钢管座引出后接入原气氨管路分A、B侧接入稀释风管中。蒸汽加热器进出口均安装手动门，并设置旁路，便于蒸汽加热器出故障时可解列检修。蒸汽式加热器设计压力为1.6Mpa，试验压力为2.0Mpa，设计温度400℃（壳程）/200℃（管程），蒸汽式加热器尺寸为φ516×3600，蒸汽式加热器外壳壁厚为8mm。
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3.3.2氨气管道及伴热管道改造
原系统设计氨气管道与蒸汽伴热管道为两条平行相邻管道，利用蒸汽管道的辐射热能伴热氨气管道以避免氨气温度的热损失。现改造为夹套管道，夹套管中间管路介质为水解器的产品气（气氨），夹层介质为蒸汽，利用蒸汽作为气氨管路的伴热热量来源，对沿途气氨管路进行充分加热，确保水解器出口到锅炉炉前温度不下降，从而保证气氨的过热度，减少蒸汽回凝，保证其伴热效果。目前该厂已改造完成，从运行数据来看可以起到明显效果。
3.4 喷氨管道堵塞的解决方案
喷氨管道堵塞后会造成喷氨不均现象，导致氨逃逸过大；出口NOX浓度调整困难，管道堵塞后在运行中并没有什么办法处理，只能停止脱硝系统来进行清理，但停止运行后净烟气NOX浓度无法有效控制，在越来越严格的环保形势下，势必机组一起停运。
为了不影响机组正常运行，能在运行中进行清理堵塞管道进行以下改造：在两台炉的脱硝喷氨A、B侧母管上设置喷氨临时母管和分管，当主管路发生堵塞时，打开临时母管和分管，保证脱硝系统的正常运行。原系统是由来自稀释空气系统的氨/空气混合气体，经A、B侧母管上的18个支管，喷入SCR反应器的入口烟道中。本技术方案为在现有的脱硝母管上设置临时母管道并加装手动蝶阀，临时母管上开9个孔，分别用管道接入到烟道上原有的9个测试孔，并增加喷嘴尽量维持喷氨的均匀性。该厂在正常运行中当母管风压达到9.0kpa时，判断为原母管、分管有堵塞，需要清理，此时只需将手动蝶阀打开，氨气混合气通过临时母管、分管进入到烟道内进入SCR，完成脱硝过程。同时关闭原母管手动门，进行有效隔离后，可以交由检修人员进行管道清理工作，这样在不影响脱硝系统正常的情况下，既可以保证净烟气出口NOX浓度的排放，又可以对堵塞管道进行清理，从而可以保障机组正常运行。
4结语
尿素水解制氨脱硝系统运行好坏直接关系到机组净烟气NOX浓度的排放及机组的经济效益，本文主要围绕火电机组尿素水解制氨脱硝系统在运行中所出现的问题进行分析并提出解决方案，针对对运行中出现的不同问题，通过查阅相关资料，结合设备实际特性，找出影响安全运行的问题因素和环节，并针对这些因素和环节提出了相应的控制措施，结合实际操作从系统的运行状态、现场设备的运行方式等方面进行了论证，给出了正确的应对措施，通过这些措施在实际运行中的应用，目前该厂尿素水解制氨脱硝系统运行良好，新水解器运行稳定，可以满足两台机组不同负荷下的各种工况，通过对水解系统进行改造，增加尿素溶液的浓度并降低系统运行的压力。同时加上改造的夹套管氨气伴热系统以及氨气蒸汽加热器，有效解决了炉前水解产物大量带水造成喷氨管道堵塞的问题。通过在实际运行中的检验，证明所提出解决方案和措施有效，使尿素水解制氨脱硝系统能更加安全稳定的运行。
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作者简介：
姜波（1984-2），男，助理工程师，主要从事火力发电厂环保运行及管理工作。