1、电厂 SCR 热解炉尿素结晶的分析与对策摘要：电厂 SCR 脱硝系统热解炉尿素结晶会导致整个脱硝系统无法正常运行，本文介绍了我厂 3 号机组脱硝系统流程，并以我厂 3 号机组脱硝系统热解炉尿素结晶为案例，分析了 SCR 尿素热解炉尿素结晶的原因，提出了对系统设计、流场控制、设备选型、运行参数及日常维护方面的改进措施，以期对热解炉尿素结晶的现象进行有效地预付和提供有针对性的对策。 关键词： SCR；脱硝改造；热解炉；尿素结晶；分析与对策 中图分类号： F407.6 文献标识码： A 1 前言 随着国家环保部门对电力污染治理要求的不断提高，依据最新火电厂大气污染物排放标准 GB132232011规
2、定要求，2003 年 12 月 31日前投运或通过审批的机组氮氧化物排放浓度不得大于 200mg/Nm3，之后的现役或新建机组氮氧化物排放浓度不得大于 100 mg/Nm3，作为环首都北京的重点区域，我厂自 2011 年开始逐步实施了 8 台机组的烟气脱硝改造工程。 目前在世界上有成熟应用业绩的脱硝方法主要分为两类，分别为燃烧中脱硝和燃烧后脱硝。燃烧中脱硝主要为低氮燃烧技术，它具有投资少，建设周期短等优点，但其脱硝效率较低，一般在 40%以下，另外受工况变化的影响较大。燃烧后脱硝有成熟应用的技术可分为 SCR 和 SNCR 技术，其中 SCR 技术具有脱硝效率高，还原剂消耗少、脱硝性能稳定等优
3、点，是目前世界上应用最多的技术之一。经过详细的经济、技术比较，我厂脱硝改造工程采取了低氮燃烧器+SCR 相结合的方式。 23 号机组脱硝系统简介 大唐国际张家口发电厂 1-8 号 300MW 机组之 3 号锅炉为东方锅炉股份有限公司生产的 1025t/h、亚临界、一次中间再热、自然循环、平衡通风、固态排渣、汽包型锅炉。采用三分仓回转式空气预热器，平衡通风, 摆动式燃烧器，四角切园燃烧, 制粉系统采用 HP803 中速磨正压直吹冷一次风机系统。 我厂 3 号机组 SCR 法烟气脱硝工艺，由清华同方环境股份有限公司提供，引进意大利 TKC 公司技术，结合清华大学热能系多年来在 SCR 烟气脱硝技术
4、方面的研究，为本工程提供优化设计。脱硝设施布置在 3 号炉后与电除尘器之间，反应器布置在锅炉省煤器和空预器之间，脱硝系统不设置烟气旁路和省煤器高温旁路系统。在完成低氮燃烧器改造后， SCR 入口 NOx 浓度可控制在 450mg/Nm3 以下，SCR 区按 3 层设计（2+1 形式） ，初装 2 层催化剂后可保证在锅炉任何工况处理 100%烟气量条件下，脱硝效率不小于 80。吸收剂原料为尿素，采用热解法制备氨气。保证烟气出口氨的逃逸率不大于 3ppm，SO2/SO3 转化率小于 1%，在催化剂附加层未投运前，从脱硝装置入口到出口之间的系统压力损失不大于800Pa（SCR 烟道阻力不大于 450
5、Pa） 。在满足 NOx 脱除率、氨的逃逸率及SO2/SO3 转化率的性能保证条件下，可保证 SCR 系统能够在最低连续运行烟温 300，最高连续运行烟温 420条件下正常投运。脱硝系统主要包括：烟气系统、SCR 反应器本体、尿素储存供应系统、尿素热解系统、氨计量分配系统、废水回收系统。 3 尿素热解技术简介 尿素制取氨通常有两种方法：热解和水解。水解法是将尿素以水溶液的方式进行分解。热解法是将直接快速雾化后的尿素溶液进行分解。我厂 3 号机组脱硝系统采用了 NOXOUT ULTRA 方法。NOXOUT ULTRA 方法是美国燃料公司（Fuel Tech Inc）尿素热解制氨工艺的注册名称。
6、3.1 尿素的性质 3.1.1 尿素的物理性质 尿素的分子式为 CO(NH2)2，相对分子质量 60.06 ，为无色或白色针状或棒状结晶体，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒，有刺鼻性气味。含氮量约为 46.67%。密度 1.335g/cm3。熔点 132.7。溶于水、醇，难溶于乙醚、氯仿。呈弱碱性。 3.1.2 尿素的化学性质 尿素在酸、碱、酶作用下（酸、碱需要加热）能水解生产氨和二氧化碳。尿素对热不稳定性，在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。加热至 150160将脱氨成缩二脲。若迅速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸。 （机理：先脱氨生成异氰酸（HN=C=O） ，再
7、三聚。 ）加热至 160分解，产生氨气同时变为异氰酸。 尿素易溶于水，在 20时 100 毫升水中可溶解 105 克，水溶液呈中性反应。尿素产品有两种。结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。粒状尿素为粒径 12 毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。20时临界吸湿点为相对湿度 80%，但 30时，临界吸湿点降至72.5%，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。 3.2 尿素热解工艺 尿素热解系统的主体设备包括尿素储仓、尿素溶解罐、尿素溶液储罐、尿素溶液喷嘴、热解炉和电加热器。主要的工艺流程为固体尿素溶液经溶液配置成 40%-60%的
8、尿素溶液（我厂尿素溶液浓度控制在 50%左右），混合/给料泵将尿素溶液输送至尿素溶液储罐，尿素溶液经过计量分配模块合适配量，由专门设计的喷枪喷入热解炉中，在高温下分解为氨气，热解需要的热量来源于经过加热器加热后的热一次风，分解得到的氨浓度小于 5%的氨/空气混合气，经氨气喷射格栅（AIG）喷射入烟气系统中。3.3 尿素热解工艺要求 我厂 3 号机组脱硝系统采用尿素热解制成氨气作为还原剂，热解炉由北京福泰克环保科技有限公司提供，尺寸为 2454148018mm,材质本体为 SS304 不锈钢，出口 U 型管为 Q345R，共设有 6 支喷枪。尿素热解制氨系统的分解产物中应不含有对 SCR 装置产
9、生不良影响的物质，尿素热解率 100%。进入绝热分解室的尿素溶液浓度为 4050%，分解产物中的 NH3 浓度不超过 5%。绝热分解室出口分解产物的温度不超过 400，且不低于 260，AIG 接口温度约为 260345。 43 号机组热解炉尿素结晶实例 4.1 缺陷描述 3 号炉脱硝系统自 2013 年 5 月 17 日开始试运，在 6 月 7 日投运进行内部 168 试运，6 月 12 日晚间发现热解炉一次风量大幅下降，检查测点数据正常，调整无效后判断为热解系统堵塞，于 13 日 01:01 退出脱硝系统运行，办理工作票进行热解系统检查。打开检查孔发现热解炉 6 只喷枪下部 300mm 处
10、有大量尿素结晶与灰的混合物，热解炉截面几近全部堵塞，堵塞物整体厚度 500-1000mm，呈浅灰色蜂窝状，质地坚硬，有大量白色晶质体。热解炉上、下部及均流器、滤网正常。 4.2 原因分析 经过相关人员共同探讨，检查热解炉内部、喷枪设备、DCS 数据分析后，确认热解炉尿素结晶堵塞原因： （1）一次风流量设计值为 5000Nm3/h,在整个运行期间多数时间维持在 5000-5200Nm3/h，但有部分时段处于流量偏低工况，如 6 月 10 日7:00 风量低至 4185 Nm3/h、6 月 11 日 5:00-9:00 风量低至 4200Nm3/h。 （2）第一次试运投入喷枪为 B/D/F 枪,本
11、次试运投入喷枪为 A/C/E枪,运行中均没进行喷枪增减及切换，单支喷枪流量基本在 0.05-0.15m3/h 范围内, 投运初期及 6 月 9 日 11:50 喷枪流量波动最高值0.21m3/h，单支喷枪流量偏大。 大量结晶物仅出现在热解炉喷枪下部区域，是因为热解炉内流场偏离设计值或喷嘴工作有异常所致。一次风流量偏低将造成稀释风在热解炉内分布不均，尤其是热解炉外壁侧流量偏少，喷射的尿素溶液在这种工况下很难与稀释风充分混合，就会喷射至热解炉外壁，出现尿素溶液挂壁结晶问题；喷枪流量如果偏离设定值（单只喷枪流量建议不大于0.17m3/h） ，将使尿素溶液雾化效果变差；上述两种情况都会发生结晶问题。当
12、结晶物不断累积后，将对热解炉内正常流场产生更大破坏，加上热解风内不可避免含有的灰分，造成恶性循环，会使结晶情况迅速扩大恶化，造成热解系统堵塞。 4.3 处理方案 （1）分析堵塞原因后，拆除 6 只喷枪调节短管（长约 150mm） ，重新安装后的喷枪伸进热解炉内长度增加 150mm，减少尿素贴壁附着的可能，现场试验检验喷枪喷射角度、范围正常，符合运行要求。 （2）清除全部堵塞物，确保热解炉内空气动力场均匀。本次启运热解炉时延长加热时间 2 小时以保证结晶物充分分解。 （3）运行中密切关注对运行参数的控制，确认关键参数：热解炉温度、一次风量、喷枪雾化空气压力设定值声光报警投运正常；确认联锁保护正确
13、投入。及时发现异常以便迅速处理。 （4）调整 A/B/C/D/E/F 喷枪流量阀，将流量限制在 0.17m3/h 以内，减小雾化颗粒度，保证尿素溶液的雾化分解效果； （5）热解炉喷枪定期进行抽出检查，确保雾化效果良好。 （6）为了保证热解炉内流场稳定，要保证热解炉入口有稳定的流量，保持热解一次风流量在 5000Nm3/h（500） 。 5 结束语 由于尿素在热解制氨过程中，稍有偏差便容易造成结晶，严重时会造成热解炉内部堵塞，导致脱硝系统推出运行，伴随着国家相关环保政策的收紧和脱硝电价补贴的提高，脱硝系统的退出运行会导致企业在环评和经济上的损失，因此这就需要在系统设计、流场控制、设备选型、运行参数及日常维护方面加以改进，来有效防止和控制尿素结晶现象的发生。 参考文献： GB13323-2011，火电厂大气污染物排放标准S. 迟永庆.尿素生产技术M.北京：化学工业出版社，2006 张强. 燃煤电站 SCR 烟气脱硝技术及工程应用M. 北京：化学工业出版社， 2007. 王文宗. 火电厂烟气脱硫及脱硝实用技术M. 北京：中国水利水电出版社， 2009. 杜承章，刘成.尿素热解和水解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用J.华北电力技术，2010,（6） 作者简介: 姜海峰，男， （1986- ） ，助理工程师，重庆大学材料成型及控制工程专业本科毕业，现就职于大唐国际张家口发电厂设备部
