SCR脫硝熱解爐結垢原因分析及解決方法

岳春妹++陸駿超+陳睿

摘要： 主要針對某電廠采用尿素熱解制氨工藝中出現的熱解爐堵塞結垢的原因進行分析，并提出了解決方法.通過對熱解室內沉積物成分進行分析，可以推斷熱解室下部錐管段堵塞是由尿素未完全分解產生中間聚合物造成的.為了防止尿素在熱解室內生成中間聚合物造成堵塞，需要適當提高熱解室頂部引入的高溫熱空氣溫度，使熱解室內各部位溫度保持在360℃以上，尤其是噴嘴和熱解室下部出口段溫度較低的部位.研究可為其它電廠脫硝系統運行提供參考.

關鍵詞：脫硝； 尿素熱解； 結垢； 堵塞

中圖分類號： X 701文獻標志碼： A

選擇性催化還原（Selective catalytic reduction，SCR）煙氣脫硝技術[1]在上世紀80年代初被用于電廠燃煤鍋爐低塵與高塵環境，80年代中后期在歐洲開始商業推廣.目前，世界上脫硝裝置中應用最多的還原劑有3種：液氨、氨水和尿素.火電廠SCR脫硝裝置一般在選擇還原劑時主要考慮的因素有：運輸過程和儲存是否安全；一旦發生泄漏事故可能會造成的影響（包括經濟影響、環境污染和公眾健康等）；操作許可的批復、占地、投資和系統運行費用等[2].從固定投資（包括征地與系統投資）來看，氨水、尿素制氨的氨區建設初期投資最高，液氨最低；從占地情況考慮，液氨和氨水系統的占地面積最大，尿素系統最小；從經濟性來看，液氨最好，尿素次之，氨水最差；從安全性來考量，尿素在運輸、儲存和使用中最為安全，氨水次之，液氨最差.

上海某電廠采用SCR脫硝，并采用尿素熱解制氨工藝.正常運行半年后發現尿素熱解系統的一次風流量低于報警值，進而導致整個脫硝系統停運.脫硝系統停運后，檢修人員將所有噴槍拆下進行檢查，未發現噴槍、噴嘴有堵塞，但通過觀察噴槍孔發現，在噴嘴下部約0.5 m位置有沉積物，通過敲打后掉落.打開熱解室下部錐體后發現大量白色結垢產物將熱解室下部錐管段堵塞.

1尿素熱解制氨工藝簡介

尿素又稱脲，分子式為CO（NH2）2，熔點為132.7℃.因為尿素對熱不穩定，加熱至150～160℃將脫氨形成縮二脲，若迅速加熱將完全分解為氨氣和二氧化碳[3].

熱解室內主要反應式為

該電廠尿素熱解制氨工藝為：用水將固體尿素配制成質量分數為50%的尿素溶液（需要外部加熱），然后經過給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解室.熱解室的熱源來自空氣預熱器二次風抽氣后經加熱器升溫至350℃的空氣，從熱解室頂部輸入，底部排出.霧化后的尿素液滴與熱空氣充分接觸，尿素受熱分解生成NH3和CO2.分解產物和空氣混合物由熱解室下部尾管排出，經由氨噴射系統進入脫硝煙道.在催化劑作用下，NH3選擇性地與煙氣中的NO和NO2反應，生成N2和H2O，從而去除煙氣中的NOx，達到脫硝的目的.典型的尿素熱解制氨工藝流程如圖1所示，其中：MDM為計量分配模塊；HFD為高流量輸送循環模塊；PCV為背壓模塊；AIG為噴氨格柵.

2沉積物成分分析

熱解室內沉積物堅硬，有氣孔，其宏觀形貌和電鏡圖如圖2所示.分別對沉積物進行化學成分檢測和XRF（X射線熒光光譜儀）元素分析.

2.1化學成分檢測

表1給出了沉積物化學成分檢測結果.從表1可知，熱解室內多孔狀沉積物中無機元素含量極低，其中：SiO2的質量分數最高，也僅為1.33%；Al2O3的質量分數為0.45%；Fe2O3的質量分數為0.21%，3項總和僅為1.99%.Si、Al、Fe的質量分數可以直接反映飛灰的含量，因此可以排除飛灰沉積導致熱解室下部錐管堵塞的可能.

尿素分子式為CH4N2O，C、N、O物質的量之比為1∶2∶1.在高溫常壓（360～650℃，0.1 MPa）下迅速加熱尿素，C—N鍵斷裂分解生成NH3與CO2.尿素熱解過程一般分為室溫至190℃、190～250℃、250～360℃、360℃以上等4個階段，前3個階段尿素分解過程復雜并且產物眾多.

尿素在190℃以下熱解將脫氨并產生縮二脲（C2H5N3O2），C、N、O物質的量之比為1∶1.5∶1.縮二脲在190～250℃時開始分解，生成三聚氰酸（C3H3N3O3）、三聚氰胺（C3H6N6）、三聚氰酸一酰胺（C3H4N4O2）、三聚氰酸二酰胺（C3H5N5O）等.

尿素若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環化合物三聚氰酸.三聚氰酸的C、N、O物質的量之比為1∶1∶1.三聚氰酸加熱時不熔化，約在330～360℃以上解聚為氰酸（CHNO），氰酸水解生成氨和二氧化碳.

因此，根據C、N、O物質的量之比推斷，熱解室內沉積物主要成分應為三聚氰酸和三聚氰胺等，可能還含有縮二脲.

3沉積物堵塞原因分析

通過對熱解室內沉積物檢測結果的初步分析，可以推斷熱解室下部錐管段堵塞是由尿素未完全分解產生中間聚合物造成的.導致尿素分解不完全的原因可能為：

（1） 熱解室內溫度低.溫度越高，尿素分解越徹底.如果熱解室內溫度達不到360℃以上，尿素分解不完全就會產生縮二脲、三聚氰酸、三聚氰胺等中間聚合物并逐步堵塞熱解室下部錐管.

（2） 噴嘴霧化效果差.噴嘴霧化效果差會造成尿素液滴過大，在設計停留時間內尿素分解不完全，從而生成中間聚合物沉積在熱解室內壁并逐步堵塞下部錐管.

4結論與建議

（1） 從化學成分檢測結果可知，熱解室內多孔狀沉積物中無機元素含量極低，SiO2、Al2O3和Fe2O3的質量分數3項總和僅為1.99%，因此排除了飛灰沉積導致熱解室下部錐管沉積堵塞的可能.

（2） 從XRF元素分析結果可知，熱解室內沉積物粉體致密，C、N、O物質的量之比約為1∶1.5∶1.1，據此推斷沉積物中主要成分應為三聚氰酸和三聚氰胺等，可能還含有縮二脲.

（3） 如果尿素分解不完全，就會產生大量中間聚合物沉積在熱解室內壁和下部錐管段并造成堵塞.導致尿素分解不完全的原因可能是熱解室內溫度低或噴嘴霧化效果差.

綜上所述，要防止尿素在熱解室內生成中間聚合物發生堵塞，需適當提高熱解室頂部引入的高溫熱空氣溫度，使熱解室內各部位溫度保持在360℃以上，尤其是噴嘴和熱解室下部出口溫度較低的部位.同時保溫也同等重要.該電廠熱解爐外部保溫措施得當，尿素輸液管做了保溫處理，但是噴嘴霧化壓縮空氣采用常溫空氣，影響了霧化液滴溫度，當冬季氣溫較低時應考慮提高煙氣溫度.另外，尿素水溶液霧化效果也是重要因素，霧滴偏大會影響氣化，延長液滴升溫時間.要觀察噴嘴霧化是否達到設計要求，不然要進行調試優化.

參考文獻：

[1]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]陳進生.火電廠煙氣脫硝技術——選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]趙冬賢，劉紹培，吳曉峰，等.尿素熱解制氨技術在SCR脫硝中的應用[J].熱力發電，2009，38（8）：6567.

摘要： 主要針對某電廠采用尿素熱解制氨工藝中出現的熱解爐堵塞結垢的原因進行分析，并提出了解決方法.通過對熱解室內沉積物成分進行分析，可以推斷熱解室下部錐管段堵塞是由尿素未完全分解產生中間聚合物造成的.為了防止尿素在熱解室內生成中間聚合物造成堵塞，需要適當提高熱解室頂部引入的高溫熱空氣溫度，使熱解室內各部位溫度保持在360℃以上，尤其是噴嘴和熱解室下部出口段溫度較低的部位.研究可為其它電廠脫硝系統運行提供參考.

關鍵詞：脫硝； 尿素熱解； 結垢； 堵塞

中圖分類號： X 701文獻標志碼： A

選擇性催化還原（Selective catalytic reduction，SCR）煙氣脫硝技術[1]在上世紀80年代初被用于電廠燃煤鍋爐低塵與高塵環境，80年代中后期在歐洲開始商業推廣.目前，世界上脫硝裝置中應用最多的還原劑有3種：液氨、氨水和尿素.火電廠SCR脫硝裝置一般在選擇還原劑時主要考慮的因素有：運輸過程和儲存是否安全；一旦發生泄漏事故可能會造成的影響（包括經濟影響、環境污染和公眾健康等）；操作許可的批復、占地、投資和系統運行費用等[2].從固定投資（包括征地與系統投資）來看，氨水、尿素制氨的氨區建設初期投資最高，液氨最低；從占地情況考慮，液氨和氨水系統的占地面積最大，尿素系統最小；從經濟性來看，液氨最好，尿素次之，氨水最差；從安全性來考量，尿素在運輸、儲存和使用中最為安全，氨水次之，液氨最差.

上海某電廠采用SCR脫硝，并采用尿素熱解制氨工藝.正常運行半年后發現尿素熱解系統的一次風流量低于報警值，進而導致整個脫硝系統停運.脫硝系統停運后，檢修人員將所有噴槍拆下進行檢查，未發現噴槍、噴嘴有堵塞，但通過觀察噴槍孔發現，在噴嘴下部約0.5 m位置有沉積物，通過敲打后掉落.打開熱解室下部錐體后發現大量白色結垢產物將熱解室下部錐管段堵塞.

1尿素熱解制氨工藝簡介

尿素又稱脲，分子式為CO（NH2）2，熔點為132.7℃.因為尿素對熱不穩定，加熱至150～160℃將脫氨形成縮二脲，若迅速加熱將完全分解為氨氣和二氧化碳[3].

熱解室內主要反應式為

該電廠尿素熱解制氨工藝為：用水將固體尿素配制成質量分數為50%的尿素溶液（需要外部加熱），然后經過給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解室.熱解室的熱源來自空氣預熱器二次風抽氣后經加熱器升溫至350℃的空氣，從熱解室頂部輸入，底部排出.霧化后的尿素液滴與熱空氣充分接觸，尿素受熱分解生成NH3和CO2.分解產物和空氣混合物由熱解室下部尾管排出，經由氨噴射系統進入脫硝煙道.在催化劑作用下，NH3選擇性地與煙氣中的NO和NO2反應，生成N2和H2O，從而去除煙氣中的NOx，達到脫硝的目的.典型的尿素熱解制氨工藝流程如圖1所示，其中：MDM為計量分配模塊；HFD為高流量輸送循環模塊；PCV為背壓模塊；AIG為噴氨格柵.

2沉積物成分分析

熱解室內沉積物堅硬，有氣孔，其宏觀形貌和電鏡圖如圖2所示.分別對沉積物進行化學成分檢測和XRF（X射線熒光光譜儀）元素分析.

2.1化學成分檢測

表1給出了沉積物化學成分檢測結果.從表1可知，熱解室內多孔狀沉積物中無機元素含量極低，其中：SiO2的質量分數最高，也僅為1.33%；Al2O3的質量分數為0.45%；Fe2O3的質量分數為0.21%，3項總和僅為1.99%.Si、Al、Fe的質量分數可以直接反映飛灰的含量，因此可以排除飛灰沉積導致熱解室下部錐管堵塞的可能.

尿素分子式為CH4N2O，C、N、O物質的量之比為1∶2∶1.在高溫常壓（360～650℃，0.1 MPa）下迅速加熱尿素，C—N鍵斷裂分解生成NH3與CO2.尿素熱解過程一般分為室溫至190℃、190～250℃、250～360℃、360℃以上等4個階段，前3個階段尿素分解過程復雜并且產物眾多.

尿素在190℃以下熱解將脫氨并產生縮二脲（C2H5N3O2），C、N、O物質的量之比為1∶1.5∶1.縮二脲在190～250℃時開始分解，生成三聚氰酸（C3H3N3O3）、三聚氰胺（C3H6N6）、三聚氰酸一酰胺（C3H4N4O2）、三聚氰酸二酰胺（C3H5N5O）等.

尿素若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環化合物三聚氰酸.三聚氰酸的C、N、O物質的量之比為1∶1∶1.三聚氰酸加熱時不熔化，約在330～360℃以上解聚為氰酸（CHNO），氰酸水解生成氨和二氧化碳.

因此，根據C、N、O物質的量之比推斷，熱解室內沉積物主要成分應為三聚氰酸和三聚氰胺等，可能還含有縮二脲.

3沉積物堵塞原因分析

通過對熱解室內沉積物檢測結果的初步分析，可以推斷熱解室下部錐管段堵塞是由尿素未完全分解產生中間聚合物造成的.導致尿素分解不完全的原因可能為：

（1） 熱解室內溫度低.溫度越高，尿素分解越徹底.如果熱解室內溫度達不到360℃以上，尿素分解不完全就會產生縮二脲、三聚氰酸、三聚氰胺等中間聚合物并逐步堵塞熱解室下部錐管.

（2） 噴嘴霧化效果差.噴嘴霧化效果差會造成尿素液滴過大，在設計停留時間內尿素分解不完全，從而生成中間聚合物沉積在熱解室內壁并逐步堵塞下部錐管.

4結論與建議

（1） 從化學成分檢測結果可知，熱解室內多孔狀沉積物中無機元素含量極低，SiO2、Al2O3和Fe2O3的質量分數3項總和僅為1.99%，因此排除了飛灰沉積導致熱解室下部錐管沉積堵塞的可能.

（2） 從XRF元素分析結果可知，熱解室內沉積物粉體致密，C、N、O物質的量之比約為1∶1.5∶1.1，據此推斷沉積物中主要成分應為三聚氰酸和三聚氰胺等，可能還含有縮二脲.

（3） 如果尿素分解不完全，就會產生大量中間聚合物沉積在熱解室內壁和下部錐管段并造成堵塞.導致尿素分解不完全的原因可能是熱解室內溫度低或噴嘴霧化效果差.

綜上所述，要防止尿素在熱解室內生成中間聚合物發生堵塞，需適當提高熱解室頂部引入的高溫熱空氣溫度，使熱解室內各部位溫度保持在360℃以上，尤其是噴嘴和熱解室下部出口溫度較低的部位.同時保溫也同等重要.該電廠熱解爐外部保溫措施得當，尿素輸液管做了保溫處理，但是噴嘴霧化壓縮空氣采用常溫空氣，影響了霧化液滴溫度，當冬季氣溫較低時應考慮提高煙氣溫度.另外，尿素水溶液霧化效果也是重要因素，霧滴偏大會影響氣化，延長液滴升溫時間.要觀察噴嘴霧化是否達到設計要求，不然要進行調試優化.

參考文獻：

[1]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]陳進生.火電廠煙氣脫硝技術——選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]趙冬賢，劉紹培，吳曉峰，等.尿素熱解制氨技術在SCR脫硝中的應用[J].熱力發電，2009，38（8）：6567.

摘要： 主要針對某電廠采用尿素熱解制氨工藝中出現的熱解爐堵塞結垢的原因進行分析，并提出了解決方法.通過對熱解室內沉積物成分進行分析，可以推斷熱解室下部錐管段堵塞是由尿素未完全分解產生中間聚合物造成的.為了防止尿素在熱解室內生成中間聚合物造成堵塞，需要適當提高熱解室頂部引入的高溫熱空氣溫度，使熱解室內各部位溫度保持在360℃以上，尤其是噴嘴和熱解室下部出口段溫度較低的部位.研究可為其它電廠脫硝系統運行提供參考.

關鍵詞：脫硝； 尿素熱解； 結垢； 堵塞

中圖分類號： X 701文獻標志碼： A

選擇性催化還原（Selective catalytic reduction，SCR）煙氣脫硝技術[1]在上世紀80年代初被用于電廠燃煤鍋爐低塵與高塵環境，80年代中后期在歐洲開始商業推廣.目前，世界上脫硝裝置中應用最多的還原劑有3種：液氨、氨水和尿素.火電廠SCR脫硝裝置一般在選擇還原劑時主要考慮的因素有：運輸過程和儲存是否安全；一旦發生泄漏事故可能會造成的影響（包括經濟影響、環境污染和公眾健康等）；操作許可的批復、占地、投資和系統運行費用等[2].從固定投資（包括征地與系統投資）來看，氨水、尿素制氨的氨區建設初期投資最高，液氨最低；從占地情況考慮，液氨和氨水系統的占地面積最大，尿素系統最小；從經濟性來看，液氨最好，尿素次之，氨水最差；從安全性來考量，尿素在運輸、儲存和使用中最為安全，氨水次之，液氨最差.

上海某電廠采用SCR脫硝，并采用尿素熱解制氨工藝.正常運行半年后發現尿素熱解系統的一次風流量低于報警值，進而導致整個脫硝系統停運.脫硝系統停運后，檢修人員將所有噴槍拆下進行檢查，未發現噴槍、噴嘴有堵塞，但通過觀察噴槍孔發現，在噴嘴下部約0.5 m位置有沉積物，通過敲打后掉落.打開熱解室下部錐體后發現大量白色結垢產物將熱解室下部錐管段堵塞.

1尿素熱解制氨工藝簡介

尿素又稱脲，分子式為CO（NH2）2，熔點為132.7℃.因為尿素對熱不穩定，加熱至150～160℃將脫氨形成縮二脲，若迅速加熱將完全分解為氨氣和二氧化碳[3].

熱解室內主要反應式為

該電廠尿素熱解制氨工藝為：用水將固體尿素配制成質量分數為50%的尿素溶液（需要外部加熱），然后經過給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解室.熱解室的熱源來自空氣預熱器二次風抽氣后經加熱器升溫至350℃的空氣，從熱解室頂部輸入，底部排出.霧化后的尿素液滴與熱空氣充分接觸，尿素受熱分解生成NH3和CO2.分解產物和空氣混合物由熱解室下部尾管排出，經由氨噴射系統進入脫硝煙道.在催化劑作用下，NH3選擇性地與煙氣中的NO和NO2反應，生成N2和H2O，從而去除煙氣中的NOx，達到脫硝的目的.典型的尿素熱解制氨工藝流程如圖1所示，其中：MDM為計量分配模塊；HFD為高流量輸送循環模塊；PCV為背壓模塊；AIG為噴氨格柵.

2沉積物成分分析

熱解室內沉積物堅硬，有氣孔，其宏觀形貌和電鏡圖如圖2所示.分別對沉積物進行化學成分檢測和XRF（X射線熒光光譜儀）元素分析.

2.1化學成分檢測

表1給出了沉積物化學成分檢測結果.從表1可知，熱解室內多孔狀沉積物中無機元素含量極低，其中：SiO2的質量分數最高，也僅為1.33%；Al2O3的質量分數為0.45%；Fe2O3的質量分數為0.21%，3項總和僅為1.99%.Si、Al、Fe的質量分數可以直接反映飛灰的含量，因此可以排除飛灰沉積導致熱解室下部錐管堵塞的可能.

尿素分子式為CH4N2O，C、N、O物質的量之比為1∶2∶1.在高溫常壓（360～650℃，0.1 MPa）下迅速加熱尿素，C—N鍵斷裂分解生成NH3與CO2.尿素熱解過程一般分為室溫至190℃、190～250℃、250～360℃、360℃以上等4個階段，前3個階段尿素分解過程復雜并且產物眾多.

尿素在190℃以下熱解將脫氨并產生縮二脲（C2H5N3O2），C、N、O物質的量之比為1∶1.5∶1.縮二脲在190～250℃時開始分解，生成三聚氰酸（C3H3N3O3）、三聚氰胺（C3H6N6）、三聚氰酸一酰胺（C3H4N4O2）、三聚氰酸二酰胺（C3H5N5O）等.

尿素若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環化合物三聚氰酸.三聚氰酸的C、N、O物質的量之比為1∶1∶1.三聚氰酸加熱時不熔化，約在330～360℃以上解聚為氰酸（CHNO），氰酸水解生成氨和二氧化碳.

因此，根據C、N、O物質的量之比推斷，熱解室內沉積物主要成分應為三聚氰酸和三聚氰胺等，可能還含有縮二脲.

3沉積物堵塞原因分析

通過對熱解室內沉積物檢測結果的初步分析，可以推斷熱解室下部錐管段堵塞是由尿素未完全分解產生中間聚合物造成的.導致尿素分解不完全的原因可能為：

（1） 熱解室內溫度低.溫度越高，尿素分解越徹底.如果熱解室內溫度達不到360℃以上，尿素分解不完全就會產生縮二脲、三聚氰酸、三聚氰胺等中間聚合物并逐步堵塞熱解室下部錐管.

（2） 噴嘴霧化效果差.噴嘴霧化效果差會造成尿素液滴過大，在設計停留時間內尿素分解不完全，從而生成中間聚合物沉積在熱解室內壁并逐步堵塞下部錐管.

4結論與建議

（1） 從化學成分檢測結果可知，熱解室內多孔狀沉積物中無機元素含量極低，SiO2、Al2O3和Fe2O3的質量分數3項總和僅為1.99%，因此排除了飛灰沉積導致熱解室下部錐管沉積堵塞的可能.

（2） 從XRF元素分析結果可知，熱解室內沉積物粉體致密，C、N、O物質的量之比約為1∶1.5∶1.1，據此推斷沉積物中主要成分應為三聚氰酸和三聚氰胺等，可能還含有縮二脲.

（3） 如果尿素分解不完全，就會產生大量中間聚合物沉積在熱解室內壁和下部錐管段并造成堵塞.導致尿素分解不完全的原因可能是熱解室內溫度低或噴嘴霧化效果差.

綜上所述，要防止尿素在熱解室內生成中間聚合物發生堵塞，需適當提高熱解室頂部引入的高溫熱空氣溫度，使熱解室內各部位溫度保持在360℃以上，尤其是噴嘴和熱解室下部出口溫度較低的部位.同時保溫也同等重要.該電廠熱解爐外部保溫措施得當，尿素輸液管做了保溫處理，但是噴嘴霧化壓縮空氣采用常溫空氣，影響了霧化液滴溫度，當冬季氣溫較低時應考慮提高煙氣溫度.另外，尿素水溶液霧化效果也是重要因素，霧滴偏大會影響氣化，延長液滴升溫時間.要觀察噴嘴霧化是否達到設計要求，不然要進行調試優化.

參考文獻：

[1]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]陳進生.火電廠煙氣脫硝技術——選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]趙冬賢，劉紹培，吳曉峰，等.尿素熱解制氨技術在SCR脫硝中的應用[J].熱力發電，2009，38（8）：6567.