基于尿素水解制備氨氣的SCR脫硝系統管道和閥門堵塞原因分析及處置措施研究

邵國奇

摘 要：羅定電廠（廣東省粵瀧發電有限責任公司）鍋爐超低排放脫硝系統采用SCR工藝，即選擇性催化還原工藝，指還原劑（NH3、尿素等）在催化劑的作用下，選擇性地與煙氣中的NOx發生還原反應生成N2和水。SCR脫硝工藝是目前最成熟的煙氣脫硝技術，其是一種爐后脫硝。羅定電廠采用氨氣作為還原劑，利用新型尿素催化水解設備制備，實時產生氨氣，實時消耗，運行經濟，安全可靠。但是，該系統在投運后一段時間，氨氣系統管道、閥門等均出現堵塞現象。為有效解決氨氣系統堵塞問題，本文深入分析了堵塞的原因，并提出處置措施。

關鍵詞：SCR脫硝系統;管道和閥門堵塞;原因

中圖分類號：X773文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）14-0063-03

Cause Analysis and Disposal Measures of Pipeline and Valve Blockage in SCR Denitrification System for Ammonia Production by Urea Hydrolysis in Luoding Power Plant

SHAO Guoqi

（Guangdong Yuelong Power Generation Co.， Ltd.，Yunfu Guangdong 527217）

Abstract： The ultra-low emission denitrification system of the Luoding Power Plant（ Guangdong Yulong Power Generation Co.， Ltd.） uses the SCR process， that is， the selective catalytic reduction process， which means that the reducing agent（NH3， urea， etc.） is under the action of a catalyst. The selective reduction reaction with NOx in the flue gas produces N2 and water. SCR denitrification process is the most mature smoke denitrification technology at present. It is a kind of post-furnace denitrification. In Luoding Power Plant， ammonia gas was used as reducing agent， and a new type of urea catalytic hydrolysis equipment was used to produce ammonia gas in real time， which could be consumed in real time and run economically， safely and reliably. However， after the system was put into operation， the ammonia gas system pipes and valves all appeared to be blocked， causing environmental protection emission control to be difficult. In order to effectively solve the problem of blockage in ammonia system， the causes of blockage were analyzed in depth， and the disposal measures were put forward.

Keywords： SCR denitrification system;pipeline and valve blockage;reasons

1 基于尿素水解制備氨氣的SCR脫硝系統及工藝流程

1.1 系統介紹

羅定電廠于2004年建成投產，鍋爐為DG420/13.7-II2型（配置135MW汽輪機發電機），П型、單爐膛、固態排渣、一次中間再熱、管式空氣預熱器、超高壓自然循環汽包爐。采用中間儲倉式低氧爐煙熱風送粉制粉系統。2012年，鍋爐進行了無煙煤改燒煙煤技術改造。2017年，進行超低排放改造，燃燒器采用扭曲板型煤粉濃縮器，四角布置，切圓燃燒。

羅定電廠原脫硝系統采用爐內SNCR+SCR尿素溶液直噴式工藝系統，2017年進行超低排放技術改造后，采用SCR旁路煙道氨氣脫硝工藝，脫硝效率顯著提高、運行維護簡單。原爐內SNCR保留作為備用設備，SCR拆除。脫硝SCR工藝為選擇性催化還原，是指還原劑（NH3、尿素等）在催化劑的作用下，選擇性地與煙氣中的NOx發生還原反應生成N2和水。SCR技術是目前最成熟的煙氣脫硝技術，其是一種爐后脫硝，對于鍋爐本體內部設備安全運行無影響。SCR工藝系統主要由煙氣系統、SCR反應器系統、吹灰系統、尿素催化水解系統、氨噴射系統和尿素溶液制備系統等組成[1]。尿素催化水解系統分為水解反應系統、尿素溶液供給系統、蒸汽供給系統、排污系統、除鹽水系統、催化劑給料系統、反吹系統、伴熱系統及測量和控制系統。其中，水解系統設計為2個水解器罐，正常運行時1臺運行1臺備用。在氨氣系統與煙氣混合前的氨氣側管道上裝有一支阻火器，用以防止氨氣爆燃。

1.2 SCR脫硝系統工藝流程

由尿素溶液制備系統制備的尿素溶液被送入尿素催化水解器，在加熱蒸汽和催化劑的作用下發生水解反應，催化劑的作用是改變反應路徑、加快反應速率和降低響應時間。水解產生的氨氣與空氣預熱器出口熱風混合均勻，通過噴氨格柵噴入SCR反應器上游的煙氣中，SCR反應器安裝3層催化劑，充分混合后的還原劑和煙氣在SCR反應器中在催化劑的作用下發生反應，去除NOx。脫硝系統的化學原理及反應方程式如下[2]。

水解過程為：

NH2CONH2+H2O=2NH3+CO2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

吸收過程為：

4NO+4NH3+O2=N2+ 6H2ONO ? ? ? ? ? ?（2）

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2ONO2 ? ? ? ? ? ? ?（3）

SCR（脫硝系統）催化劑的工作溫度是有一定范圍的，溫度過高（>450℃）時，催化劑會加速老化;當溫度低于290℃時，在同一催化劑的作用下，另一反應也會發生，反應方程式如下。

2SO2+O2→2SO3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

NH3+H2O+SO3→NH4HSO4 ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

NH4HSO4黏性大，易黏結在催化劑和鍋爐尾部的受熱面上，影響鍋爐系統的正常運行。因此，只有催化劑環境的煙氣溫度在295～430℃時，方允許啟動脫硝。

2 SCR脫硝系統管道閥門堵塞及其原因

2.1 管道閥門堵塞現象

2017年，羅定電廠SCR脫硝系統投入運行，整體煙氣脫硝效果良好，脫硝效率高，運行操作簡單，維護成本低，具有相當優勢。但是，在系統運行一段時間后，氨氣制備和輸送系統多次出現系統管道堵塞、閥門內漏或卡死等現象。特別是在脫硝系統停運后再次啟動時，堵塞現象更為明顯，只能停運設備進行檢修解決。由此，引發電廠脫硝系統運行不穩定、環保排放不易控制等一系列問題，給機組正常運行帶來困擾，同時也增加了設備維護工作量。通過多次對系統管道、閥門等進行檢查發現：管道內有積水，閥門內部存在結晶體，且附著不明雜質，固態異物堵塞阻火器濾網[3]。

2.2 堵塞原因

通過對上述問題進行深入分析，同時查閱相關資料，初步得出造成系統堵塞或系統設備無法正常工作的原因主要有以下幾點。

2.2.1 設計缺陷。脫硝系統設計有蒸汽伴熱系統和蒸汽吹掃系統。由于設計原因，伴熱系統布置不合理，蒸汽汽源單一，造成設備運行時伴熱不均勻、效果差，設備停運后，系統無伴熱汽源。當再次投運時，系統管道內氨氣和水蒸汽產生冷凝現象，大量凝結水聚集在管道內，造成堵塞。另外，氨氣管道的蒸汽吹掃安排在機組停運過程中進行，吹掃后的蒸汽直接通過氨氣噴射系統噴入鍋爐煙道內，不允許排到外界環境中，這就造成系統管道內的雜質隨蒸汽流動，最后堆積在阻火器等設備內部造成堵塞。

2.2.2 雜質影響。尿素水解制氨過程中，尿素純度、設備運行狀態不穩定等，造成反應過程中伴有雜質產生，此雜質主要成分為氨基甲酸銨。氨基甲酸銨在一定壓力和溫度條件下會產生結晶析出。因此，在氨氣系統運行時，當系統壓力和溫度達到結晶析出臨界點時，氨基甲酸銨結晶析出并黏結在閥門閥芯、阻火器等部位，造成堵塞[4]。另外，高濃度的尿素溶液受熱容易生成難溶于水的縮二脲及其他縮合物，這也是造成尿素水解系統易被堵塞的原因之一。

2.2.3 設備選型不合理。管道、閥門設計選型時未充分考慮尿素水解運行及氨氣輸送特性，造成所選用管道、閥門不能長期在此條件下正常工作。

2.2.4 運行維護不當。水解器在正常備用時，未對備用水解器溫度、壓力等進行有效監控和調整，導致溫度、壓力等參數未保持在規定范圍內，進而造成系統產生結晶物。另外，對水解器定期排污工作安排不合理，操作、執行不到位，造成水解系統運行時產生的雜質不能及時排走，長時間運行后雜質沉積堵塞系統。

3 處置措施

3.1 伴熱系統優化

根據機組運行特點，采用了多源式蒸汽伴熱系統汽源接入方式，使汽源運行方式靈活，滿足在機組調峰情況下供汽穩定性要求。改善伴熱系統效果，通過增加導熱泥、修復保溫層、合理選擇保溫材料、優化伴熱系統安裝方式等，保證蒸汽伴熱系統運行穩定。同時，對于一些不易安裝蒸汽伴熱系統的設備，采用靈活性較好的電伴熱方式，以達到最佳效果。

3.2 建立標準制度

完善蒸汽吹掃制度，制定氨氣系統蒸汽吹掃操作標準，建立監督機制，使蒸汽吹掃工作落實到位。制定定期工作標準，如水解器的定期切換、水解器表面與底部定期排污等標準，使工作人員按標準執行。建立設備停運后定期維護的工作臺賬，以對停運后的管道、閥門、阻火器等進行必要的檢查與清理。

3.3 合理選用設備

對氨氣系統管道、閥門進行更換或升級，選用適用于氨氣系統的波紋管截止閥、抗腐蝕性良好的尿素級316L和25—22—2材質管道等[5]，以從源頭上解決問題。

3.4 加強技術改造

在系統設備如水解器出口管道等重要部位加裝合適的過濾裝置，及時過濾雜質，減少或避免雜質進入系統，并定期清洗濾網。選擇合適的阻火器，使之滿足運行要求。阻火器采用冗余運行方式，運行時可切換并進行檢修清理，進而降低阻火器堵塞對系統運行穩定性的影響。此外，還要及時了解行業技術創新成果，適時吸納新技術、新應用。

4 結語

通過查閱資料，及時總結經驗，羅定電廠脫硝系統堵塞原因已明確。同時，通過對改進、防范措施的嚴格落實，羅定電廠脫硝系統運行穩定性大幅提高，管道堵塞及閥門卡漏問題已經得到有效控制和解決，電廠安全、經濟、環保合法合規運行也得到有效保障。

參考文獻：

[1]張波，張向宇，李明浩，等.火電廠尿素水解產品氣輸送問題分析[J].熱力發電，2015（11）：114-117.

[2]陳海彩，張軍，沈樂，等.火電廠尿素熱解和水解工藝研究[J].電力科學與工程，2014（6）：16-19.

[3]姚宣，沈濱，鄭鵬，等.煙氣脫硝用尿素水解裝置性能分析[J].中國電機工程學報，2013（14）：38-43.

[4]徐巖.脫硝尿素水解系統余熱利用優化設置[J].資源節約與環保，2016（11）：11.

[5]張覺莉.國產尿素水解制氨成套裝置儀控設計[J].科技資訊，2014（9）：93.