火力發(fā)電機(jī)組脫硝供氨管道積水原因分析與防治措施研究

陳 雷，羅 洪，高小春，余 鵬

（國能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529228）

引言

火力發(fā)電機(jī)組作為煤炭的使用大戶，對(duì)NOx的排放有著嚴(yán)格的要求，國家能源局印發(fā)的《關(guān)于印發(fā)＜煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）＞的通知》中要求，新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放值（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3）[1]。

脫硝系統(tǒng)作為脫除煙氣中NOx的主要系統(tǒng)，其安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)保證機(jī)組環(huán)保參數(shù)的正常具有重要意義。本課題以某火力發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)供氨管道積水狀況為研究背景，通過對(duì)可能造成管道積水的相關(guān)因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，并通過試驗(yàn)操作進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)論，進(jìn)而給出治理這類問題的防范治理措施。

1 背景狀況

某火力發(fā)電廠SCR 脫硝系統(tǒng)布置于省煤器之后，空預(yù)器之前（見圖1），其工藝流程為：來自存儲(chǔ)罐的液氨靠自身的壓力進(jìn)入蒸發(fā)器中，被熱源加熱蒸發(fā)成氨氣，氨氣經(jīng)由稀釋風(fēng)機(jī)來的空氣在混合器混合稀釋，被注入到SCR 前與煙氣充分混合均勻后通過噴氨層進(jìn)入催化劑，進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，氮氧化物即被脫除。

圖1 SCR 脫硝系統(tǒng)的工藝流程

在某次機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，脫硝系統(tǒng)試投階段發(fā)現(xiàn)脫硝稀釋風(fēng)機(jī)出口壓力較上周期上漲0.2 KPa，懷疑系統(tǒng)管路存在堵塞情況，隨即對(duì)系統(tǒng)閥門開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行排查，未發(fā)現(xiàn)異常。進(jìn)而對(duì)噴氨管道進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)管道存在悶響，立即采取隔離措施解開分支法蘭螺栓，發(fā)現(xiàn)有大量水流出（見圖2）。

圖2 脫硝供氨管道積水

2 管道積水原因分析

2.1 液氨品質(zhì)分析

該廠所用氨為外送液氨，由本廠化驗(yàn)班負(fù)責(zé)對(duì)液氨品質(zhì)進(jìn)行抽檢，通過相關(guān)液氨標(biāo)準(zhǔn)（見表1）和化驗(yàn)結(jié)果（見下頁表2）可知，所用液氨殘留物含量≤0.2，純度≥99.8%，符合使用標(biāo)準(zhǔn)要求，即液氨品質(zhì)差、含水量高造成供氨管道積水的可能性被排除。

表1 液氨質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

表2 液氨化驗(yàn)結(jié)果

2.2 供氨系統(tǒng)分析

供氨系統(tǒng)可能造成管路進(jìn)水的源頭有兩處，一是液氨蒸發(fā)裝置盤管穿孔，二是機(jī)組化學(xué)加藥間配氨箱反吸，現(xiàn)針對(duì)這兩種原因進(jìn)行分析。

2.2.1 液氨蒸發(fā)裝置分析

如圖1 所示，該廠液氨通過蒸汽氣化裝置加熱成氣態(tài)進(jìn)行供氨，若密封盤管發(fā)生穿孔則可能造成蒸汽大量進(jìn)入供氨管道冷凝成液態(tài)水阻塞管道。為判斷此論斷是否成立，先對(duì)運(yùn)行中的裝置進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)管路有異音產(chǎn)生；進(jìn)一步隔離氨氣蒸發(fā)系統(tǒng)，打開緩沖槽排污門底部未發(fā)現(xiàn)有積水（氨氣經(jīng)蒸發(fā)槽蒸發(fā)后進(jìn)入緩沖槽，若有水產(chǎn)生則會(huì)帶入緩沖槽），此種原因造成供氨管路進(jìn)水的可能性被排除。

2.2.2 配氨箱倒吸分析

該廠機(jī)組化學(xué)加藥間配氨箱所用氨是由供氨管道分支管供給的，由于氨的特殊理化特性（氨溶于水的噴泉效應(yīng)），在機(jī)組停機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生配氨箱內(nèi)的水倒吸進(jìn)入管道的現(xiàn)象。但配氨箱在機(jī)組0m，積水供氨管道在機(jī)組46 m，從力學(xué)原理上分析，在沒有其它外力的情況下水柱自然上吸的高度最多只能達(dá)到約10 m（標(biāo)態(tài)下），不具備流入供氨母管的可能。

2.3 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)分析

該機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用的是蒸汽吹灰+聲波吹灰設(shè)計(jì)，其中稀釋風(fēng)機(jī)出口管原設(shè)計(jì)一路分支管為吹灰器密封風(fēng)管，當(dāng)進(jìn)入蒸汽吹灰器吹灰程序時(shí)，會(huì)造成部分蒸汽倒流進(jìn)入稀釋風(fēng)系統(tǒng)，存在在供氨管道內(nèi)凝結(jié)成水的可能（見圖3）。但現(xiàn)場核實(shí)該密封風(fēng)管路閥門在多年前已執(zhí)行變更加裝堵板封閉，密封良好，此原因?qū)е鹿┌惫苈贩e水的可能性被排除。

圖3 脫硝關(guān)聯(lián)系統(tǒng)介質(zhì)流向圖

2.4 噴氨裝置本體分析

如前述所敘，該機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用的是蒸汽吹灰+聲波吹灰設(shè)計(jì)，且鍋爐系統(tǒng)吹掃也采用蒸汽吹灰設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)組停運(yùn)、吹灰程序持續(xù)執(zhí)行時(shí)，極易造成煙道內(nèi)聚集大量蒸汽。在常溫常壓下氨極易溶于水，1 體積的水可溶解700 體積的氨，可瞬間使密封氨系統(tǒng)形成真空負(fù)壓。在機(jī)組停機(jī)，同時(shí)稀釋風(fēng)機(jī)停運(yùn)的情況下，煙道內(nèi)聚集的蒸汽會(huì)通過噴氨層噴嘴（獨(dú)特的錐形構(gòu)造利于形成虹吸，見圖4）跟供氨管道內(nèi)殘余氨氣混溶形成虹吸（即氨常見的噴泉效應(yīng)），大量蒸汽被源源不斷地吸入到供氨管道內(nèi)，經(jīng)冷凝后形成積水堵塞管道，這與現(xiàn)場實(shí)際發(fā)生的狀況一致。

圖4 脫硝噴氨層

3 試驗(yàn)論證

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，特在該機(jī)組停機(jī)時(shí)段進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)：

1）機(jī)組停機(jī)后，投運(yùn)吹灰輔汽程序，持續(xù)投運(yùn)稀釋風(fēng)機(jī)12 h 以上，觀察供氨管道是否存在積水。

2）停運(yùn)稀釋風(fēng)機(jī)，吹灰輔汽程序投運(yùn)，模擬煙道內(nèi)蒸汽聚集，噴氨層充滿蒸汽狀態(tài)，觀察供氨管道內(nèi)積水情況。

如圖5 所示，該機(jī)組于當(dāng)日時(shí)間12：57 停運(yùn)，保持稀釋風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行至次日14：55，期間聽取供氨管道內(nèi)流介質(zhì)聲音正常，無水流動(dòng)聲；打開供氨管道濾網(wǎng)排污門觀察正常，無水流出；檢查脫硝附屬系統(tǒng)無異常現(xiàn)象。本試驗(yàn)證明，機(jī)組停機(jī)后，在稀釋風(fēng)機(jī)持續(xù)投運(yùn)的情況下，由于噴氨層噴嘴保持正壓運(yùn)行，破壞了虹吸條件，管道內(nèi)的殘余氨氣不能與煙道內(nèi)的蒸汽有效溶合，供氨管道內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生積水。

圖5 機(jī)組負(fù)荷與稀釋風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間圖

稀釋風(fēng)機(jī)停運(yùn)后至當(dāng)日夜間22：00 檢查脫硝系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，稀釋風(fēng)機(jī)空氣濾網(wǎng)處有蒸汽冒出，用聽針聽取供氨管道有水流動(dòng)聲音，打開供氨管道濾網(wǎng)排污門有水流出，解開最低點(diǎn)法蘭螺栓發(fā)現(xiàn)有大量水排出，而在恢復(fù)管路連接，切斷蒸汽供給后，供氨管道內(nèi)再未發(fā)現(xiàn)有積水產(chǎn)生。本模擬試驗(yàn)再次驗(yàn)證，在機(jī)組停機(jī)噴氨層達(dá)到了虹吸條件時(shí)，供氨管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽冷凝積水。

4 防治措施

供氨管道積水原因分析清晰后，可從兩方面制定防治此類型脫硝機(jī)組供氨管道積水的技術(shù)措施：一是切斷介質(zhì)來源；二是破壞虹吸條件。

4.1 介質(zhì)源頭控制

此系統(tǒng)產(chǎn)生虹吸的兩種介質(zhì)為管道內(nèi)殘余氨氣和煙道內(nèi)聚集的蒸汽，其中氨氣可通過執(zhí)行停機(jī)操作后關(guān)閉供氨閥門，并進(jìn)行管路吹掃得以清除；蒸汽則可以通過在停機(jī)后停止相關(guān)吹灰操作或關(guān)斷機(jī)組供輔汽閥切斷源頭。

4.2 虹吸條件控制

如本文試驗(yàn)論證中所述，機(jī)組停機(jī)時(shí)，當(dāng)脫硝稀釋風(fēng)機(jī)持續(xù)投運(yùn)時(shí)，噴氨層噴嘴處始終處于正壓輸出狀態(tài)，破壞了虹吸條件的發(fā)生，可有效阻止供氨管道積水現(xiàn)象的發(fā)生。

對(duì)比以上技術(shù)措施，對(duì)供氨管道進(jìn)行吹掃的操作，執(zhí)行相對(duì)復(fù)雜，每次停機(jī)需投入一定的人力資源；單純地停止機(jī)組吹灰操作，會(huì)同時(shí)停止如壓縮空氣吹掃、高壓水沖洗等程序，影響吹灰效果；持續(xù)投運(yùn)稀釋風(fēng)機(jī)，實(shí)行相對(duì)簡單，但投運(yùn)時(shí)間長不利于機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行和設(shè)備檢修。考慮到技術(shù)措施執(zhí)行的簡單性、安全性和經(jīng)濟(jì)型，推薦在機(jī)組停機(jī)時(shí)，停止脫硝系統(tǒng)聯(lián)通煙道的蒸汽吹灰系統(tǒng)的輔汽供應(yīng)，即關(guān)斷脫硝和空預(yù)器的蒸汽吹灰器的輔汽一次門。

5 結(jié)語

通過原理分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)致該廠SCR系統(tǒng)供氨管道大量積水的原因?yàn)闄C(jī)組停機(jī)后噴氨層內(nèi)聚集的蒸汽通過噴嘴與供氨管道內(nèi)殘余的氨氣互溶形成了虹吸效應(yīng)，使得蒸汽被大量吸入供氨管道內(nèi)冷凝成積水。其中停機(jī)后蒸汽吹灰產(chǎn)生的噴氨層蒸汽聚集，供氨管道內(nèi)有殘余氨氣，以及噴氨層噴嘴特有的錐形結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了形成虹吸效應(yīng)的必要條件。通過在機(jī)組停機(jī)時(shí)執(zhí)行關(guān)斷脫硝和空預(yù)器的蒸汽吹灰器的輔汽一次門這種簡單、安全、經(jīng)濟(jì)的操作即可解決該類型脫硝供氨管道積水的問題。

本研究為同類型火力發(fā)電機(jī)組供氨管道積水問題的解決提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒，也為由于氨的理化特性造成的類似虹吸效應(yīng)啟發(fā)了相關(guān)思路，但仍有一些方面在今后需要深入探討和研究，如機(jī)組停機(jī)后持續(xù)運(yùn)行脫硝稀釋風(fēng)機(jī)多久能將供氨管道內(nèi)殘余的氨氣稀釋排凈，達(dá)到為系統(tǒng)維護(hù)提供安全便利的條件等。