脫硝系統熱解爐結晶運行分析處置及設備改造

國能寧東第一發電有限公司 馬 斌 王 宏

火力發電廠現多采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝系統，某電廠投產后因鍋爐爐膛出口NOx 高出設計值較多、脫硝熱解爐設計裕度較小、噴槍霧化能力不足等三方面問題，機組在正常運行期間頻繁出現了熱解爐差壓高，風量下降、出口溫度低的異常現象，經抽槍檢查確認為熱解爐內產生結晶異物導致，多次影響到機組正常負荷接帶和環保參數的控制，對機組的安全、經濟、環保運行產生了較大威脅。

本案通過運行有效的控制手段徹底消除了熱解爐結晶隱患，成功實現了運行期間在環保不超標的前提下將熱解爐結晶物分解，指導現有運行機組緩解鍋爐熱解爐堵塞的風險，避免環保參數超標及因熱解爐堵塞機組被迫停運事件。后期又利用機組檢修對設備系統進行了技術改造，解決因熱解爐制氨能力不足過負荷運行導致結晶惡化的問題，徹底解決了脫硝熱解爐結晶堵塞的隱患。

1 設備概述

某電廠鍋爐本體是北京巴布科克·威爾科克斯有限公司設計、制造的超超臨界變壓運行本生直流SWUP（Spiral Wound UP）鍋爐，前后墻對沖燃燒方式，每臺機組均裝設一套脫硝煙道系統。脫硝煙道系統采用高塵方案，雙煙道雙反應器布置模式，SCR 工藝，采用尿素熱解法制取氨氣作為脫硝還原劑。

2 熱解爐結晶產生機理及原因分析

尿素在熱解過程中，噴槍的霧化效果、熱解傳輸溫度風量、尿素濃度以及清潔程度等均會造成尿素熱解系統沉積物的產生，沉積物通過紅外光譜，質譜以及熱重分析主要為三聚氰酸、乙二肟、縮二脲、縮三脲等三聚化合物。國內多家電廠因脫硝系統熱解爐結晶堵塞而導致環保超標甚至被迫停運事件，某電廠兩臺爐曾多次出現熱解爐結晶導致差壓異常升高事件，最嚴重的為#3爐熱解爐差壓由0.3kPa 異常迅速上升至10.5kPa，出口壓力由6.4kPa降至0kPa，出口溫度由396℃降至316℃，入口風量由6248m3/h 突降至1461m3/h[1]。

2.1 脫硝熱解爐出現結晶堵塞后的檢查試驗情況

一是抽槍檢查時噴槍上部有凝結滴液現象，#2噴槍尤其明顯，分析流場原因導致此處溫度較低產生結晶且不能及時分解，結晶物累積到一定量后脫落至出口彎管處，導致熱解爐進出口差壓增加[2]。

二是通過限制機組負荷降低NOx 原始排放后手動減噴槍流量、提高出口溫度、加大風量，彎管處結晶物逐漸溶解后差壓逐漸恢復，如此過程反復出現。

三是化驗室進行結晶物加熱試驗，300℃軟化，400℃沸騰，說明尿素熱解沉積物具有良好的可溶性和熱分解性，提高熱解爐出口溫度至410℃，可以溶解部分結晶物。

圖1 熱解爐內結晶情況圖片

2.2 現場實際運行中存在的問題分析

一是鍋爐爐膛出口NOx 高出設計值較多，在燃用設計煤種及校核煤種的情況下，爐膛出口NOx 設計值約為200mg/Nm3，然而實際運行中（下層磨運行）爐膛出口NOx 排放值約為270mg/Nm3左右，若當下層磨組檢修上兩臺磨組同時運行時鍋爐出口NOx 約為310mg/Nm3左右。

脫硝熱解爐設計裕度較小。在鍋爐出口排放高于設計值的情況下，只有增大尿素流量方能控制鍋爐凈煙氣NOx 排放值達到超低排放水平，如按照設計值運行（運行熱解爐設計入口風量為4600Nm3/hr），遠遠無法保障高負荷情況下每桿噴槍流量約為120L/h 時熱解爐內的。

二是尿素溶液完全熱解，導致爐內溫度降低且流場分布不均，極易引起熱解爐內尿素結晶。

三是噴槍霧化能力不足，在滿負荷階段，四桿噴槍平均流量約為120L/h 左右，如遇異常工況需調節流量達到130L/h 左右時，則會發出噴槍霧化壓縮空氣壓力低報警，此時必須降低流量，保障尿素溶液霧化效果。

3 熱解爐局部結晶后的處置方法研究

一是提高一次風壓9～10kPa，增加一次熱風量，提高一次風溫，提高熱解爐出口溫度390～405℃。

二是優化燃燒調整，最大限度降低原煙氣NOx含量，可適當提高凈煙氣NOx 控制值40～45mg/Nm3，最大限度減小噴槍流量且保持各噴槍流量穩定、一致，如NOx 不易控制有超標風險，應及時申請降低機組負荷。

三是降低尿素母管壓力600～700kPa，減小調門調整時流量波動；適當降低尿素濃度至50%。

四是因熱解爐內流場不均，可能導致局部溫度無法滿足熱解爐熱解條件，導致尿素溶液積存結晶，將噴槍逐個退出維持運行60min 以上，提高熱解爐內局部溫度及溫度場均勻性，可明顯發現熱解爐出口壓力上升，風量上升，差壓逐漸恢復至正常，說明局部結晶物軟化脫落進而熔化。退槍期間對噴槍進行檢查沖洗及霧化試驗，確保噴槍運行良好。

五是尿素溶液結晶的產生和發展是一個愈演愈烈的遞增過程，一旦存在尿素結晶因素并持續運行時，由于結晶的積累，會導致流場熱流分配的破壞，結晶物會在某一個時間驟然猛增，嚴重的時候會在很短的時間內堵塞整個熱解爐尾管。因此，在發現熱解爐差壓升高時，應及時采取上述措施，盡快遏制熱解爐內運行劣化過程[3]。

4 后期運行防范措施研究

運行控制防范措施方面：一是對鍋爐氧量進行標定校準，使其能夠準確表征鍋爐燃燒實際氧量，合理控制氧量，切實降低脫硝反應器入口NOx 含量。二是將原煙氣NOx 濃度、尿素用量納入指標考核，完善運行調整措施，提高運行燃燒調整水平，控制NOx 原生濃度進而控制噴槍流量。三是優化尿素溶液調門自動調整邏輯，在尿素溶液自動控制邏輯中，考慮加入負荷、爐膛出口NOx 變化趨勢為前饋信號，減小調門大幅度流量調整，防止熱解爐內部由于流量突變而發生的內部溫度場大幅變化，優化自動調節PID 參數。四是根據運行實際情況適當降低尿素母管壓力至600～700kPa，使自動跟蹤調整及時、平穩。

尿素噴槍霧化效果不良主要考慮從以下幾個方面進行改進：一是全面控制各尿素噴槍流量，嚴格執行噴槍流量≯120L/h；二是霧化壓縮空氣品質全面監督，霧化壓縮空氣增加過濾器，監視其水分、油分及雜質含量；（霧化空氣品質要求：含油：＜1ppm；雜質粒徑：＜0.4mm（40目濾網）；壓力露點：＜-40℃；壓力0.6～0.8MPa）；三是嚴格把控除鹽水水質達標；四是加強尿素品質管理，對每批次尿素進行抽檢化驗，尿素濃度維持50%～52%，避免因其品質不合格造成尿素噴槍堵塞。噴槍后增加尿素溶液壓力測點，能夠及時判斷噴槍運行情況。

梳理定期工作執行制度和標準，制定尿素噴槍霧化定期檢查制度，嚴格執行噴槍20天一次定期清理；定期清理尿素溶液輸送泵及循環泵入口濾網，加強驗收和監督，確保檢修質量和工藝。每年進行一次噴氨優化試驗，對尿素熱解系統及SCR 系統進行評估。

5 設備系統改造方案研究

由于在#3爐脫硝系統在機組高負荷運行期間，熱解爐制氨能力不足，無法保證機組的超低排放；同時，在機組低負荷時，脫硝系統入口煙溫過低，無法滿足脫硝系統正常運行，導致機組排放超標，須對#3爐脫進行增容改造，即在原熱解爐的基礎上增加一臺熱解爐（相當于原熱解爐的旁路），提高熱解爐的制氨能力，同時為了滿足煙氣量降低的同時保證煙溫，在熱解風氣氣換熱器出口母管上增加電加熱器，電加熱器前后分別加裝電動插板門，以保證煙溫過低時熱解風風溫能夠滿足脫硝能力的需求。

圖2 系統變更前

由于脫硝系統增容改造后，增加了一臺熱解爐，在機組高負荷運行期間，脫硝熱解風量不足，無法保證機組的超低排放；同時，在機組低負荷時，脫硝系統入口煙溫過低，無法滿足脫硝系統正常運行，導致機組排放超標，需增壓風機補充大量熱一次風來保證熱解爐出口溫度；對脫硝增壓風機進行增容改造，即將原型號GW9-19-1風量為11733m3/h 額定功率為37kW 的順旋風機，更換為轉速2998r/min，工作溫度為330 ℃，功率為90kW 的順旋風機，增加了風量，提高熱解爐的制氨能力，同時滿足煙氣量降低的同時保證熱解爐出口煙溫，以保證煙溫過低時熱解風風溫能夠滿足脫硝能力的需求。

圖3 系統變更后

6 結論

通過研究熱解爐結晶堵塞機理，找到了熱解爐結晶的原因，通過一系列的控制措施和系統改造，徹底解決了熱解爐結晶堵塞對機組安全、環保、經濟運行所帶來的威脅，該項目在某電廠內實施效果顯著，能夠對火電廠SCR 脫硝系統處置熱解爐結晶堵塞的異常提供技術支持和依據。