尿素热解炉内直喷系统在超低排放改造中的应用

邹红果

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100091)



尿素热解炉内直喷系统在超低排放改造中的应用

邹红果

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100091)

围绕大唐陡河发电厂的脱硝超低排放改造，简要介绍了尿素热解炉内直喷系统的应用及其技术优越性，对今后的超低排放改造提出了建议。

超低排放；尿素热解炉内直喷；SCR；脱硝

根据《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的要求，在2014年7月1日之前，火力发电机组的NOx浓度排放标准执行100 mg/Nm3的限值[1]。从脱硝工艺的应用情况来看，大部分机组采用脱硝效率较高的SCR法[2]；而尿素还原剂以其安全性的优势，被越来越多的电厂所接受，采用尿素热解制氨SCR脱硝技术的机组出现迅猛发展。但是，国内的尿素热解制氨工艺的热源主要采用电能，由于其高电耗，也成为尿素热解工艺广泛推广应用的主要障碍。

2014年9月12日，三部委联合下发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》，火力发电机组的NOx浓度排放标准执行50 mg/Nm3的限值，脱硝改造进入超低排放改造时代。对于采用尿素热解制氨工艺的SCR脱硝机组，面临着尿素热解制氨装置增容改造的难题。

大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂3-8号机组配套的尿素热解制氨SCR脱硝装置能满足《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的要求，但达不到超低排放的限值。因此，在进行超低排放改造时，增设一套尿素热解炉内直喷系统，替代原尿素热解系统，并且通过高加旁路以及省煤器改造，提高SCR入口烟温，确保脱硝装置正常运行。

1 原脱硝系统介绍

大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂#3-#8号燃煤机组脱硝系统采用“低氮燃烧器+SCR”的技术，本工程每台机组设置2个SCR反应器、1台热解炉、1台电加热器和3只喷枪；尿素热解采用高温空气，首先由稀释风机将空预器出口约300℃的热二次风增压，而后用电加热器将高温空气加热至约600℃；6台机组共用1套尿素溶液供应系统。在设计煤种、锅炉最大工况(BMCR)、处理100%烟气量条件下，脱硝催化剂按照2+1层进行考虑，在催化剂化学寿命(24000小时)期满之前，安装2层催化剂时脱硝效率不小于80%，SCR出口NOx浓度控制在100 mg/Nm3以内。

自脱硝装置投运后，热解炉系统、SCR入口烟温以及NOx浓度存在以下几个问题：

(1)当喷枪堵塞需要消缺时，NOx超标，裕量不足。(2)6台机组共用1根尿素溶液母管，如果出现问题，将会影响6台机组的整体运行。(3)稀释风机易出现震动大等缺陷，可靠性差。热解系统稀释风取自空预器出口，管道阻力大，稀释风机出口风压值较高，稀释风机转速达2950转/分。另外，由于热二次风含尘量很大，且风机未做任何防磨处理，造成风机运行一段时间后因为叶轮磨损，风机振动加剧，风壳磨损，造成风机轴承损坏和风壳漏风。(4)稀释风电加热器耗能较高(单台机组年均耗电量约280万kwh)，且加热管多次出现烧坏，备用加热芯已更换多个。(5)50%负荷以下及高加停运时，烟气温度偏低(低于300℃)，脱硝系统不能投运。(6) 脱硝系统入口NOx浓度值较高，已偏离设计值：#3、#4机组SCR系统入口NOx浓度约350～500 mg/Nm3，高值可达600 mg/Nm3；#5～#8机组SCR系统入口NOx浓度约450～600 mg/Nm3，高值可达650 mg/Nm3。

2 脱硝改造设计基础参数

脱硝改造设计基础参数见表1。

表1 基础参数一览表

3 脱硝改造方案设计

本次脱硝超低排放改造，大唐陡河发电厂#3-#8号机组采用优化低氮燃烧器+SCR尿素热解炉内直喷技术+增加备用层催化剂的技术方案，脱硝效率按不小于93%设计，确保SCR出口NOx浓度控制在40 mg/Nm3以下。

3.1 优化低氮燃烧器

本工程低氮燃烧器运行时间较长，已局部出现问题。为减少SCR系统入口NOx的含量，首先需要对现有的低氮燃烧器进行优化设计。目前，#3、#4机组的低氮燃烧器已烧损，需对已烧损的低氮燃烧器内、外二次风喷口进行更换，共计32套；对#5～#8机组的低氮燃烧器的三次风进行优化布置，以及对已烧损的低氮燃烧器喷嘴重新更换，共更换三次风嘴组件12个，一次风火嘴16个。

3.2 增设尿素热解炉内直喷系统

尿素热解炉内直喷技术是在锅炉转向室位置增加尿素溶液喷射器和计量分配控制装置，利用喷枪把尿素溶液直接喷射到锅炉内600℃的高温烟气空间(即转向室处)，配套设置尿素溶液、压缩空气管道系统；本系统取消了炉外热解系统的电加热器、热解炉及热风管道系统，节省了大量的热解电耗。其系统示意图如图1。

本工程每台炉增设计量、分配控制装置2套，分别布置在锅炉转向室两侧附近的平台上；在锅炉转向室两侧适当的位置进行开孔，单台炉设6套组合式多喷嘴喷射器(含伸缩机构)；新系统的尿素溶液从现有计量分配装置尿素溶液母管抽取，原尿素溶液制备系统及其运行方式保持不变；为了确保氨气/烟气的混合均匀性，在省煤器出口与反应器入口之间优化SCR系统原有导流元件，新增特殊的烟气/氨气混合器，改善催化剂入口烟气条件，使烟气流场不因改变喷氨方式而产生变化。此外，每台炉增设1套冷却风机模块和稀释水装置，用于喷枪的冷却以及尿素溶液的稀释。

图1 尿素直喷系统示意图

3.3 增加备用层催化剂

增加备用层催化剂，以及配套的蒸汽、声波吹灰系统。

4 其它配套改造

4.1 提高SCR入口烟温改造

陡河电厂现役机组为老机组，已运行将近30年，目前#5～#8机组存在50%负荷以下及高加停运时，SCR入口烟温降至300℃以下，低于催化剂允许投运的最低温度，SCR脱硝装置须停止喷氨。为提高低负荷时省煤器出口烟气温度，保证脱硝装置正常运行，本次改造采用省煤器改造+高加旁路改造的技术方案。割除省煤器下部部分受热面，并采用短管将保留的省煤器与原省煤器进口集箱连接；将原有高加大旁路更改为小旁路系统，减少单台高加故障过多影响给水温度；从而提高省煤器出口烟气温度，保证脱硝装置正常运行。

4.2 增加尿素溶液母管改造

脱硝系统提效改造后，尿素溶液耗量增加，原设计的6台炉共用1根尿素溶液母管不满足改造后系统的安全稳定运行，须新增一套尿素溶液循环管路系统，与原系统并列布置，分别用于3台机组脱硝装置的尿素溶液供应。

同时，新增2台多级离心变频泵(尿素溶液循环泵和蒸汽疏水泵各1台)，流量为10 m3/h，压头为1.2 MPa。尿素溶液循环泵作为备件，蒸汽疏水泵与原2台疏水泵，2运1备，用于全厂尿素溶液管路系统的热水伴热。

5 尿素热解炉内直喷技术优越性

本工程在进行设计时，保留了原尿素热解系统，新热解系统与原系统不交叉，可随时方便的进行系统切换操作；并且新系统的尿素溶液从现有计量分配装置尿素溶液母管抽取，原尿素溶液制备系统及其运行方式保持不变。通过增设尿素热解炉内直喷系统，为本工程解决了以下问题：(1)取消电加热器，减少尿素热解制氨系统的电耗；(2)取消用于尿素热解的锅炉一次热风的消耗；(3)简化热解系统，取消原有热解制氨系统的炉区设备(电加热器、热解炉、热风管道系统、AIG设备)；(4)消除尿素分解不完全或低温结晶而导致AIG结晶堵塞的风险。

本脱硝系统的应用，起到了节能降耗的作用。原#3、#4炉单台机组电加热器功率为450 kw/炉，#5～#8炉单台机组电加热器功率为550 kw/炉。采用尿素热解炉内直喷系统后，利用锅炉本体内自身的高温烟气热量替换热解炉用于尿素热解，单台锅炉减少尿素热解系统电耗约280 kwh，每年节约用电1550万度；单台锅炉减少尿素热解系统热风耗量约2500 m3/h；同时也解决了稀释风机磨损、出力不足、可靠性差等问题。

6 结语

大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂#3—#8号燃煤机组投运后，不仅很好地解决了原脱硝装置的遗留问题，并且，脱硝系统出口NOx浓度的排放值均在40 mg/Nm3以下，氨逃逸率在3 ppm以下，SO2/SO3的转化率在1%以内；各项性能指标均优于改造前。

鉴于大唐陡河发电厂的成功经验，建议各电厂在进行超低排放改造时，结合现有设备和环保的排放情况，对不断推出的超低排放新技术进行充分调研，以安全、经济、环保、节能为原则，选择最合适的改造技术方案，在实现超低排放改造目标的同时，兼顾到节能降耗。

[1] 环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准[S].2011.

[2] 夏怀祥，段传和，等.选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝[M].北京:中国电力出版社，2012.

The application of urea pyrolysis direct injection system to an ultra-low emission reconstruction project

Zou Hongguo

(Datang Environment Industry Group Co.,Ltd., Beijing 100091,China)

Together with the case of ultra-low emission reconstruction for denitrification carried out in Datang Douhe power plant, the application and technical superiority of urea pyrolysis direct injection system are briefly introduced in this paper, some suggestions are also proposed for serving as reference for future ultra-low emission reconstruction project.

Ultra-low emission; urea pyrolysis direct injection system; SCR; denitrification

2017-02-08; 2017-05-07 修回

邹红果(1980-)，女，高级工程师，主要从事火力发电厂电力环保脱硫脱硝工作。E-mail:hgzou@163.com

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