基于尿素水解制备氨气的SCR脱硝系统管道和阀门堵塞原因分析及处置措施研究

邵国奇

摘 要：罗定电厂（广东省粤泷发电有限责任公司）锅炉超低排放脱硝系统采用SCR工艺，即选择性催化还原工艺，指还原剂（NH3、尿素等）在催化剂的作用下，选择性地与烟气中的NOx发生还原反应生成N2和水。SCR脱硝工艺是目前最成熟的烟气脱硝技术，其是一种炉后脱硝。罗定电厂采用氨气作为还原剂，利用新型尿素催化水解设备制备，实时产生氨气，实时消耗，运行经济，安全可靠。但是，该系统在投运后一段时间，氨气系统管道、阀门等均出现堵塞现象。为有效解决氨气系统堵塞问题，本文深入分析了堵塞的原因，并提出处置措施。

关键词：SCR脱硝系统;管道和阀门堵塞;原因

中图分类号：X773文献标识码：A文章编号：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气的SCR脱硝系统及工艺流程

1.1 系统介绍

罗定电厂于2004年建成投产，锅炉为DG420/13.7-II2型（配置135MW汽轮机发电机），П型、单炉膛、固态排渣、一次中间再热、管式空气预热器、超高压自然循环汽包炉。采用中间储仓式低氧炉烟热风送粉制粉系统。2012年，锅炉进行了无烟煤改烧烟煤技术改造。2017年，进行超低排放改造，燃烧器采用扭曲板型煤粉浓缩器，四角布置，切圆燃烧。

罗定电厂原脱硝系统采用炉内SNCR+SCR尿素溶液直喷式工艺系统，2017年进行超低排放技术改造后，采用SCR旁路烟道氨气脱硝工艺，脱硝效率显著提高、运行维护简单。原炉内SNCR保留作为备用设备，SCR拆除。脱硝SCR工艺为选择性催化还原，是指还原剂（NH3、尿素等）在催化剂的作用下，选择性地与烟气中的NOx发生还原反应生成N2和水。SCR技术是目前最成熟的烟气脱硝技术，其是一种炉后脱硝，对于锅炉本体内部设备安全运行无影响。SCR工艺系统主要由烟气系统、SCR反应器系统、吹灰系统、尿素催化水解系统、氨喷射系统和尿素溶液制备系统等组成[1]。尿素催化水解系统分为水解反应系统、尿素溶液供给系统、蒸汽供给系统、排污系统、除盐水系统、催化剂给料系统、反吹系统、伴热系统及测量和控制系统。其中，水解系统设计为2个水解器罐，正常运行时1台运行1台备用。在氨气系统与烟气混合前的氨气侧管道上装有一支阻火器，用以防止氨气爆燃。

1.2 SCR脱硝系统工艺流程

由尿素溶液制备系统制备的尿素溶液被送入尿素催化水解器，在加热蒸汽和催化剂的作用下发生水解反应，催化剂的作用是改变反应路径、加快反应速率和降低响应时间。水解产生的氨气与空气预热器出口热风混合均匀，通过喷氨格栅喷入SCR反应器上游的烟气中，SCR反应器安装3层催化剂，充分混合后的还原剂和烟气在SCR反应器中在催化剂的作用下发生反应，去除NOx。脱硝系统的化学原理及反应方程式如下[2]。

水解过程为：

NH2CONH2+H2O=2NH3+CO2                           （1）

吸收过程为：

4NO+4NH3+O2=N2+ 6H2ONO            （2）

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

SCR（脱硝系统）催化剂的工作温度是有一定范围的，温度过高（>450℃）时，催化剂会加速老化;当温度低于290℃时，在同一催化剂的作用下，另一反应也会发生，反应方程式如下。

2SO2+O2→2SO3                           （4）

NH3+H2O+SO3→NH4HSO4                 （5）

NH4HSO4黏性大，易黏结在催化剂和锅炉尾部的受热面上，影响锅炉系统的正常运行。因此，只有催化剂环境的烟气温度在295～430℃时，方允许启动脱硝。

2 SCR脱硝系统管道阀门堵塞及其原因

2.1 管道阀门堵塞现象

2017年，罗定电厂SCR脱硝系统投入运行，整体烟气脱硝效果良好，脱硝效率高，运行操作简单，维护成本低，具有相当优势。但是，在系统运行一段时间后，氨气制备和输送系统多次出现系统管道堵塞、阀门内漏或卡死等现象。特别是在脱硝系统停运后再次启动时，堵塞现象更为明显，只能停运设备进行检修解决。由此，引发电厂脱硝系统运行不稳定、环保排放不易控制等一系列问题，给机组正常运行带来困扰，同时也增加了设备维护工作量。通过多次对系统管道、阀门等进行检查发现：管道内有积水，阀门内部存在结晶体，且附着不明杂质，固态异物堵塞阻火器滤网[3]。

2.2 堵塞原因

通过对上述问题进行深入分析，同时查阅相关资料，初步得出造成系统堵塞或系统设备无法正常工作的原因主要有以下几点。

2.2.1 设计缺陷。脱硝系统设计有蒸汽伴热系统和蒸汽吹扫系统。由于设计原因，伴热系统布置不合理，蒸汽汽源单一，造成设备运行时伴热不均匀、效果差，设备停运后，系统无伴热汽源。当再次投运时，系统管道内氨气和水蒸汽产生冷凝现象，大量凝结水聚集在管道内，造成堵塞。另外，氨气管道的蒸汽吹扫安排在机组停运过程中进行，吹扫后的蒸汽直接通过氨气喷射系统喷入锅炉烟道内，不允许排到外界环境中，这就造成系统管道内的杂质随蒸汽流动，最后堆积在阻火器等设备内部造成堵塞。

2.2.2 杂质影响。尿素水解制氨过程中，尿素纯度、设备运行状态不稳定等，造成反应过程中伴有杂质产生，此杂质主要成分为氨基甲酸铵。氨基甲酸铵在一定压力和温度条件下会产生结晶析出。因此，在氨气系统运行时，当系统压力和温度达到结晶析出临界点时，氨基甲酸铵结晶析出并黏结在阀门阀芯、阻火器等部位，造成堵塞[4]。另外，高浓度的尿素溶液受热容易生成难溶于水的缩二脲及其他缩合物，这也是造成尿素水解系统易被堵塞的原因之一。

2.2.3 设备选型不合理。管道、阀门设计选型时未充分考虑尿素水解运行及氨气输送特性，造成所选用管道、阀门不能长期在此条件下正常工作。

2.2.4 运行维护不当。水解器在正常备用时，未对备用水解器温度、压力等进行有效监控和调整，导致温度、压力等参数未保持在规定范围内，进而造成系统产生结晶物。另外，对水解器定期排污工作安排不合理，操作、执行不到位，造成水解系统运行时产生的杂质不能及时排走，长时间运行后杂质沉积堵塞系统。

3 处置措施

3.1 伴热系统优化

根据机组运行特点，采用了多源式蒸汽伴热系统汽源接入方式，使汽源运行方式灵活，满足在机组调峰情况下供汽稳定性要求。改善伴熱系统效果，通过增加导热泥、修复保温层、合理选择保温材料、优化伴热系统安装方式等，保证蒸汽伴热系统运行稳定。同时，对于一些不易安装蒸汽伴热系统的设备，采用灵活性较好的电伴热方式，以达到最佳效果。

3.2 建立标准制度

完善蒸汽吹扫制度，制定氨气系统蒸汽吹扫操作标准，建立监督机制，使蒸汽吹扫工作落实到位。制定定期工作标准，如水解器的定期切换、水解器表面与底部定期排污等标准，使工作人员按标准执行。建立设备停运后定期维护的工作台账，以对停运后的管道、阀门、阻火器等进行必要的检查与清理。

3.3 合理选用设备

对氨气系统管道、阀门进行更换或升级，选用适用于氨气系统的波纹管截止阀、抗腐蚀性良好的尿素级316L和25—22—2材质管道等[5]，以从源头上解决问题。

3.4 加强技术改造

在系统设备如水解器出口管道等重要部位加装合适的过滤装置，及时过滤杂质，减少或避免杂质进入系统，并定期清洗滤网。选择合适的阻火器，使之满足运行要求。阻火器采用冗余运行方式，运行时可切换并进行检修清理，进而降低阻火器堵塞对系统运行稳定性的影响。此外，还要及时了解行业技术创新成果，适时吸纳新技术、新应用。

4 结语

通过查阅资料，及时总结经验，罗定电厂脱硝系统堵塞原因已明确。同时，通过对改进、防范措施的严格落实，罗定电厂脱硝系统运行稳定性大幅提高，管道堵塞及阀门卡漏问题已经得到有效控制和解决，电厂安全、经济、环保合法合规运行也得到有效保障。

参考文献：

[1]张波，张向宇，李明浩，等.火电厂尿素水解产品气输送问题分析[J].热力发电，2015（11）：114-117.

[2]陈海彩，张军，沈乐，等.火电厂尿素热解和水解工艺研究[J].电力科学与工程，2014（6）：16-19.

[3]姚宣，沈滨，郑鹏，等.烟气脱硝用尿素水解装置性能分析[J].中国电机工程学报，2013（14）：38-43.

[4]徐岩.脱硝尿素水解系统余热利用优化设置[J].资源节约与环保，2016（11）：11.

[5]张觉莉.国产尿素水解制氨成套装置仪控设计[J].科技资讯，2014（9）：93.