尿素热解制氨工艺在1000MW燃煤电厂的应用与优化

喻小伟，匡萃杰

（1.华电电力科学研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2.中煤新集利辛发电有限公司，安徽省 亳州市 236744）

0 引言

选择性催化剂还原(selective catalytic reduction，SCR)脱硝工艺是目前火电厂广泛应用的烟气脱硝技术之一，脱硝还原剂一般选用液氨、氨水或尿素[1-2]。氨水与液氨都属于危险化学品，尿素则为白色或浅黄色的结晶体，易溶于水，水溶液呈中性反应。与氨水及液氨相比，尿素是无毒、无害的化学品，是农业常用的肥料，无爆炸可能性，完全没有危险性。尿素在运输、储存中无需安全及危险性的考量，更不须任何的紧急程序来确保安全[3]。尿素作为还原剂在燃煤电厂脱硝工程中应用广泛[4]，尤其是在选择性非催化还原(selective non catalytic reduction，SNCR)脱硝系统中，与液氨和氨水相比有着系统简单、安全系数高、运行成本低廉的优势[5-6]。尿素溶液被喷入高温炉膛反应，分解完全，在管道和烟道中结晶少，不容易形成堵塞，有利于系统精确控制。然而在SCR脱硝系统中，还原剂多使用液氨，而较少使用尿素，这是因为液氨直接蒸发可形成氨气，而尿素必须经过热解或水解工艺才能制成氨气。相比于尿素水解工艺，尿素热解制氨工艺由于系统简单、投资成本低、运行稳定、响应速度快、维护量小等优势，越来越多地被电厂采用[7-11]。

国投新集电力利辛板集发电厂(下文简称“板集电厂”)一期建设2 台1 000 MW 超超临界燃煤机组，同步建设SCR烟气脱硝工程，还原剂方案选用尿素热解制氨工艺，每台机组配置一套独立的尿素热解制氨装置。本文分析了板集电厂尿素热解装置在运行过程中出现的沉积物堵塞现象，探讨了堵塞出现的原因，并提出了相应的解决措施及方案，可为国内外其他配置尿素热解工艺的电厂提供借鉴。

1 尿素热解技术原理

尿素的热解反应过程极为复杂，包括众多的中间反应和副反应，同时也会生产众多的中间反应产物和副反应产物[12-13]，当反应温度低于360 ℃时，这些中间反应产物和副反应产物会大量生成，不利于尿素的完全分解。当反应温度高于360 ℃时，尿素的分解反应以下列反应为主：

尿素(CO(NH2)2)在受热时会分解为氨(NH3)和异氰酸(HNCO)，HNCO遇到水汽会发生水解生成NH3和CO2。上述反应在极短的时间完成，因此也可以综合为下列反应：

2 尿素热解工艺

板集电厂尿素热解工艺如图1 所示。尿素颗粒通过斗提机提升到溶解罐中，用除盐水将干尿素溶解成50%质量分数的尿素溶液，由于尿素溶解过程是吸热反应，为避免温度过低导致尿素溶液结晶，需使用辅助蒸汽将尿素溶解加热至40～50 ℃。用尿素混合给料泵将配制合格的尿素溶液送入储罐，2个尿素溶液储罐供2台机组的尿素热解装置使用，互为备用。为避免结晶，同样使用辅助蒸汽对尿素溶液储罐加热，维持35 ℃以上的温度。使用尿素溶液循环泵为热解炉供应尿素溶液，通过计量分配装置控制尿素溶液供应流量。用压缩空气雾化尿素溶液后喷入热解炉，在热解炉内发生热解反应。热解炉的热源采用空预器后热二次风抽气，经增压风机加压，通过两级电加热器加热至600 ℃后送入热解炉内。热解炉出口温度控制在340 ℃以上，但不超过400 ℃，以保证热解反应完全，且能源消耗控制在合理的范围。雾化后的尿素液滴在绝热分解室内受热分解，生成SCR 脱硝系统反应所需的还原剂(氨)，与稀释空气混合成氨质量分数小于5%的氨/空气混合物，经由氨喷射系统进入SCR反应器参与脱硝反应。

图1 板集电厂尿素热解工艺示意图Fig.1 Diagram of urea pyrolysis technology in Banji power plant

3 运行中的问题及分析

3.1 沉积物堵塞

板集电厂1号机组于2016年8月投产，2号机组于2016 年10 月投产。2017 年5 月，1 号锅炉检修，对热解炉内检查时发现炉内堵塞严重，内壁挂满结晶体，仅剩1/3 通道可以流通，如图2 所示。检修时对热解炉内、出口管道、喷氨格栅入口左右侧联箱进行了全部清理。2017年6月，2号锅炉运行时解炉内压力缓慢上涨至5.5 kPa，后期检修对热解炉内检查时发现炉内堵塞严重，与1号热解炉类似，而后对热解炉内、出口管道、喷氨格栅入口左右侧联箱进行了全部清理。尿素热解炉在运行过程中因形成沉积物而被堵塞，已经成为尿素热解工艺的一个比较共性的问题，国内多家配置尿素热解工艺的电厂均已出现热解炉堵塞的情况[14]。当热解温度降低时，尿素不会完全发生分解，在分解过程中会生成一系列复杂的中间产物，一般为三聚氰酸、乙二肟、缩二脲、缩三脲等[15-17]，这些中间产物不易分解，并且容易在热解炉内和管道中产生沉积，生成坚硬的沉积物，从而造成堵塞。

图2 板集电厂热解炉内沉积物照片Fig.2 Photos of pyrolysis furnace sediment in Banji power plant

3.2 热解风量不足

热解炉入口热二次风量的设计要求为不低于8 000 m³/h，但是目前1 号炉脱硝增压风机正常运行时热解炉入口流量只有7 000 m³/h左右，2号炉只有6 300 m³/h 左右，与设计值有较大差距。经过机组检修调查表明，造成热解炉入口流量下降的原因包括以下3点：1）由于热二次风内飞灰含量大，脱硝增压风机长时间运行导致叶片磨损，使出力下降；2）喷氨格栅、热解炉及管道存在不同程度的堵塞，使风道减小；3）检修期间脱硝电加热器增加防磨套管，使风道减小。当机组负荷升高、尿素溶液喷射量增加时，热解风量不足会影响尿素热解效率，同时导致尿素热解的中间反应发生，生成大量的中间产物，沉积在热解炉内和管道中。

3.3 电加热器出力受限

2号炉脱硝电加热器当出力达到88%时，电加热器本体出口3个温度测点分别为680、650、650 ℃(电加热器本体出口温度大于700 ℃，三取二跳闸，此逻辑是为了防止脱硝电加热器超温跳闸)。由于电加热器入口风量过低，电加热器产生的热量不能及时带走，从而造成脱硝电加热器本体出口温度高。当机组负荷升高、尿素溶液流量增大时，风量无法随之提升，会导致热解温度下降，从而影响热解效率，造成尿素结晶或中间产物大量生成。

3.4 热解炉内温度监测有限

目前热解炉内只有3 个温度测点，就地分布在热解炉中上部，水平相差120°，当热解炉内空气场分布不均时，无法及时体现，导致热解炉内较低的温度区域无法监视到。目前电厂运行时要求热解炉出口温度不低于360 ℃，当炉内存在局部温度过低时，尿素热解的中间反应就会发生，中间产物也会随之生成。

3.5 尿素溶液喷枪雾化效果差

尿素溶液喷枪流量增大时，雾化效果差。2号炉B、D喷枪流量测点故障，长期无备件，不能监视喷枪运行情况。特别是进入冬季，从尿素溶液制备到进入热解炉内，管线长，保温效果差，加上雾化用压缩空气温度较低，尿素溶液易结晶，导致喷枪堵塞，雾化效果进一步降低，造成热解效率下降，导致部分来不及分解的尿素及中间产物沉积加剧。

由于机组负荷随自动发电控制(automatic generation control，AGC)指令在不断变化，特选取1、2号机相同负荷段稳定运行时的脱硝系统参数进行对比，如表1所示。可以看出，900 MW及以下负荷阶段，在锅炉氧量接近一致的条件下，2号炉脱硝反应器入口烟气NOx含量低于1号炉，2号炉尿素溶液用量低于1号炉。2号炉脱硝反应器入口烟气NOx含量低于1号炉的主要原因为，2号炉调试期间对燃烧器及二次风门进行调整，空气动力场较好。目前1 号炉两侧汽温的平衡，主要是靠运行人员对燃尽风门进行调节。为了保证两侧汽温接近，运行时#1/2/3/4角燃尽风门开度保持相对较小，从而导致燃烧过程中NOx的生成量增加。当负荷为1 000 MW时，2号炉尿素溶液用量明显大于1 号炉，原因为机组负荷过高，脱硝反应过程氨的需求量增大，2 号炉脱硝热解炉出力受限，热解炉出口温度低于360 ℃，同时热风量偏小，尿素不能完全分解，生成三聚氰酸、三聚氰胺等中间聚合物，生成NH3比例降低。生成的中间聚合物一部分随热解炉出口热风经过喷氨格栅进入炉膛，一部分沉积在热解炉及热解炉出口管道内。为了保证净烟气中NOx含量不超过排放限值50 mg/m³，不得不增加尿素溶液喷射量，而增加尿素溶液喷射量又会导致尿素分解效率下降，产生沉积物，如此恶性循环。

表1 不同负荷下1&2号炉脱硝系统参数对比Tab.1 Comparison of SCR parameters of No.1&2 unit in different loads

4 解决措施

针对板集电厂尿素热解制氨装置存在的问题，提出以下解决措施和方案：

1）停炉期间对热解炉内部进行检查，及时清除内部沉积物；对脱硝电加热进行详细检查，发现电加热管磨损时及时更换，使电加热器满足安全运行及热解炉出力的需要。

2）优化燃烧调整、合理调整配风，降低脱硝反应器入口NOx的生成量，从而减少尿素溶液喷射量。

3）加强脱硝系统的监视和调整，控制好尿素溶液喷射量和热解炉出口温度(原则上不低于360 ℃)，保持净烟气NOx质量浓度在40 mg/m³以上。

4）加强对机组各参数的调整，尤其是在机组负荷变化及启停磨煤机前，提前调整脱硝参数，保持各尿素喷枪出力平衡，增加尿素喷枪溶液流量时禁止大幅操作，避免尿素流量过大造成热解炉内局部温度过低，导致尿素反应不完全，使热解炉内结晶堵塞。

5）鉴于目前2 号炉脱硝热解炉入口风量过低，可适当启动备用脱硝增压风机，保持2 台风机并列运行10 min 后停运一台风机备用，以增加脱硝热解炉入口风量。

6）定期对脱硝增压风机叶轮及漏风情况进行检查，发现叶轮磨损时及时更换，确保脱硝增压风机出力正常。

7）定期对热解炉喷枪进行检查，及时清理内部结晶，并进行雾化试验，同时加强雾化用压缩空气压力的监视，对尿素溶液管道及喷枪等相关设备保温、伴热的检查，防止尿素喷枪雾化效果变差。

8）对尿素喷枪进行自动优化，使其在机组负荷变化时，能够自动调节尿素溶液喷射量。防止由于手动操作喷枪调门造成尿素溶液喷射量过大，以及事故处理时减少操作量。

5 结论

自采用以上检修手段以及运行优化措施以来，板集电厂再未发生过热解炉严重堵塞的情况，并且明显减少了尿素用量，节省了运行成本。在净烟气NOx含量变化不大的条件下，机组负荷为1 000 MW 时尿素溶液喷射量由625 L/h 降低至560 L/h， 尿 素 单 耗 由0.45 g/(kW·h) 降 低 至0.40 g/(kW·h)，按照2台机组年发电量100亿kW·h计算，年尿素总消耗量减少500 t左右，按照每吨尿素0.26 万元计算，年节省大宗物资费用130万元。

虽然目前机组运行状况良好，但是风险还是一直存在。建议后期增加雾化空气管道的伴热保温，避免冬季雾化空气温度过低导致尿素溶液结晶，使喷枪堵塞；将脱硝增压风机叶轮更换为大叶轮，增大风机出力；增加热解炉内温度测点的布置，便于监测热解炉内各区域的温度，及时发现存在均布温度过低的情况；现脱硝热解炉风源为热二次风，由于热二次风飞灰含量大，不仅会造成脱硝增压风机叶片磨损和电加热器磨损，而且也会增加尿素在热解炉内结晶和发生中间反应的概率。建议调研同类型电厂，后期可以考虑将脱硝热解炉风源改为飞灰含量较低的热一次风。