脱硝系统热解炉结晶运行分析处置及设备改造

国能宁东第一发电有限公司 马 斌 王 宏

火力发电厂现多采用选择性催化还原法（SCR）脱硝系统，某电厂投产后因锅炉炉膛出口NOx 高出设计值较多、脱硝热解炉设计裕度较小、喷枪雾化能力不足等三方面问题，机组在正常运行期间频繁出现了热解炉差压高，风量下降、出口温度低的异常现象，经抽枪检查确认为热解炉内产生结晶异物导致，多次影响到机组正常负荷接带和环保参数的控制，对机组的安全、经济、环保运行产生了较大威胁。

本案通过运行有效的控制手段彻底消除了热解炉结晶隐患，成功实现了运行期间在环保不超标的前提下将热解炉结晶物分解，指导现有运行机组缓解锅炉热解炉堵塞的风险，避免环保参数超标及因热解炉堵塞机组被迫停运事件。后期又利用机组检修对设备系统进行了技术改造，解决因热解炉制氨能力不足过负荷运行导致结晶恶化的问题，彻底解决了脱硝热解炉结晶堵塞的隐患。

1 设备概述

某电厂锅炉本体是北京巴布科克·威尔科克斯有限公司设计、制造的超超临界变压运行本生直流SWUP（Spiral Wound UP）锅炉，前后墙对冲燃烧方式，每台机组均装设一套脱硝烟道系统。脱硝烟道系统采用高尘方案，双烟道双反应器布置模式，SCR 工艺，采用尿素热解法制取氨气作为脱硝还原剂。

2 热解炉结晶产生机理及原因分析

尿素在热解过程中，喷枪的雾化效果、热解传输温度风量、尿素浓度以及清洁程度等均会造成尿素热解系统沉积物的产生，沉积物通过红外光谱，质谱以及热重分析主要为三聚氰酸、乙二肟、缩二脲、缩三脲等三聚化合物。国内多家电厂因脱硝系统热解炉结晶堵塞而导致环保超标甚至被迫停运事件，某电厂两台炉曾多次出现热解炉结晶导致差压异常升高事件，最严重的为#3炉热解炉差压由0.3kPa 异常迅速上升至10.5kPa，出口压力由6.4kPa降至0kPa，出口温度由396℃降至316℃，入口风量由6248m³/h 突降至1461m³/h[1]。

2.1 脱硝热解炉出现结晶堵塞后的检查试验情况

一是抽枪检查时喷枪上部有凝结滴液现象，#2喷枪尤其明显，分析流场原因导致此处温度较低产生结晶且不能及时分解，结晶物累积到一定量后脱落至出口弯管处，导致热解炉进出口差压增加[2]。

二是通过限制机组负荷降低NOx 原始排放后手动减喷枪流量、提高出口温度、加大风量，弯管处结晶物逐渐溶解后差压逐渐恢复，如此过程反复出现。

三是化验室进行结晶物加热试验，300℃软化，400℃沸腾，说明尿素热解沉积物具有良好的可溶性和热分解性，提高热解炉出口温度至410℃，可以溶解部分结晶物。

图1 热解炉内结晶情况图片

2.2 现场实际运行中存在的问题分析

一是锅炉炉膛出口NOx 高出设计值较多，在燃用设计煤种及校核煤种的情况下，炉膛出口NOx 设计值约为200mg/Nm³，然而实际运行中（下层磨运行）炉膛出口NOx 排放值约为270mg/Nm³左右，若当下层磨组检修上两台磨组同时运行时锅炉出口NOx 约为310mg/Nm³左右。

脱硝热解炉设计裕度较小。在锅炉出口排放高于设计值的情况下，只有增大尿素流量方能控制锅炉净烟气NOx 排放值达到超低排放水平，如按照设计值运行（运行热解炉设计入口风量为4600Nm3/hr），远远无法保障高负荷情况下每杆喷枪流量约为120L/h 时热解炉内的。

二是尿素溶液完全热解，导致炉内温度降低且流场分布不均，极易引起热解炉内尿素结晶。

三是喷枪雾化能力不足，在满负荷阶段，四杆喷枪平均流量约为120L/h 左右，如遇异常工况需调节流量达到130L/h 左右时，则会发出喷枪雾化压缩空气压力低报警，此时必须降低流量，保障尿素溶液雾化效果。

3 热解炉局部结晶后的处置方法研究

一是提高一次风压9～10kPa，增加一次热风量，提高一次风温，提高热解炉出口温度390～405℃。

二是优化燃烧调整，最大限度降低原烟气NOx含量，可适当提高净烟气NOx 控制值40～45mg/Nm³，最大限度减小喷枪流量且保持各喷枪流量稳定、一致，如NOx 不易控制有超标风险，应及时申请降低机组负荷。

三是降低尿素母管压力600～700kPa，减小调门调整时流量波动；适当降低尿素浓度至50%。

四是因热解炉内流场不均，可能导致局部温度无法满足热解炉热解条件，导致尿素溶液积存结晶，将喷枪逐个退出维持运行60min 以上，提高热解炉内局部温度及温度场均匀性，可明显发现热解炉出口压力上升，风量上升，差压逐渐恢复至正常，说明局部结晶物软化脱落进而熔化。退枪期间对喷枪进行检查冲洗及雾化试验，确保喷枪运行良好。

五是尿素溶液结晶的产生和发展是一个愈演愈烈的递增过程，一旦存在尿素结晶因素并持续运行时，由于结晶的积累，会导致流场热流分配的破坏，结晶物会在某一个时间骤然猛增，严重的时候会在很短的时间内堵塞整个热解炉尾管。因此，在发现热解炉差压升高时，应及时采取上述措施，尽快遏制热解炉内运行劣化过程[3]。

4 后期运行防范措施研究

运行控制防范措施方面：一是对锅炉氧量进行标定校准，使其能够准确表征锅炉燃烧实际氧量，合理控制氧量，切实降低脱硝反应器入口NOx 含量。二是将原烟气NOx 浓度、尿素用量纳入指标考核，完善运行调整措施，提高运行燃烧调整水平，控制NOx 原生浓度进而控制喷枪流量。三是优化尿素溶液调门自动调整逻辑，在尿素溶液自动控制逻辑中，考虑加入负荷、炉膛出口NOx 变化趋势为前馈信号，减小调门大幅度流量调整，防止热解炉内部由于流量突变而发生的内部温度场大幅变化，优化自动调节PID 参数。四是根据运行实际情况适当降低尿素母管压力至600～700kPa，使自动跟踪调整及时、平稳。

尿素喷枪雾化效果不良主要考虑从以下几个方面进行改进：一是全面控制各尿素喷枪流量，严格执行喷枪流量≯120L/h；二是雾化压缩空气品质全面监督，雾化压缩空气增加过滤器，监视其水分、油分及杂质含量；（雾化空气品质要求：含油：＜1ppm；杂质粒径：＜0.4mm（40目滤网）；压力露点：＜-40℃；压力0.6～0.8MPa）；三是严格把控除盐水水质达标；四是加强尿素品质管理，对每批次尿素进行抽检化验，尿素浓度维持50%～52%，避免因其品质不合格造成尿素喷枪堵塞。喷枪后增加尿素溶液压力测点，能够及时判断喷枪运行情况。

梳理定期工作执行制度和标准，制定尿素喷枪雾化定期检查制度，严格执行喷枪20天一次定期清理；定期清理尿素溶液输送泵及循环泵入口滤网，加强验收和监督，确保检修质量和工艺。每年进行一次喷氨优化试验，对尿素热解系统及SCR 系统进行评估。

5 设备系统改造方案研究

由于在#3炉脱硝系统在机组高负荷运行期间，热解炉制氨能力不足，无法保证机组的超低排放；同时，在机组低负荷时，脱硝系统入口烟温过低，无法满足脱硝系统正常运行，导致机组排放超标，须对#3炉脱进行增容改造，即在原热解炉的基础上增加一台热解炉（相当于原热解炉的旁路），提高热解炉的制氨能力，同时为了满足烟气量降低的同时保证烟温，在热解风气气换热器出口母管上增加电加热器，电加热器前后分别加装电动插板门，以保证烟温过低时热解风风温能够满足脱硝能力的需求。

图2 系统变更前

由于脱硝系统增容改造后，增加了一台热解炉，在机组高负荷运行期间，脱硝热解风量不足，无法保证机组的超低排放；同时，在机组低负荷时，脱硝系统入口烟温过低，无法满足脱硝系统正常运行，导致机组排放超标，需增压风机补充大量热一次风来保证热解炉出口温度；对脱硝增压风机进行增容改造，即将原型号GW9-19-1风量为11733m³/h 额定功率为37kW 的顺旋风机，更换为转速2998r/min，工作温度为330 ℃，功率为90kW 的顺旋风机，增加了风量，提高热解炉的制氨能力，同时满足烟气量降低的同时保证热解炉出口烟温，以保证烟温过低时热解风风温能够满足脱硝能力的需求。

图3 系统变更后

6 结论

通过研究热解炉结晶堵塞机理，找到了热解炉结晶的原因，通过一系列的控制措施和系统改造，彻底解决了热解炉结晶堵塞对机组安全、环保、经济运行所带来的威胁，该项目在某电厂内实施效果显著，能够对火电厂SCR 脱硝系统处置热解炉结晶堵塞的异常提供技术支持和依据。