某电厂烟气脱硝尿素热解系统运行中存在的问题及对策

李 伟

（国家能源集团宝庆发电有限公司，湖南 邵阳 422000）

0 引言

目前在各火力发电厂烟气脱硝技术主要有SCR和SNCR。SCR 和SNCR 烟气脱硝常用的还原剂是液氨、氨水和尿素，液氨属于危险品，目前出于安全方面考虑多数电厂逐渐认可尿素用于还原剂，尿素作为还原剂制氨主要有热解与水解两种方式[1]。尿素水解制氨系统安全、稳定、运行费用低，已成为首选尿素制氨系统技术。

本文针对某电厂使用的由东方电气集团东方锅炉股份有限公司设计安装的尿素水解制氨系统，从2022 年投入运行至今在运行中逐渐暴露出的一些问题，进行分析并提出解决措施。

1 某电厂660 MW 机组尿素水解制氨脱硝系统简介

1.1 系统组成

尿素站由尿素溶解系统、尿素溶液储存输送系统、尿素水解系统、尿素站公用系统组成，主要设备包括尿素溶液溶解罐（配置一台搅拌器）、尿素溶解泵、尿素溶液储罐、尿素溶液输送泵、水解器、疏水箱、废水池、减温水增压泵、催化剂加药设备等。

1.2 工艺流程

尿素进入尿素溶解罐与水混合搅拌，制备成50%浓度的尿素溶液，经尿素溶解泵输送至尿素溶液储罐储存，经尿素溶液输送泵至水解器，利用减温减压后的蒸汽升温，将尿素溶液水解蒸发为氨蒸气，氨蒸汽送入氨/空混合器与热一次风充分混合，通过气氨喷射系统将稀释后的气氨喷入SCR 反应器入口烟道与烟气充分混合，再进入SCR 反应器，如图1 所示。

图1 尿素水解制氨脱硝系统工艺流程示意图

1.3 尿素水解制氨反应原理

尿素溶液在一定温度、压力条件下，尿素水溶液分解产生氨和二氧化碳，其反应方程式见式（1）：

1.4 脱硝系统概述

该厂脱硝系统采取选择性催化还原（SCR）法，原还原剂为液氨，2022 年12 月改为尿素。尿素水解产生的氨气（体积浓度为37.5%）与加热后的稀释风在氨空混合器混合稀释成体积浓度低于5%氨空混合物。氨空混合物通过精准喷氨系统喷入烟气中，还原剂和烟气充分混合后在SCR 反应器中催化剂的作用下发生反应，去除NOx。化学反应式如式（2）、式（3）：

2 运行中出现的问题分析及解决措施

2.1 氨气带水

2.1.1 现象

某日该电厂1#机组运行，值班员监盘发现B 侧脱硝稀释风流量突降，流量在0～2 300 m3/h 波动，A侧脱硝稀释风流量逐渐上涨至9 000 m3/h，稀释风机A 电流下降至79 A，其他参数正常，脱硝出口NOx开始快速上涨，调节尿素站来喷氨调门调整无效，立即投入氨站至脱硝供氨门，调整脱硝出口NOx。

检修人员拆开B 侧稀释风流量计排气阀，发现排气阀处向外喷水，判断氨与空气混合器管道积水堵塞整段稀释风管道。拆开氨与空气混合器旁导流板的法兰，通过拆开法兰排水。排水完毕后，开始投运B 侧喷氨系统，稀释风管流量恢复，尿素喷氨投运。

2.1.2 原因分析

尿素溶液充分水解后的产物应为气态的NH3、CO2和H2O 的混合物。该厂尿素水解的设计值为尿素溶液浓度为50%，水解反应器运行时，气液两相平衡体系的压力约为0.4～0.6 MPa，温度约为115～160 ℃。调节蒸汽减温装置的减压阀控制蒸汽压力0.65～0.75 MPa 范围，调节减温调节阀控制减温后蒸汽温度165～170 ℃范围。

该电厂运行人员就地打开2#水解器出口蒸汽吹扫关断阀，之后就地关闭2#水解器出口蒸汽吹扫关断阀，当时此阀门显示关信号。实际经此次操作后此阀门不严密，蒸汽通过此阀门持续进入2#水解器出口氨气管道，大量蒸汽进入水解器出口氨气管道。吹扫蒸汽温度在165 ℃以上，压力0.8 MPa，蒸汽进入氨气管道后遇到130 ℃左右的氨气，遇冷冷凝成水。B侧稀释风管线在氨空混合器处呈U 型走向，大量积水无法排出积累在U 型管段处造成管道堵塞，以致稀释风流量下降为0 m3/h，氨气无法进入脱硝反应器。

检修人员解体2#水解器出口蒸汽吹扫阀关断阀，该球阀处于关到位状态，同时发现存在以下问题：阀门设计为不锈钢球阀，球阀阀座为聚四氟乙烯材质，在高温高压的情况下，阀座受热变形，存在软化情况，此时操作阀门后，关闭阀门导致阀门密封线偏移，解体后发现密封面有磨损痕迹。如图2 所示。

图2 球阀阀座密封面

吹扫蒸汽温度设计参数为320 ℃，而故障的吹扫蒸汽阀门密封垫为聚四氟乙烯材质，适用长期使用温度为-180～260 ℃，超过会软化，起不到密封作用。

2.1.3 采取措施

1）尿素站聚四氟乙烯材质阀座的高温高压阀门进行排查，并进行更换。

2）在水解器出口蒸汽吹扫阀阀后管道上加装温度传感器，通过温度变化利于运行人员及时判断阀门是否严密，分析该阀门内漏情况，及时调整处理。

3）氨空混合器处呈U 型走向，事故情况下易积水，导致供氨不畅，选择在合适位置加装自动疏水装置。

2.2 水解器出口管道结晶

2.2.1 现象

由于该厂尿素水解制氨系统设备区域远离锅炉因此造成氨气管线线路长，不可避免会造成在氨气输送过程中有比较大的热损失。初设计沿氨气管道铺设蒸汽伴热管道并包裹在同一保温层内，以达到氨气在送至锅炉喷氨调整门前温度下降不大的目的。但在实际运行中证明这种伴热方式效果不明显，不能有效降低氨气温度的热损失，造成水解器出口管道结晶。

2.2.2 原因分析

尿素水解制氨是一个可逆反应，水解制氨逆反应为放热反应[2]。输送管道混合气中的水蒸气在尿素水解器出口混合气输送管道温度降低到一定条件时产生回凝，混合气中的NH3和CO2也会反应生成NH2CO2NH4。NH2CO2NH4会破坏不锈钢表面的氧化薄膜，腐蚀不锈钢材料，NH2CO2NH4结晶会造成管路阀门等堵塞，影响机组安全稳定运行。

图3 及图4[3]所示分别为不同尿素溶液浓度及水解器运行压力下水蒸气回凝温度及NH2CO2NH4结晶析出温度。由图3 及图4 可知，运行压力在0.5～0.8 MPa，尿素溶液溶质质量分数在40%～60%时，水蒸气回凝温度均高于NH2CO2NH4结晶析出温度，因此，保证水解器出口混合气输送管道温度在水蒸气回凝温度以上可以有效避免混合气输送管道阀门结晶堵塞。

图3 水蒸气回凝温度

图4 NH2CO2NH4 结晶析出温度

由图3 可知，提高尿素溶液浓度或者降低水解器运行压力可以降低水蒸气回凝温度。提高尿素溶液浓度会提高水解器中产氨速率[4]，在机组长期低负荷运行时，为了控制尿素水解器出口产氨速率，水解器运行温度会降低，水解器出口混合气温度相应降低；降低水解器运行压力，会增加反应液中尿素及其衍生物的质量分数，从而增加设备腐蚀及结晶堵塞的风险[1]。为兼顾尿素水解器及输送管道安全运行，实际运行过程中，一般控制水解器运行压力不低于0.6 MPa，尿素溶液溶质质量分数约为50%，对应的水蒸气回凝温度在130～140 ℃之间。据此分析，提高混合气输送管道伴热温度，使输送管道中混合气温度维持在140 ℃以上可有效避免氨混合气中水蒸气回凝及NH2CO2NH4结晶，从而降低输送管道阀门腐蚀堵塞风险。

2.2.3 采取措施

1）为避免尿素水解器出口混合气中水蒸气回凝，配制尿素溶液质量浓度控制为50%，水解器运行压力约0.6 MPa。原系统设计氨气输送管道与蒸汽伴热管道为两条平行相邻管道，利用蒸汽管道的辐射热能伴热氨气管道以避免氨气温度的热损失。现改造为夹套管道，夹套管中间管路介质为水解器的产品气（气氨），夹层介质为蒸汽，利用蒸汽作为气氨管路的伴热热量来源，对沿途气氨管路进行充分加热，确保水解器出口到锅炉炉前温度不下降，从而保证气氨的过热度，减少蒸汽回凝，保证蒸汽伴热系统热交换速率、传热均匀性可靠性。

2）尿素水解器出口混合气管道上的仪表增设电伴热，保证仪表不结晶。电伴热带严禁用铁丝进行捆扎，全部用压敏胶带和铝箔胶带进行错开捆扎。

2.3 尿素颗粒下料系统堵塞、给料机上插板门卡涩

2.3.1 现象

该厂设计为尿素储备系统设置2 套尿素溶解罐。1#尿素溶解罐配备一台斗提机，通过料斗将尿素颗粒从地面竖向提升至1#尿素溶解罐，斗提机中尿素板结，造成下料口堵塞或下料口插板门卡涩。

2.3.2 原因分析

1）尿素颗粒吸湿性较强，空气湿度较大时极容易吸收超期而板结，搬运或储存过程中尿素包装袋破损，易发生板结，在下料口造成堵塞或阀板卡涩。

2）尿素溶解罐斗提机下部有积水，未及时清理，尿素颗粒吸潮板结，导致储仓不下料。

2.3.3 采取措施

1）尿素颗粒存储位置干燥、通风良好。

2）尿素包装袋完好无损，运输及倒运过程中轻拿轻放，防止雨淋。

3）加强尿素储存仓密封。

4）对已发生堵塞的系统通过采用人工破碎、榔头敲击储仓的方式进行消除。

5）斗提机地坑要定期清理，如果有积水的话，及时清理。

3 结语

本文主要围绕某厂尿素水解制氨脱硝系统在运行中所出现的问题进行分析并提供有针对性的对策，针对运行中出现的不同问题，通过查阅相关资料，结合设备实际特性，找出影响安全运行的问题因素和环节，并针对这些因素和环节提出了相应的控制措施。通过这些措施，尿素水解器运行稳定，可以满足机组不同负荷下的各种工况，通过对水解系统进行改造，对聚四氟乙烯材质阀座的高温高压阀门进行排查，并进行更换，增加尿素溶液的浓度并降低系统运行的压力。同时采用夹套管中间管路介质为水解器的产品气（气氨），夹层介质为蒸汽伴热方案以保证输送管道中混合气温度在140 ℃以上，有效解决了喷氨管道带水及堵塞的问题。通过在实际运行中的检验，证明所提出解决方案和措施有效，使尿素水解制氨脱硝系统能更加安全稳定地运行。