SCR脫硝系統(tǒng)中尿素?zé)峤庋b置防結(jié)晶對(duì)策探討
1、引言
《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中明確提出了到2015年，火電行業(yè)氮氧化物排放量為750萬(wàn)t，比2010年的1055萬(wàn)t削減29%。同時(shí)，“十二五”期間完成4億kw現(xiàn)役燃煤機(jī)組脫硝設(shè)施建設(shè)，對(duì)7000萬(wàn)kw燃煤機(jī)組實(shí)施低氮燃燒技術(shù)改造，燃煤機(jī)組脫硝效率達(dá)到75%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十二五”期間我國(guó)脫硝市場(chǎng)的總規(guī)模將達(dá)到1500億元。同時(shí)，國(guó)家對(duì)火電廠大氣污染物的排放提出了新的更高的要求！痘痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定，除采用W型火焰爐膛的火力發(fā)電鍋爐、現(xiàn)有循環(huán)流化床火力發(fā)電鍋爐以及2003-12-13前建成投產(chǎn)或通過(guò)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書審批的燃煤鍋爐NOx挨執(zhí)行200mg/m3的排放限值外，自2012-01-01起新建燃煤鍋爐、自2014-07-01起現(xiàn)有燃煤鍋爐NOx均執(zhí)行100mg/m3的排放限值。在此背景下，SCR煙氣脫硝方法由于其高的脫硝效率和相對(duì)廣泛的適應(yīng)性成為了在燃煤電廠中應(yīng)用最多的脫硝技術(shù)。
SCR法脫硝還原劑的來(lái)源一般有三種，分別為液氨、氨水和尿素，目前應(yīng)用最多的是液氨。然而液氨若儲(chǔ)存超過(guò)10t，即構(gòu)成重大危險(xiǎn)源。同樣，氨水也存在安全問(wèn)題。基于此，在《火力發(fā)電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》和《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》中都明確規(guī)定，位于大中城市及其近郊區(qū)的電廠(人口稠密區(qū)的脫硝設(shè)施)宜選用尿素作為還原劑。尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)也因此產(chǎn)生并迅速發(fā)展。
2、尿素?zé)峤饧夹g(shù)
尿素?zé)峤夥ㄖ竿ㄟ^(guò)快速加熱使霧化后的尿素溶液分解而獲得NH3的技術(shù)。熱解法在合適的條件內(nèi)，反應(yīng)完全，不易產(chǎn)生中間聚合物堵塞管道，噴入煙道的氨氣混合物溫度約為300度，對(duì)SCR入口煙氣溫度的影響很小。相比另一種分解技術(shù)水解法，熱解法更具有在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，比如抗腐蝕性更好、不易發(fā)生堵塞等。
尿素?zé)峤獾姆磻?yīng)方程式為：
CO(NH2)2+H2o=2NH3+CO2(1)
目前國(guó)際上應(yīng)用較多的尿素?zé)峤饧夹g(shù)是由美國(guó)FuelTech公司設(shè)計(jì)的尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)，其工藝流程如下：配制好的尿素溶液(約50%濃度)，通過(guò)尿素溶液混合泵輸送到尿素溶液儲(chǔ)罐，尿素溶液經(jīng)由給料泵、計(jì)量與分配裝置、霧化噴嘴等進(jìn)入分解室，稀釋空氣(一般取熱一次風(fēng))經(jīng)加熱后也進(jìn)入分解室。加熱方式有電加熱器加熱、燃油加熱和燃?xì)饧訜岬炔煌绞，電廠可根據(jù)各自實(shí)際情況做出最經(jīng)濟(jì)性的選擇。分解室的溫度要維持在合適的溫度一般為(300度-650度)，以保證霧化后的尿素液滴能在絕熱分解室內(nèi)完全分解，分解產(chǎn)物(NH3和CO2)經(jīng)由氨噴射系統(tǒng)進(jìn)入脫硝煙道。尿素的耗量由脫硝反應(yīng)的氨需量計(jì)算而來(lái)。
3、尿素?zé)峤庀到y(tǒng)出現(xiàn)的結(jié)晶問(wèn)題
目前，尿素?zé)峤饧夹g(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到國(guó)內(nèi)幾十臺(tái)發(fā)電機(jī)組的脫硝系統(tǒng)中。然而在實(shí)際運(yùn)行中，結(jié)晶卻成了幾乎每一套熱解裝置都會(huì)遇到的問(wèn)題。如山西電廠尿素?zé)峤庋b置出現(xiàn)的嚴(yán)重結(jié)晶，大量的結(jié)晶附著在熱解室內(nèi)壁，嚴(yán)重的影響了整個(gè)熱解系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一方面熱空氣在熱解室內(nèi)無(wú)法均勻流動(dòng)，阻礙了溫度的分布，使熱解室無(wú)法達(dá)到滿足尿素分解所需的溫度條件;另一方面大量的結(jié)晶占用了熱解室內(nèi)的空間，使尿素溶液在完全分解之前就沾附到結(jié)晶物上，形成新的結(jié)晶層，無(wú)法繼續(xù)分解。惡性循環(huán)之下，整個(gè)熱解室都可能會(huì)完全堵塞，從而引起嚴(yán)重事故。
究其原因，是因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)在中國(guó)大規(guī)模應(yīng)用之前，并沒(méi)有在國(guó)外市場(chǎng)積累足夠的經(jīng)驗(yàn)，該技術(shù)也并沒(méi)有根據(jù)中國(guó)火電廠的實(shí)際情況(煙氣量大、灰分、硫分高)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，導(dǎo)致此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用在部分電廠形成結(jié)晶，嚴(yán)重時(shí)甚至造成SCR系統(tǒng)停運(yùn)或整個(gè)機(jī)組停機(jī)。結(jié)合各電廠的實(shí)際運(yùn)行狀況，結(jié)晶原因可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：
(1)熱一次風(fēng)(熱二次風(fēng))中灰分含量過(guò)高；曳趾扛，則首先會(huì)由于顆粒碰撞，對(duì)熱解室內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)分布造成影響，與設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算流場(chǎng)有差別。其次灰分顆粒物與小粒徑的尿素霧滴結(jié)合，形成大粒徑的尿素、灰分混合顆粒物，大粒徑混合顆粒物在旋轉(zhuǎn)氣流中結(jié)合越來(lái)越多的尿素霧滴，粒徑越來(lái)越大，最終在熱解室內(nèi)無(wú)法分解、直接沉淀，形成初始結(jié)晶層。最后，灰分還會(huì)直接堵塞噴嘴，從而影響噴霧效果，引起結(jié)晶。
(2)噴槍所用的霧化空氣純度不足。盡管所有的尿素?zé)峤庀到y(tǒng)都在運(yùn)行說(shuō)明中明確規(guī)定了霧化空氣必須使用儀用壓縮空氣，但是具體到各電廠，由于設(shè)備條件或管道老化等各方面原因，導(dǎo)致噴槍中的霧化空氣純度不足。霧化空氣中的雜質(zhì)會(huì)影響尿素的霧化效果，使霧化后的尿素液滴粒徑無(wú)法達(dá)到熱解室所設(shè)計(jì)要求的粒徑范圍。同樣，霧化空氣中的雜質(zhì)可能會(huì)堵塞噴嘴，使噴槍甚至無(wú)法完成霧化。
(3)熱解室本身設(shè)計(jì)不合理。溫度和速度分布是熱解室設(shè)計(jì)最重要的因素。熱解室本身對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)有很高的要求。體現(xiàn)在，一方面要保證熱解室的流場(chǎng)足夠均勻，使噴槍噴出的尿素溶液霧滴和熱空氣充分混合，同時(shí)要使整個(gè)熱解室內(nèi)熱空氣盡量旋流，使中心部位流速低，利于增加停留時(shí)間，貼近避免部位流速高，不易造成粘結(jié)。另一方面應(yīng)保證熱解室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布合理。應(yīng)保證整個(gè)熱解室都處在能夠?qū)崿F(xiàn)尿素?zé)峤獾臏囟葏^(qū)間內(nèi)，沒(méi)有溫度分布死角，沒(méi)有局部的低溫區(qū)，使尿素溶液不會(huì)因?yàn)闇囟冗_(dá)不到分解所需的條件而形成結(jié)晶。
(4)保溫達(dá)不到熱解系統(tǒng)要求。部分電廠因?yàn)楸卦O(shè)計(jì)或施工存在問(wèn)題，導(dǎo)致從尿素溶液儲(chǔ)罐到熱解室的管道溫度不夠，導(dǎo)致尿素在進(jìn)入噴槍之前逐漸析出細(xì)小晶體，晶體累積之下很容易在停機(jī)或間斷運(yùn)行時(shí)噴槍通道內(nèi)或噴嘴部位產(chǎn)生結(jié)晶。結(jié)晶一旦形成，對(duì)噴槍噴霧效果影響很大，進(jìn)而造成嚴(yán)重結(jié)晶。
(5)運(yùn)行檢修重視程度不足。很多出現(xiàn)結(jié)晶情況的電廠，均是在運(yùn)行檢修上沒(méi)有足夠的重視。由于尿素?zé)峤馐乙话悴贾迷谑彝飧咂脚_(tái)上，一些電廠往往都是自投運(yùn)始，就不會(huì)定期的對(duì)噴槍噴霧情況和熱解室運(yùn)行情況進(jìn)行巡查，從而無(wú)法發(fā)現(xiàn)結(jié)晶開(kāi)始出現(xiàn)的苗頭。當(dāng)開(kāi)始發(fā)現(xiàn)熱解系統(tǒng)出問(wèn)題的時(shí)候，已經(jīng)結(jié)晶嚴(yán)重，結(jié)果只能停機(jī)檢修。
4、防止結(jié)晶出現(xiàn)的對(duì)策探討
(1)降低熱一次風(fēng)中的飛灰含量，對(duì)不符合要求的電廠進(jìn)行空預(yù)器改造。熱解系統(tǒng)要求熱一次風(fēng)(二次風(fēng))中的灰分含量在100mg/m3以下，而實(shí)際很多未改造過(guò)空預(yù)器電廠的熱一次，我(二次風(fēng))中的灰分含量均在30g/m3以上。過(guò)高的灰分含量不僅影響流場(chǎng)設(shè)計(jì)，而且還會(huì)堵塞噴嘴通道，所以必須使熱一次風(fēng)(二次風(fēng))中的灰分含量滿足熱解系統(tǒng)設(shè)計(jì)值要求。
(2)提高霧化空氣品質(zhì)。改進(jìn)儀用壓縮空氣制備工藝，提高壓縮設(shè)備規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，定期對(duì)儀用壓縮空氣進(jìn)行抽樣檢測(cè)，降低霧化空氣中的雜質(zhì)含量。保證霧化空氣的壓力和流量達(dá)到設(shè)計(jì)值。
(3)合理化設(shè)計(jì)熱解室。在設(shè)計(jì)熱解室的時(shí)候，必須有專門的CDD模擬報(bào)告，計(jì)算在實(shí)際工況條件下熱解室內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。根據(jù)最佳流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布條件，合理化設(shè)計(jì)引流裝置，合理化布置噴槍的位置。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不同運(yùn)行負(fù)荷下噴槍的停運(yùn)情況，更應(yīng)考慮停運(yùn)部分噴槍情況下的流場(chǎng)，溫度場(chǎng)分布。噴槍的布置必須根據(jù)CFD模擬計(jì)算結(jié)果避開(kāi)內(nèi)循環(huán)流區(qū)。
(4)規(guī)范化熱解系統(tǒng)的保溫設(shè)計(jì)原則，嚴(yán)格施工管理。尤其是熱解爐本體和尿素溶液管道的保溫，更是要做好。在運(yùn)行維護(hù)中，要定期的比對(duì)熱解爐本體和尿素溶液管道溫度情況。
(5)根據(jù)各電廠的不同情況針對(duì)熱解系統(tǒng)建立運(yùn)行維護(hù)制度。按經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)做好每天噴槍的運(yùn)行情況記錄，每2-3個(gè)星期就逐一對(duì)各支噴槍進(jìn)行檢查，檢查時(shí)應(yīng)將噴槍抽出熱解室本體，并用清水做噴霧實(shí)驗(yàn)，以確保每支噴槍正常工作。由于現(xiàn)在噴槍的設(shè)計(jì)均能保證迅速抽出和檢查，所以此過(guò)程并不需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。
(6)尿素?zé)峤庀到y(tǒng)出力不能超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷。尿素?zé)峤庀到y(tǒng)最大出力都是根據(jù)SCR系統(tǒng)的最大氨需量設(shè)計(jì)的，當(dāng)系統(tǒng)在超過(guò)其設(shè)計(jì)負(fù)荷的情況下運(yùn)行，會(huì)造成尿素溶液噴射量過(guò)大，尿素霧化液滴和燃燒器參數(shù)不能滿足全部尿素的分解要求。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)超過(guò)系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)出力，相對(duì)的尿素?zé)峤鉄崃坎蛔，?huì)造成尿素結(jié)晶。
(7)嚴(yán)格配制尿素溶液。根據(jù)試驗(yàn)研究，尿素溶液熱解的最佳濃度應(yīng)該介于50%-55%之間，一般推薦的設(shè)計(jì)值為50%。實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)各尿素溶液儲(chǔ)罐的工作溫度，配制熱解系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要求的溶液濃度。以避免由于尿素溶液配制時(shí)溫度不同而導(dǎo)致的尿素溶液濃度過(guò)高，從而在輸送管道中由于降溫而析出晶體。不同溫度、濃度下尿素溶液的密度對(duì)比詳見(jiàn)表1。
5、結(jié)語(yǔ)
隨著社會(huì)對(duì)安全因素的重視，尿素?zé)峤饧夹g(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用將日益廣泛。對(duì)于制約尿素?zé)峤饧夹g(shù)應(yīng)用的結(jié)晶問(wèn)題，解決途徑一是要完善和改進(jìn)設(shè)計(jì)，包括優(yōu)化流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，制定詳細(xì)的保溫、運(yùn)行維護(hù)說(shuō)明，充分考慮設(shè)計(jì)負(fù)荷等;二是要提高巡檢和維護(hù)的力度，按照運(yùn)行維護(hù)說(shuō)明，及早發(fā)現(xiàn)一切可能引起熱解系統(tǒng)結(jié)晶的起因，并早作預(yù)防。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
