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尿素热解制氨工艺的安全运行与节能优化

目前在众多的火力发电厂脱硝技术中，选择性催化还原工艺(SCR)和选择性非催化还原工艺(SNCR)，是应用最为广泛的两种技术。脱硝还原剂主要来源有氨水、液氨和尿素三种，又以液氨和尿素应用最为广泛。由于尿素在运输、储存及电厂操作方面具有的安全性优势，越来越多的火力发电厂选用尿素作为脱硝还原剂。尿素热解制氨工艺成为了烟气脱硝装置的核心技术之一。但是，尿素在热解过程中，往往伴随着尿素热解不充分，导致热解系统出现结晶、堵塞等问题，并成为影响烟气脱硝装置长周期安全稳定运行的隐患。
        石景山热电厂2008年完成了全厂4台670吨燃煤锅炉烟气脱硝环保改造工程。锅炉烟气脱硝工程采纳炉内低NOx燃烧器与SCR相结合的技术措施。其中，脱硝还原剂采纳尿素热解制氨工艺，将50%尿素溶液使用专用的雾化喷射装置喷入到热解炉中，尿素溶液雾滴在热解炉内350~600℃的环境下迅速完成分解制NH3过程，而尿素热解所需要的热量是通过燃用0#轻柴油得到。
        脱销改造工程完工投产后在尿素热解装置系统中相继出现以下主要问题：
        1 、脱硝尿素热解炉在实际运行中，尿素热解炉及喷射系统内均不同程度的出现结晶、堵塞问题，严重时，曾发生过热解炉因大面积结晶堵塞被迫停运的状况。经调研，在北京、上海、深圳、河北、山西等地，很多电厂使用的尿素热解装置同样存在尿素热解反应不充分、热解炉大量产生沉积物的问题。部分电厂采纳提升热解室出口温度的方法消除热解炉中的沉积物，由此增加了尿素热解的能耗与运行费用。尿素热解反应不充分、热解装置产生大量沉积物已是国内较为常见的问题。
        2 、尿素热解装置运行费用高。单台热解炉每年的0#轻柴油消耗量432吨，费用达到350余万元，石热电厂4台脱硝热解炉每年消耗柴油的成本支出高达约1500万元。为减少燃油消耗，降低运行成本，石热电厂依据现有热源条件，于2009年自主完成了尿素热解炉稀释风源的改造：利用锅炉高温热一次风〔280～320℃〕替代原稀释风系统。但是，由于锅炉使用回转式预热器，锅炉热一次风中含尘量较高，在热解炉改用锅炉热一次风后，热解炉及喷氨管线出现了粉尘沉积、堵塞的问题。使用锅炉热风做为热解炉稀释风，可以降低运行成本，但由于尿素热解不充分以及热风携带的粉尘均会堵塞喷氨管线。特别是喷氨格栅的喷氨支管堵塞后，会导致SCR喷氨格栅氨气/烟气配比失衡，SCR反应器局部氨逃逸率增大，进而引起脱硝效率降低、脱硝物料消耗增加等负面影响。氨逃逸量增加还会使锅炉烟气系统硫酸氢铵生成量上升，甚至会造成预热器堵塞、除尘器电场极板大量粘灰造成电场封闭等后果。因此，尿素热解不充分以及高含尘量的热风，均会对烟气脱硝装置以及锅炉主要设备的安全稳定运行构成威胁。
        针对石热电厂烟气脱销系统运行中发生的问题，我们组织专业技术人员与北京科技大学化学与生物工程学院化学系对对尿素热解系统沉积物的成因及处理对策开展分析和研究。
        通过尿素热解过程的研究及尿素热解系统沉积物分析结果得出以下结论：
        〔1〕尿素热解装置的沉积物主要成份为三聚氰酸；
        〔2〕尿素热解装置产生沉积物的原因是局部反应环境温度过低。
        脱硝热解及喷氨系统产生结晶的根本原因在于尿素溶液喷射至热解炉内部后，初步分解成NH3和HNCO(异氰酸)后，出现局部温度快速下降，使部分异氰酸进一步分解的反应条件不够激烈，影响其进一步与水反应生成NH3和CO2，而是发生聚合反应形成颗粒并在系统内沉降，即形成结晶。结合石热电厂现场设备运行状况，我们针对“反应区域温度、尿素雾化效果、尿素雾滴在高温区的停留时间〞三个影响异氰酸分解的主要原因进行了设备优化改造。
        1  提升保温质量
        将热解炉出口至喷氨格栅的沿程管道及设备保温厚度由25mm增加50mm，并在强化了局部防风、防雨性能。采用上述措施后，进入喷氨格栅前的热解气体温度普遍提升了15℃，原来露天布置的喷氨格栅应对大风、雨雪等不利环境的能力得到大幅提升，解决了喷氨格栅局部反应环境温度过低出现结晶堵塞的问题。
        2 提升尿素溶液雾化质量
        〔1〕稳定雾化风压力。我们一是将尿素雾化风源由杂用压缩空气系统〔运行压力0.35-0.6Mpa〕改为仪用压缩空气系统〔运行压力0.55-0.6Mpa〕，改造后雾化风压力稳定性得到大幅提升，解决了因雾化空气压力不稳造成雾化效果降低的问题。
        〔2〕提升雾化压缩空气品质，避免喷嘴堵塞。我们在雾化压缩空气管道上加装了高精度三重〔除水、油、杂质〕空气过滤器，用于去除压缩空气中的杂质，提升雾化空气品质，并将过滤器至尿素喷枪的管道全部改换为不锈钢材质，彻底解决了压缩空气中携带杂质堵塞喷嘴的问题。
        〔3〕自主完成尿素喷枪改造。在改善、提升雾化空气品质后，虽然尿素喷枪的雾化效果得到显然提升，仍难以将尿素溶液完全雾化，尿素热解不充分的问题虽得到显然缓解但仍未得到根治。为了得到更好的雾化效果，我们自主进行尿素喷枪的改良，并研制出新型的雾化喷嘴。

      新型喷嘴采纳大气液混合室制定，增加了气液两相混合的时间与空间，在混合室内雾化空气对尿素溶液的扰动加强，尿素溶液与雾化空气混合更为均匀。制定更为合理的雾化喷孔内径，提升混合液初始喷射流速，使气液混合流得到二次雾化，彻底解决了尿素溶液雾化效果差的问题。同时，对雾化喷嘴的喷射夹角进行了优化制定，适当的喷射覆盖面，可以避免尿素溶液直接喷射到热解炉内壁上，解决了热解炉内壁形成“低温区〞产生结晶物问题，并避免了多支尿素喷枪喷射面互相堆叠形成“交叉覆盖〞产生大液滴的问题。
        该尿素雾化装置具有以下特点：
        〔1〕超大混合室制定，保证尿素溶液与雾化源充分混合；
        〔2〕优化制定雾化喷射角；
        〔3〕超音速雾化喷射流速。气-液两相流通过雾化喷孔的流速达到655～786m/s，超音速喷射流速使气、液两相流体二次混合更为充分、雾化更彻底。
        〔4〕生产制造成本低。新型雾化喷嘴采纳316 L不锈钢材料制造，每只喷嘴制作成本为400元，仅为进口同类产品价格的1/10。
        该技术2021年获首都职工自主革新成果三等奖，2021年获得国家知识产权局专利。专利编号ZL 2021 2 0800389.9。

        石热电厂自2021年开始应用优化改良的尿素喷枪，历经2年多的时间考验，4台机组热解炉及喷氨管道沿程均未出现三聚氰酸结晶，尿素热解系统结晶堵塞的问题得到了彻底根治。
        3、针对2009年为了节能降耗，将尿素热解炉稀释风源改造为利用锅炉高温热一次风〔280～320℃〕替代原稀释风系统而导致的热解炉及喷氨管线出现粉尘沉积、堵塞的问题，石景山热电厂成功研制、开发适用于高温环境的多管式旋风除尘器装置，去除热一次风粉尘。采纳该套除尘装置投运后，一举解决了粉尘堵塞、磨损喷氨系统的问题。该除尘装置具有以下主要特点：
        1) 除尘性能稳定，对锅炉热一次风携带粉尘〔粒径＜20μm〕除尘率大于85%；
        2) 耐高温，可在300～350℃高温环境下长周期稳定运行；
        3) 耐磨损，采纳耐磨材质制造，具有高耐磨、耐酸腐蚀性；
        4) 压损小，除尘器整体阻力＜500Pa；
        5) 投资费用低，成本回收周期短。热一次风除尘装置设备投资费用不够30万元，投资回收周期仅需要3个月。
        该技术2021年获首都职工自主革新成果二等奖。并获得国家知识产权局专利，专利编号ZL 2021 2 0792168.1。
        目前，该装置在石热电厂连续运行已达到一年，经实际检验，可以有效的减少热风中尘含量，预防和避免脱硝喷氨系统的堵塞。
        4、 完善辅助设施，细化维护制度
        〔1〕脱硝系统喷氨格栅小联箱加装一路吹扫风
        在检修中发现喷氨格栅喷嘴处积灰严重，有些喷嘴已在运行中被灰堵死，容易造成喷氨不均布，使氨逃逸增加。我们在喷氨格栅小联箱上加装一路吹扫风，可以达到在线吹扫小联箱及喷氨枪管的目的。
        〔2〕热解炉温度测点改善和完善。对热解炉本体的三只温度测点〔不耐高温，长时间运行容易烧弯，显示不准确〕进行了改善，改换了耐高温的刚玉测点，能够保证长周期稳定运行；并在热解炉底部增加了壁温测点，便于实时监控热解室温度场变化，为分析热解炉内部燃烧及结晶状况提供了数据参照。
        〔3〕制定细致的定期工作制度。石热电厂针对尿素热解系统所暴露出的问题，制定《尿素喷枪定期试验制度及验收标准》、《脱硝SCR均布测试方法及定期试验制度》、《脱硝AIG定期检验制度》等一系列制度。通过细致、完善的定期工作制度，保证了尿素热解以及喷氨系统长期处于优良的工作状态。
        通过以上一系列的设备、系统及管理改善，使我公司锅炉脱硝尿素热解装置达到了安全、可靠的长周期运行的目的。同时利用电厂烟气余热，一台机组尿素热解炉每年减少0#轻柴油消耗180余吨，柴油消耗量降幅达36.78%，年节约成本约140余万元。
        以2021年6月在石热电厂4号机组脱硝热解炉进行应用统计数据为例。热解炉使用热一次风作为稀释风后，热解炉稀释风温度由145℃提升至275℃，每小时燃油量由59.07kg/h降至36.67kg/h,热解炉平均燃油消耗量减少了22.04kg/h，降幅达到37.93%。4号炉脱硝热解炉当月节油量为16.132吨。

        结束语
        当前，国内在尿素热解制氨工艺的研究与应用上仍处于起步阶段，相关领域的研究和可供借鉴的经验很少。石热电厂通过对尿素热解过程中副产品的解剖分析，有助于相关环保技术公司以及应用单位对脱硝热解反应过程易发生的问题有更清楚的熟悉，对消化汲取及应用推广尿素热解制氨技术具有一定推动作用。在控制、消除尿素热解过程中副产品方面，通过应用自主改良研发的尿素喷枪，提升尿素溶液雾化效果，提升尿素利用率，避免尿素热解过程中的副产品生成，有效的提升了脱硝装置运行安全、可靠性。为国内尿素热解制氨工艺的应用单位提供了大量的可借鉴经验，推广后，对提升国内尿素热解制氨工艺的烟气脱硝装置运行安全可靠性具有积极作用。
        在尿素热解装置应用锅炉热一次风方面，充分合计锅炉热一次风含尘对脱硝热解系统的影响，并率先合计应用多管式除尘器去除锅炉热一次风粉尘，为解决尿素热解装置使用锅炉热一次风的负面影响找到了一条可行之路。