尿素熱解制氨工藝的安全運行與節(jié)能優(yōu)化.doc

尿素熱解制氨工藝的安全運行與節(jié)能優(yōu)化目前在眾多的火力發(fā)電廠脫硝技術中，選擇性催化還原工藝(SCR)和選擇性非催化還原工藝(SNCR)，是應用最為廣泛的兩種技術。脫硝還原劑主要來源有氨水、液氨和尿素三種，又以液氨和尿素應用最為廣泛。由于尿素在運輸、儲存及電廠操作方面具有的安全性優(yōu)勢，越來越多的火力發(fā)電廠選用尿素作為脫硝還原劑。尿素熱解制氨工藝成為了煙氣脫硝裝置的核心技術之一。但是，尿素在熱解過程中，往往伴隨著尿素熱解不充分，導致熱解系統(tǒng)出現(xiàn)結晶、堵塞等問題，并成為影響煙氣脫硝裝置長周期安全穩(wěn)定運行的隱患。石景山熱電廠2008年完成了全廠4臺670噸燃煤鍋爐煙氣脫硝環(huán)保改造工程。鍋爐煙氣脫硝工程采用爐內低NOx燃燒器與SCR相結合的技術措施。其中，脫硝還原劑采用尿素熱解制氨工藝，將50%尿素溶液使用專用的霧化噴射裝置噴入到熱解爐中，尿素溶液霧滴在熱解爐內350600的環(huán)境下迅速完成分解制NH3過程，而尿素熱解所需要的熱量是通過燃用0#輕柴油得到。脫銷改造工程竣工投產后在尿素熱解裝置系統(tǒng)中相繼出現(xiàn)以下主要問題：1、脫硝尿素熱解爐在實際運行中，尿素熱解爐及噴射系統(tǒng)內均不同程度的出現(xiàn)結晶、堵塞問題，嚴重時，曾發(fā)生過熱解爐因大面積結晶堵塞被迫停運的情況。經調研，在北京、上海、深圳、河北、山西等地，很多電廠使用的尿素熱解裝置同樣存在尿素熱解反應不充分、熱解爐大量產生沉積物的問題。部分電廠采用提高熱解室出口溫度的方法消除熱解爐中的沉積物，由此增加了尿素熱解的能耗與運行費用。尿素熱解反應不充分、熱解裝置產生大量沉積物已是國內較為常見的問題。2、尿素熱解裝置運行費用高。單臺熱解爐每年的0#輕柴油消耗量432噸，費用達到350余萬元，石熱電廠4臺脫硝熱解爐每年消耗柴油的成本支出高達約1500萬元。為減少燃油消耗，降低運行成本，石熱電廠根據(jù)現(xiàn)有熱源條件，于2009年自主完成了尿素熱解爐稀釋風源的改造：利用鍋爐高溫熱一次風（280320）替代原稀釋風系統(tǒng)。但是，由于鍋爐使用回轉式預熱器，鍋爐熱一次風中含塵量較高，在熱解爐改用鍋爐熱一次風后，熱解爐及噴氨管線出現(xiàn)了粉塵沉積、堵塞的問題。使用鍋爐熱風做為熱解爐稀釋風，可以降低運行成本，但由于尿素熱解不充分以及熱風攜帶的粉塵均會堵塞噴氨管線。特別是噴氨格柵的噴氨支管堵塞后，會導致SCR噴氨格柵氨氣/煙氣配比失衡，SCR反應器局部氨逃逸率增大，進而引起脫硝效率降低、脫硝物料消耗增加等負面影響。氨逃逸量增加還會使鍋爐煙氣系統(tǒng)硫酸氫銨生成量上升，甚至會造成預熱器堵塞、除塵器電場極板大量粘灰造成電場封閉等后果。因此，尿素熱解不充分以及高含塵量的熱風，均會對煙氣脫硝裝置以及鍋爐主要設備的安全穩(wěn)定運行構成威脅。針對石熱電廠煙氣脫銷系統(tǒng)運行中發(fā)生的問題，我們組織專業(yè)技術人員與北京科技大學化學與生物工程學院化學系對對尿素熱解系統(tǒng)沉積物的成因及處理對策開展分析和研究。通過尿素熱解過程的研究及尿素熱解系統(tǒng)沉積物分析結果得出以下結論：（1）尿素熱解裝置的沉積物主要成份為三聚氰酸；（2）尿素熱解裝置產生沉積物的原因是局部反應環(huán)境溫度過低。脫硝熱解及噴氨系統(tǒng)產生結晶的根本原因在于尿素溶液噴射至熱解爐內部后，初步分解成NH3和HNCO(異氰酸)后，出現(xiàn)局部溫度快速下降，使部分異氰酸進一步分解的反應條件不夠強烈，影響其進一步與水反應生成NH3和CO2，而是發(fā)生聚合反應形成顆粒并在系統(tǒng)內沉降，即形成結晶。結合石熱電廠現(xiàn)場設備運行情況，我們針對“反應區(qū)域溫度、尿素霧化效果、尿素霧滴在高溫區(qū)的停留時間”三個影響異氰酸分解的主要原因進行了設備優(yōu)化改造。1提高保溫質量將熱解爐出口至噴氨格柵的沿程管道及設備保溫厚度由25mm增加50mm，并在加強了局部防風、防雨性能。采取上述措施后，進入噴氨格柵前的熱解氣體溫度普遍提高了15，原來露天布置的噴氨格柵應對大風、雨雪等不利環(huán)境的能力得到大幅提升，解決了噴氨格柵局部反應環(huán)境溫度過低出現(xiàn)結晶堵塞的問題。2提高尿素溶液霧化質量（1）穩(wěn)定霧化風壓力。我們一是將尿素霧化風源由雜用壓縮空氣系統(tǒng)（運行壓力0.35-0.6Mpa）改為儀用壓縮空氣系統(tǒng)（運行壓力0.55-0.6Mpa），改造后霧化風壓力穩(wěn)定性得到大幅提升，解決了因霧化空氣壓力不穩(wěn)造成霧化效果降低的問題。（2）提高霧化壓縮空氣品質，避免噴嘴堵塞。我們在霧化壓縮空氣管道上加裝了高精度三重（除水、油、雜質）空氣過濾器，用于去除壓縮空氣中的雜質，提高霧化空氣品質，并將過濾器至尿素噴槍的管道全部更換為不銹鋼材質，徹底解決了壓縮空氣中攜帶雜質堵塞噴嘴的問題。（3）自主完成尿素噴槍改造。在改善、提高霧化空氣品質后，雖然尿素噴槍的霧化效果得到明顯提高，仍難以將尿素溶液完全霧化，尿素熱解不充分的問題雖得到明顯緩解但仍未得到根治。為了得到更好的霧化效果，我們自主進行尿素噴槍的改良，并研制出新型的霧化噴嘴。新型噴嘴采用大氣液混合室設計，增加了氣液兩相混合的時間與空間，在混合室內霧化空氣對尿素溶液的擾動增強，尿素溶液與霧化空氣混合更為均勻。設計更為合理的霧化噴孔內徑，提高混合液初始噴射流速，使氣液混合流得到二次霧化，徹底解決了尿素溶液霧化效果差的問題。同時，對霧化噴嘴的噴射夾角進行了優(yōu)化設計，適當?shù)膰娚涓采w面，可以避免尿素溶液直接噴射到熱解爐內壁上，解決了熱解爐內壁形成“低溫區(qū)”產生結晶物問題，并避免了多支尿素噴槍噴射面相互重疊形成“交叉覆蓋”產生大液滴的問題。該尿素霧化裝置具有以下特點：（1）超大混合室設計，確保尿素溶液與霧化源充分混合；（2）優(yōu)化設計霧化噴射角；（3）超音速霧化噴射流速。氣-液兩相流通過霧化噴孔的流速達到655786m/s，超音速噴射流速使氣、液兩相流體二次混合更為充分、霧化更徹底。（4）生產制造成本低。新型霧化噴嘴采用316L不銹鋼材料制造，每只噴嘴制作成本為400元，僅為進口同類產品價格的1/10。該技術2012年獲首都職工自主創(chuàng)新成果三等獎，2013年獲得國家知識產權局專利。專利編號ZL201320800389.9。石熱電廠自2012年開始應用優(yōu)化改良的尿素噴槍，歷經2年多的時間考驗，4臺機組熱解爐及噴氨管道沿程均未出現(xiàn)三聚氰酸結晶，尿素熱解系統(tǒng)結晶堵塞的問題得到了徹底根治。3、針對2009年為了節(jié)能降耗，將尿素熱解爐稀釋風源改造為利用鍋爐高溫熱一次風（280320）替代原稀釋風系統(tǒng)而導致的熱解爐及噴氨管線出現(xiàn)粉塵沉積、堵塞的問題，石景山熱電廠成功研制、開發(fā)適用于高溫環(huán)境的多管式旋風除塵器裝置，去除熱一次風粉塵。采用該套除塵裝置投運后，一舉解決了粉塵堵塞、磨損噴氨系統(tǒng)的問題。該除塵裝置具有以下主要特點：1)除塵性能穩(wěn)定，對鍋爐熱一次風攜帶粉塵（粒徑20m）除塵率大于85%；2)耐高溫，可在300350高溫環(huán)境下長周期穩(wěn)定運行；3)耐磨損，采用耐磨材質制造，具有高耐磨、耐酸腐蝕性；4)壓損小，除塵器整體阻力500Pa；5)投資費用低，成本回收周期短。熱一次風除塵裝置設備投資費用不足30萬元，投資回收周期僅需要3個月。該技術2013年獲首都職工自主創(chuàng)新成果二等獎。并獲得國家知識產權局專利，專利編號ZL201320792168.1。目前，該裝置在石熱電廠連續(xù)運行已達到一年，經實際檢驗，可以有效的減少熱風中塵含量，預防和避免脫硝噴氨系統(tǒng)的堵塞。4、完善輔助設施，細化維護制度（1）脫硝系統(tǒng)噴氨格柵小聯(lián)箱加裝一路吹掃風在檢修中發(fā)現(xiàn)噴氨格柵噴嘴處積灰嚴重，有些噴嘴已在運行中被灰堵死，容易造成噴氨不均布，使氨逃逸增加。我們在噴氨格柵小聯(lián)箱上加裝一路吹掃風，可以達到在線吹掃小聯(lián)箱及噴氨槍管的目的。（2）熱解爐溫度測點改進和完善。對熱解爐本體的三只溫度測點（不耐高溫，長時間運行容易燒彎，顯示不準確）進行了改進，更換了耐高溫的剛玉測點，能夠保障長周期穩(wěn)定運行；并在熱解爐底部增加了壁溫測點，便于實時監(jiān)控熱解室溫度場變化，為分析熱解爐內部燃燒及結晶情況提供了數(shù)據(jù)參考。（3）制定細致的定期工作制度。石熱電廠針對尿素熱解系統(tǒng)所暴露出的問題，制定尿素噴槍定期試驗制度及驗收標準、脫硝SCR均布測試方法及定期試驗制度、脫硝AIG定期檢驗制度等一系列制度。通過細致、完善的定期工作制度，保證了尿素熱解以及噴氨系統(tǒng)長期處于良好的工作狀態(tài)。通過以上一系列的設備、系統(tǒng)及管理改進，使我公司鍋爐脫硝尿素熱解裝置達到了安全、可靠的長周期運行的目的。同時利用電廠煙氣余熱，一臺機組尿素熱解爐每年減少0#輕柴油消耗180余噸，柴油消耗量降幅達36.78%，年節(jié)約成本約140余萬元。以2013年6月在石熱電廠4號機組脫硝熱解爐進行應用統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例。熱解爐使用熱一次風作為稀釋風后，熱解爐稀釋風溫度由145提高至275，每小時燃油量由59.07kg/h降至36.67kg/h,熱解爐平均燃油消耗量減少了22.04kg/h，降幅達到37.93%。4號爐脫硝熱解爐當月節(jié)油量為16.132噸。結束語當前，國內在尿素熱解制氨工藝的研究與應用上仍處于起步階段，相關領域的研究和可供借鑒的經驗很少。石熱電廠通過對尿素熱解過程中副產品的解剖分析，有助于相關環(huán)保技術公司以及應用單位對脫硝熱解反應過程易發(fā)生的問題有更清晰的認識，對消化吸收及應用推廣尿素熱解制氨技術具有一定推動作用。在控制、消除尿素熱解過程中副產品方面，通過應用自主改良研發(fā)的尿素噴槍，提高尿素溶液霧化效果，提高尿素利用率，避免尿素熱解過程中的副產品生成，有效的提高了脫硝裝置運行安全、可靠性。為國內尿素熱解制氨工藝的應用單位提供了大量的可借鑒經驗，推廣后，對提高國內尿素熱解制氨工藝的煙氣脫硝裝置運行安全可靠性具有積極作用。在尿素熱解裝置應用鍋爐熱一次風方面，充分考慮鍋爐熱一次風含塵對脫硝熱解系統(tǒng)的影響，并率先考慮應用多管式除塵器去除鍋爐熱一次風粉塵，為解決尿素熱解裝置使用鍋爐熱一次風的負面影響找到了一條可行之路。第 7 頁 共 7 頁