技术 | 燃煤机组尿素水解SCR烟气脱硝系统性能优化

摘要：尿素水解制备SCR还原剂技术在国内还处于起步发展阶段,在调试过程中还存在变负荷适应性差、氨调逃逸量大、低负荷投入特性差等问题,结合项目经验对尿素水解SCR系统的冷、热态调试过程以及调试过程中存在的技术问题和性能优化方法进行总结,通过优化调整可明显改善尿素水解SCR低负荷快速投入、变负荷适应性、提高脱硝效率以及降低氨逃逸提供了合理化建议.

0 引言

目前SCR还原剂制备系统主要有液氨蒸发、氨水汽化、尿素制氨3 种方式[1 -9] ,随着国内民众和企业安全意识的加强,加上国内危化品运输、储存、使用事故层出不穷,尿素制氨技术因其不需要装卸、运输、储存危险化学品、装置占地面积小、运行安全稳定可靠,逐渐成为电厂选择脱硝还原剂制备系统的主流技术。

本文针对某350 MW 热电厂的尿素水解脱硝系统调试过程进行介绍并对尿素水解脱硝系统的性能优化提供建议。

1 尿素水解SCR原理

尿素水解制氨工艺原理是尿素水溶液在一定温度下发生水解反应,生成的气体中包含NH3 和CO2。尿素水解制氨系统由尿素颗粒储存和溶解系统、尿素溶液储存和输送系统及尿素水解系统组成。

尿素颗粒在尿素溶解罐中配置成约50% 浓度的尿素溶液,随后尿素溶液储存在尿素溶液储罐中以供尿素水解器使用。尿素溶液通过泵输送到水解反应器中水解产生NH3、H2O 和CO2,产品气随后进入氨空气混合器后喷入烟道用作烟气脱硝的还原剂。尿素水解制氨简要工艺流程如图1 所示。

由于尿素水解制氨系统解决了液氨的装卸、运输、储存等问题,水解器制氨备案随制随用,无需储存,彻底解决了电厂脱硝工程还原剂制备系统的安全隐患问题。

2 尿素水解SCR 系统调试

2. 1 尿素水解SCR 冷态调试

2. 1. 1 设备检查

装置安装完毕后,应对系统进行一次全面的检查,主要内容有:工艺流程、管道、阀门、设备、零部件、仪表控制点、分析取样点、安全装置以及其他附属设施是否符合设计要求。

2. 1. 2 尿素溶液制备系统水压试验及泵的试运

尿素制液系统的水压试验,对整个尿素制备系统进行水压试验以检查管道系统及各连接位置的严密性,水压试验完成后进行泵的试运转,对尿素制备系统管道进行冲洗,在进行泵的循环试运转时,应尽可能使循环回路越长越好,以发挥泵的冲洗作用。

2. 1. 3 尿素溶液／ 氨气输送管道吹扫及气密试验

吹扫是为了除去设备、管道安装时残留于内部的铁屑、铁锈、焊渣、沙石等杂质以及施工中的遗留物,以保证设备的安全运转。管道、设备、阀门等在制造过程中,表面积有不少油污、杂物,单靠吹除一般处理不干净,必须要清洗。冲洗介质采用蒸汽或冲洗水,流速应不小于1. 5 m／ s。从水解器开始至氨空气混合器之前的管道及水解器汽源蒸汽管道需进行气密试验,气密试验需在水压试验合格后才能进行。工艺系统管道吹扫之后,进行气密试验。

气密试验前对吹扫后系统进行恢复,对管道材料、垫圈、螺栓、调节阀及止回阀的方向、盲板的抽插和流量孔板等复原情况,进行仔细确认。水解器及氨气输送管道试验压力为1. 40 MPa,水解器汽源管道为1. 40 MPa。升压速度0. 2 MPa／ 次进行,每次稳压10 min。气密升压过程中,要严防阀门泄漏而引起低压系统超压。气密结束后,利用贮存的压力进行仪表导管的吹扫。

2. 1. 4 氨气输送管道的惰性气体置换

正式投料前必须用氮气或蒸汽置换系统。置换前先关闭系统全部阀门,再按要求流向逐个开启有关阀门。开启水解系统中低点排污及高点排气阀门,排出少量氮气或蒸汽,系统置换工作完成后,关闭所有阀门进行密封。

2. 2 尿素水解SCR 热态调试

2. 2. 1 蒸汽伴热系统的投运

建立蒸汽伴热系统是进行尿素溶液的配制以及水解器的试运的前提条件,以防止尿素溶液的结晶以及氨气管道的尿素再结晶堵塞管道。伴热的范围为尿素溶解罐、尿素溶液储罐、尿素溶液输送管道、水解器管道以及氨气管道等伴热。

2. 2. 2 尿素溶液的配制

在尿素溶液溶解罐中,先加入一定量的除盐水,打开通向尿素溶解罐内蒸汽盘管阀门,通入蒸汽,当温度达到50℃时,开启尿素溶解罐的搅拌器,开启斗式提升机,开启尿素溶液混合泵不断循环,从斗式提升机加料口加入定量的袋装尿素。当溶液中尿素含量达50%时,通过混合泵将尿素溶液送入尿素溶液储罐,合格的尿素溶液以备水解器的随时使用。

2. 2. 3 尿素水解器的试运

当尿素溶液制备完成后进行尿素水解器的试运,水解器投运主要步骤:建立水解器伴热系统,包括水蒸汽伴热以及电伴热;水解器内注入合格的除盐水,液位高度达到300 mm;关闭产品气排放阀,关闭SCR 产品气输送管道阀门,关闭水解器排放阀;缓慢打水解器进汽阀,向水解器内通入蒸汽,同时打开水解器的蒸汽冷凝液排放阀和疏水阀,水解器开始升温,温度升至90℃;开启尿素溶液输送泵,向水解器缓慢送尿素溶液;继续提高水解器内溶液温度、压力,直至温度160℃,压力0. 6 MPa;启动一次风机完成喷氨格栅初调平工作,记录AIG 原始调平参数。调平工作结束后,在氨气进入氨空混合器前提前开启一次风机并保证空气流量不低于保护值;缓慢打开产品气调节阀,向氨空混合器送入氨气;待脱硝水解系统运行稳定后,开启空压机,向水解器内输送防腐空气。

2. 3 尿素水解系统停运

尿素水解器运行过程的大惯性,同时水解后的产品气为NH3、CO2 和H2O 的混合物,在温度低于110℃时,会发生产品气逆反应过程生成氨基甲酸铵结晶堵塞水解器氨气管道。因此需考虑尿素水解器的停运过程,急停尿素水解器会造成水解器压力上升以及停运后的氨气管道堵塞问题,故在尿素水解器停运前需提前停止尿素溶液输送,并将尿素水解器预先走空,防止水解器余热升压导致安全阀动作,当水解器在停运过程中需对水解器氨气管道进行吹扫,将残留氨气吹扫干净,以防止氨气管道堵塞,同时在设计时尽可能的缩短水解器氨气管道长度,将所有管道进行伴热并完善保温以避免氨气管道的堵塞现象[10] 。

3 尿素水解SCR性能优化及常见技术问题

3. 1 尿素水解SCR低负荷快速投入

由于脱硝水解系统升温升压过程需要一定时间,为保证系统产出合格的产品气快速在较低负荷条件下快速投入SCR,需在排烟温度满足条件前,进行脱硝系统尿素溶液制备、水解器伴热投入以及水解器的提前升温升压工作。合理控制加热蒸汽量来控制水解器的升温升压速率。同时采用调整烟气挡板减少省煤器相对吸热量,以提升烟气温度,尽可能早的投入SCR 脱硝系统。

3. 2 尿素水解SCR的AIG调整

烟气脱硝系统入口烟道导流板都已设计安装固定,机组正常运行时,均无法进行调整,而烟气流道内烟气流速在不同烟气流量条件下仍不均匀,喷氨格栅在尿素水解器进行初次投运前进行了初步调平,调整为每支喷枪流量一致,这是基于烟道内流速一致的假设进行的调整,初调平的喷氨格栅不能解决烟气流道内流速不均匀问题,为了控制氨逃逸的上升,需依据脱硝反应器出口NOx 浓度分布进行再次调平,以实现NOx 浓度的均匀分布,在降低脱硝反应器出口混合后NOx 浓度的基础上同时减少氨逃逸,防止在空预器生成硫酸氢氨造成受热面沾污。

3. 3 尿素水解SCR变负荷控制策略优化

SCR 喷氨控制策略一般设计为开环控制的固定摩尔比控制方式,脱硝过程是一个大迟延、大惯性并且具有一定非线性的过程[11 -13] ,以及CEMS 为单点测量,测量精度较低、偏差较大,在变负荷工况下脱硝系统喷氨自动适应性较差,通过优化脱硝系统控制策略,加入负荷、入口NOx 浓度、以及出口NOx 浓度为导前微分前馈串级PID 控制,控制SCR 反应器出口NOx 浓度的闭环控制,可有效解决脱硝系统跟随负荷变动适应性差的问题。

3. 4 脱硝投入初期氨逃逸过量

投入脱硝系统初期,由于手动控制喷氨调阀且脱硝过程惯性较大,极易导致喷氨过量,喷氨调门开的过大会使大量氨气进入SCR 反应区,导致SCR 反应器出口氨逃逸浓度升高,过量的氨进入空预器会导致空预器沾污等一系列问题,在手动调节的情况下,注意监视烟气流量及SCR 入口NOx 浓度,尽可能的缓慢操作喷氨调阀,防止氨逃逸的升高。

3. 5 CEMS仪表反吹导致喷氨自动发散

脱硝系统CEMS 烟气分析仪位于SCR 反应器出入口,CEMS 防堵反吹是为了避免烟气分析仪由于吸入烟气中的粉尘导致取样管堵塞。如果反吹过程中系统维持稳定,那么反吹不会对脱硝系统造成任何影响。但如果在反吹期间正好遇上升降负荷投、切磨组等操作时,脱硝入口NOx 有较大变化,脱硝系统调阀就会因为入口指令反馈偏差大而切除自动,造成NOx 排放浓度短时间超标。通过对NOx 突变添加一定的变化速率,防止NOx 的突变,减缓对喷氨调阀的喷氨自动的扰动,使喷氨自动可以稳定投入。

4 结语

尿素水解法制备SCR 还原剂以其安全的优势,减少电厂危险源,特别是在距离城市较近的电厂应用将会越来越多,将会逐渐成为脱硝还原剂的主流方法。对尿素水解SCR 烟气脱硝系统的调试过程行详尽叙述,对尿素水解法SCR 性能优化及常见技术问题提供技术解决方案,为尿素水解SCR 的优化运行提供合理建议。