SCR脫硝系統(tǒng)中尿素?zé)峤庋b置防結(jié)晶對策探討
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t,比2010年的1055萬t削減29%。同時,“十二五”期間完成4億kw現(xiàn)役燃煤機組脫硝設(shè)施建設(shè),對7000萬kw燃煤機組實施低氮燃燒技術(shù)改造,燃煤機組脫硝效率達(dá)到75%以上。據(jù)統(tǒng)計,“十二五”期間我國脫硝市場的總規(guī)模將達(dá)到1500億元。同時,國家對火電廠大氣污染物的排放提出了新的更高的要求。《火電廠大氣污染物排放標(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)或通過建設(shè)項目環(huán)境影響報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。然而液氨若儲存超過10t,即構(gòu)成重大危險源。同樣,氨水也存在安全問題。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^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,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)
目前國際上應(yīng)用較多的尿素?zé)峤饧夹g(shù)是由美國FuelTech公司設(shè)計的尿素?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),通過尿素溶液混合泵輸送到尿素溶液儲罐,尿素溶液經(jīng)由給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入分解室,稀釋空氣(一般取熱一次風(fēng))經(jīng)加熱后也進入分解室。加熱方式有電加熱器加熱、燃油加熱和燃?xì)饧訜岬炔煌绞剑姀S可根據(jù)各自實際情況做出最經(jīng)濟性的選擇。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)進入脫硝煙道。尿素的耗量由脫硝反應(yīng)的氨需量計算而來。
3、尿素?zé)峤庀到y(tǒng)出現(xiàn)的結(jié)晶問題
目前,尿素?zé)峤饧夹g(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到國內(nèi)幾十臺發(fā)電機組的脫硝系統(tǒng)中。然而在實際運行中,結(jié)晶卻成了幾乎每一套熱解裝置都會遇到的問題。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)重的影響了整個熱解系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn),一方面熱空氣在熱解室內(nèi)無法均勻流動,阻礙了溫度的分布,使熱解室無法達(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,無法繼續(xù)分解。惡性循環(huán)之下,整個熱解室都可能會完全堵塞,從而引起嚴(yán)重事故。
究其原因,是因為此項技術(shù)在中國大規(guī)模應(yīng)用之前,并沒有在國外市場積累足夠的經(jīng)驗,該技術(shù)也并沒有根據(jù)中國火電廠的實際情況(煙氣量大、灰分、硫分高)對該技術(shù)進行適應(yīng)性調(diào)整,導(dǎo)致此項技術(shù)的應(yīng)用在部分電廠形成結(jié)晶,嚴(yán)重時甚至造成SCR系統(tǒng)停運或整個機組停機。結(jié)合各電廠的實際運行狀況,結(jié)晶原因可以總結(jié)為以下幾點:
(1)熱一次風(fēng)(熱二次風(fēng))中灰分含量過高。灰分含量高,則首先會由于顆粒碰撞,對熱解室內(nèi)整個流場分布造成影響,與設(shè)計時的計算流場有差別。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)合越來越多的尿素霧滴,粒徑越來越大,最終在熱解室內(nèi)無法分解、直接沉淀,形成初始結(jié)晶層。最后,灰分還會直接堵塞噴嘴,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)都在運行說明中明確規(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)會影響尿素的霧化效果,使霧化后的尿素液滴粒徑無法達(dá)到熱解室所設(shè)計要求的粒徑范圍。同樣,霧化空氣中的雜質(zhì)可能會堵塞噴嘴,使噴槍甚至無法完成霧化。
(3)熱解室本身設(shè)計不合理。溫度和速度分布是熱解室設(shè)計最重要的因素。熱解室本身對流場和溫度場設(shè)計有很高的要求。體現(xiàn)在,一方面要保證熱解室的流場足夠均勻,使噴槍噴出的尿素溶液霧滴和熱空氣充分混合,同時要使整個熱解室內(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)的溫度場分布合理。應(yīng)保證整個熱解室都處在能夠?qū)崿F(xiàn)尿素?zé)峤獾臏囟葏^(qū)間內(nèi),沒有溫度分布死角,沒有局部的低溫區(qū),使尿素溶液不會因為溫度達(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。部分電廠因為保溫設(shè)計或施工存在問題,導(dǎo)致從尿素溶液儲罐到熱解室的管道溫度不夠,導(dǎo)致尿素在進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或間斷運行時噴槍通道內(nèi)或噴嘴部位產(chǎn)生結(jié)晶。結(jié)晶一旦形成,對噴槍噴霧效果影響很大,進而造成嚴(yán)重結(jié)晶。
(5)運行檢修重視程度不足。很多出現(xiàn)結(jié)晶情況的電廠,均是在運行檢修上沒有足夠的重視。由于尿素?zé)峤馐乙话悴贾迷谑彝飧咂脚_上,一些電廠往往都是自投運始,就不會定期的對噴槍噴霧情況和熱解室運行情況進行巡查,從而無法發(fā)現(xiàn)結(jié)晶開始出現(xiàn)的苗頭。當(dāng)開始發(fā)現(xiàn)熱解系統(tǒng)出問題的時候,已經(jīng)結(jié)晶嚴(yán)重,結(jié)果只能停機檢修。
4、防止結(jié)晶出現(xiàn)的對策探討
(1)降低熱一次風(fēng)中的飛灰含量,對不符合要求的電廠進行空預(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,而實際很多未改造過空預(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。過高的灰分含量不僅影響流場設(shè)計,而且還會堵塞噴嘴通道,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)計值要求。
(2)提高霧化空氣品質(zhì)。改進儀用壓縮空氣制備工藝,提高壓縮設(shè)備規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),定期對儀用壓縮空氣進行抽樣檢測,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)計值。
(3)合理化設(shè)計熱解室。在設(shè)計熱解室的時候,必須有專門的CDD模擬報告,計算在實際工況條件下熱解室內(nèi)的流場和溫度場分布。根據(jù)最佳流場、溫度場分布條件,合理化設(shè)計引流裝置,合理化布置噴槍的位置。設(shè)計時應(yīng)考慮不同運行負(fù)荷下噴槍的停運情況,更應(yīng)考慮停運部分噴槍情況下的流場,溫度場分布。噴槍的布置必須根據(jù)CFD模擬計算結(jié)果避開內(nèi)循環(huán)流區(qū)。
(4)規(guī)范化熱解系統(tǒng)的保溫設(shè)計原則,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。在運行維護中,要定期的比對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熱解系統(tǒng)建立運行維護制度。按經(jīng)驗,應(yīng)做好每天噴槍的運行情況記錄,每2-3個星期就逐一對各支噴槍進行檢查,檢查時應(yīng)將噴槍抽出熱解室本體,并用清水做噴霧實驗,以確保每支噴槍正常工作。由于現(xiàn)在噴槍的設(shè)計均能保證迅速抽出和檢查,所以此過程并不需要耗費很長的時間。
(6)尿素?zé)峤庀到y(tǒng)出力不能超過設(shè)計負(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)計的,當(dāng)系統(tǒng)在超過其設(shè)計負(fù)荷的情況下運行,會造成尿素溶液噴射量過大,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)運行時超過系統(tǒng)最大設(shè)計出力,相對的尿素?zé)峤鉄崃坎蛔悖瑫斐赡蛩亟Y(jié)晶。
(7)嚴(yán)格配制尿素溶液。根據(jù)試驗研究,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)計值為50%。實際工作中應(yīng)根據(jù)各尿素溶液儲罐的工作溫度,配制熱解系統(tǒng)設(shè)計時要求的溶液濃度。以避免由于尿素溶液配制時溫度不同而導(dǎo)致的尿素溶液濃度過高,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比詳見表1。
5、結(jié)語
隨著社會對安全因素的重視,尿素?zé)峤饧夹g(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用將日益廣泛。對于制約尿素?zé)峤饧夹g(shù)應(yīng)用的結(jié)晶問題,解決途徑一是要完善和改進設(shè)計,包括優(yōu)化流場、溫度場,制定詳細(xì)的保溫、運行維護說明,充分考慮設(shè)計負(fù)荷等;二是要提高巡檢和維護的力度,按照運行維護說明,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。
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