燃煤电站尿素水解脱硝系统优化调整.docx

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1、燃煤电站尿素水解脱硝系统优化调整尿素水解装置是尿素水解制备脱硝复原剂的重要装置,目前尿素水解制备脱硝复原剂技术在国内尚处于起步阶段。从尿素水解反应机理出发，对水解装置运行特性开展了控制策略研究，制定了最经济的给料浓度和水解装置的最正确运行方式。以国电集团*热电厂2X210MW燃煤机组烟气脱硝工程为例，对其烟气脱硝系统开展优化调整。通过优化调整后，在烟气脱硝系统反应器出口建立了均匀、稳定的NOx分布，最大限度的控制脱硝副反应化学物质生成，在保证高效脱硝效率的同时，降低烟气脱硝系统氨气的逃逸率。目前，国内燃煤发电企业正按照国家“十二五”节能减排规划，同时参考煤电节能减排升级与改造行动计划(20*-

2、20*年)的要求，对锅炉排放的烟气开展脱硝处理，以减少氮氧化物排放。煤粉锅炉降低氮氧化物排放，普遍采用选择性催化复原法(SCR)脱硝工艺，根据复原剂的存储、制备方式不同，SCR脱硝工艺可分为：液氨法、氨水法、尿素法等。在液氨、氨水、尿素中开展复原剂选择，国内一般都从安全角度考虑。目前国内防范液氨事故的技术越来越细，相应的安全防范措施成本越来越高，并且国内城市周边热电厂获得液氨使用许可证越来越困难，现在尿素水解/热解制备氨气正越来越多地作为脱硝复原剂使用，特别是最近两年，尿素水解制备脱硝复原剂的技术正逐渐成为脱硝复原剂制备的主流工艺。其中，本文研究的国电集团龙华*热电厂的脱硝工艺就采用了尿素水解

3、制备复原剂的方法。1尿素水解制备脱硝复原剂的反应机理及工艺过程1. 1尿素水解制备脱硝复原剂的反应机理尿素的水解反应为尿素在高温下与水反应生成NH3和C02的过程，其反应可以认为由两步组成：第一步化学反应为水与尿素生成氨基甲酸胺盐(NH2C00NH4),此化学反应属于微放热反应，反应过程比较缓慢。12尿素水解工艺过程尿素颗粒由斗提机送入溶解罐，在溶解罐内与除盐水配制成一定浓度的尿素溶液。配制好的一定浓度的尿素溶液,经过尿素溶液输送泵送至溶液储罐中备用。溶液储罐中的尿素溶液再经尿素溶液循环泵送入水解反应装置中。水解反应器中的尿素溶液通过吸热产生的水解产物，经稀释风混合器混入热空气后送入锅炉尾部烟

4、道参与脱硝反应。图1国电龙华*热电厂尿素水解装置2尿素水解制氨系统的调整与优化2. 1尿素水解制备脱硝复原剂系统冷态调整试验尿素水解制备脱硝复原剂系统在首次投运或经过大修后，需要开展尿素制液系统水压试验、尿素溶液/氨气输送管路气密性试验和氨气输送管道氮气置换试验，以保证尿素水解制备脱硝复原剂系统的安全稳定运行。(1)尿素制液系统的水压试验：对整个尿素制液系统开展水压试验以检查管道系统及各连接部位的工程质量及严密性。(2)尿素溶液/氨气输送管路气密性试验：用电厂的压缩空气开展系统内气密性试验，试验压力为12MPa,按要求稳压一定长的时间。查尿素溶液/氨气输送管路各连接法兰、密封面、焊缝有无泄漏的

5、部分。(3)氨气输送管道氮气置换试验：从氮气汇流排各接入点接入氮气，缓慢向系统持续充入氮气。在喷氨格栅入口测量氧气的含量，当测量排出气体中氧气含量小于1%时，结束氨气输送管道的氮气置换试验。2.2尿素水解制氨技术常见问题解决策略研究2.2.1堵塞问题尿素水解制备脱硝复原剂技术的堵塞性问题主要发生在尿素溶液输送管道和氨气输送管道内部。(1)尿素溶液输送管道堵塞问题：尿素溶液输送管道堵塞是由于保温伴热措施不到位，尿素溶液温度降低引起尿素结晶析出。解决的方法是通过在尿素溶液输送管道周围增设电伴热带和蒸汽伴热带，保证尿素溶液输送管道尿素溶液不低于50o(2)气氨输送管道堵塞问题：如果水解反应器出口气相

6、带液，液滴为尿素溶液。带液气体经过阀门截流后，压力降低，液滴中的水分汽化，液滴中的尿素结晶析出会在阀门后产生堵塞问题，解决方法是在尿素水解反应器气相出口设置高效除雾器，减少气相带液。另外，当生成物输送过程中，保温伴热措施不到位，会引起生成物发生逆反应，生成氨基甲酸镀结晶，堵塞输送管道。解决的方法是通过在氨气输送管道周围增设蒸汽伴热带,保证氨气输送管道内混合气体温度不低于I1(TC。2.2.2腐蚀性问题尿素水解过程生成的中间产物(如氨基甲酸铁等)具有腐蚀性。解决腐蚀性问题的策略方法是对水解反应器、尿素输送管道和氨混合气管道使用3161材质。2.2.3负荷跟随性问题当机组负荷发生变化或由于煤质变化

7、，导致炉膛出口NOx的生成量发生变化，会引起系统对氨气需求量发生变化。为了满足氨气需求量的要求，解决策略的方法包括以下三点:(1)控制尿素水解反应器内的液相液位高度，保证水解反应器内有足够的气相空间。气相空间充满高压的水解反应生成气体，能够起到气体储罐和缓冲罐的成效。当机组负荷发生变化，引起系统对氨气需求量发生变化时，水解反应器气相出口的调节阀首先发生动作，水解器气相空间的储气能够满足负荷变化初期对供氨量的要求。(2)通过优化控制，当机组负荷发生变化时，通过给尿素水解器进料控制阀和加热蒸汽流量控制阀参加前馈的方式，缩短系统反应时间。(3)尿素水解反应器设计时，应布置足够的受热面，维持反应器反应

8、参数并保证负荷变动时有快速响应的能力。2.3尿素溶液浓度控制策略研究在不同的尿素溶液浓度的条件下，尿素溶液水解的气相产物成分是不同的。由于水解反应器内部是气液两相共存的状态，因此在平衡状态下，反应产物和原料的组分应满足物料的平衡。图2和图3所示在不同的尿素溶液浓度下，平衡状态下的反应所需要的热量和水解反应产物的气相成分。图2不同尿素溶液浓度下热量消耗由图2可见，随着进料溶液中的尿素浓度的降低，尿素水解反应所需的热量也随之增加。由于蒸发大量气相产物中存在的过量水蒸汽，致使尿素水解反应需要大量的热量，所以尿素溶液过浓度低，同样会造成尿素溶液水解过程中热量的浪费。图3不同尿素溶液浓度下产生气体的组成

9、成分由图3可见，当尿素溶液浓度呈下降趋势时，尿素溶液水解产物中的氨气浓度也呈下降趋势。综合分析图2和图3可知，尿素溶液浓度越低，尿素水解装置运行的经济性越低。当尿素溶液完全水解时，尿素与水的摩尔比为1：Io所以尿素的水解反应是需要有水分子参与的，尿素水解化学反应式，如式所示：因此，当尿素与水的摩尔比为1：1发生化学反应时，水解产物中不含水蒸气。此时，尿素溶液浓度约为76%,所以尿素水解反应所需要的尿素溶液浓度最高值不能超过76%o综合以上的分析，尿素溶液浓度控制在40%60%之间时，尿素水解装置具有较好的运行经济性。2.4水解装置运行方式的控制策略研究对于尿素水解装置的运行方式，可以分为定压运

10、行和滑压运行两种方式，这两种运行方式的差异在于当反应器负荷变化过程中，水解反应器内部的压力是否维持在恒定值。尿素水解装置采用定压运行时，可以实现稳定的氨气流量调节和准确控制。但是为了维持水解反应器内系统平衡,溶液浓度变化比较大，当机组电负荷突变或由于煤质变化导致烟气脱硝反应器入口NoX浓度变化幅度较大时，氨气喷入量的跟随效果较差。在滑压运行条件下，当机组负荷突变或由于煤质变化导致烟气脱硝反应器入口NoX浓度变化幅度较大时，氨气喷入量的跟随效果较好。但在滑压运行时，尿素水解装置内部压力波动较大，不利于氨气流量的准确控制。在实际运行中，对尿素水解装置应该结合定压-滑压两种运行方式，开展分段控制。当

11、烟气脱硝系统入口NOX浓度变化幅度较小时，采用定压运行，当脱硝反应器入口NoX变化幅度较大时，采用滑压运行，这种运行方式既能满足较好的负荷跟随率，也有利于氨气流量的准确控制。3SCR脱硝系统优化调整试验3.1SCR脱硝技术原理烟气脱硝反应器内化学反应的基本原理是：图4选择性催化复原剂(SCR)法脱硝原理图3.3烟气脱硝系统喷氨格栅(A1G)优化调整通过对喷氨格栅(AIG)开展优化调整，可以使进入脱硝反应器内的烟气中NOX与吸附在催化剂活性中心上的氨气混合相对均匀，最大限度的控制脱硝副反应的发生程度，在保证烟气脱硝系统高效脱硝效率的同时，防止氨气逃逸率的上升。由于烟气脱硝系统入口烟道导流板的设计

12、和安装都已经固定，当机组正常运行时，无法开展调整。所以在实际运行中烟气脱硝系统入口的烟气流场很难分布均匀，这就导致了烟气脱硝系统入口烟气中NoX浓度分布也是不均匀的。而在烟气脱硝反应器内，氨气的扩散与烟气中NoX的混合均匀程度，是影响烟气脱硝系统脱硝效率和氨气逃逸率的关键因素。目前SCR法脱硝技术主要的喷氨混合装置是AIG,通过AIG将脱硝反应器内的烟道截面划分为若干个控制区域,每个控制区域对应若干个喷射孔。通过调整每一路供氨支管上的手动调节阀开度来实现对喷氨控制区域内的喷氨量的控制，AIG的优化调整试验是根据脱硝反应器出口NOX浓度分布的情况，对供氨阀的开度大小开展调整，最终在脱硝反应器出口

13、实现NOX浓度的均匀分布，并保证烟气脱硝反应器出口NOx浓度到达国家环保标准的要求。AIG优化调整试验选择在2IOMW电负荷状态下开展，试验期间保证锅炉燃烧煤种为设计煤种，运行参数保持稳定，尿素水解制氨系统及烟气脱硝系统正常投运，并禁止吹灰系统对脱硝反应器内开展吹灰。以1#机组1#脱硝反应器为例，在未开展优化调整试验前，其出口NoX浓度分布如下表1所不O表11#脱硝反应器出口NoX浓度分布(优化调整前)3.4SCR烟气脱硝系统A1G优化调整结果分析表31#脱硝反应器出口相对标准偏差对照表图6优化调整试验前/后1#脱硝反应器出口NOx分布4结论(1)在液氨和尿素水解制备脱硝复原剂中开展复原剂选择

14、，国内一般是从安全角度考虑。目前国内防范液氨事故的技术越来越细，相应的安全防范措施成本越来越高，并且国内城市周边热电厂获得液氨使用许可证越来越困难，现在尿素水解/热解制备氨气正越来越多地作为脱硝复原剂使用，特别是最近两年，尿素水解制备脱硝复原剂的方法逐渐成为脱硝复原剂制备的主流工艺。(2)当尿素与水的摩尔比为1：1发生化学反应时，水解产物中不含水蒸气。此时，尿素溶液浓度约为76%,所以尿素水解反应所需要的尿素溶液浓度最高值不能超过76%o并且随着进料溶液中尿素浓度的降低，尿素水解反应所需的热量也随之增加。由于蒸发大量气相产物中存在的过量水蒸汽，致使尿素水解反应需要大量的热量，所以尿素溶液过浓度

15、低，同样会造成尿素溶液水解过程中热量的浪费。所以当尿素溶液浓度控制在40%60%时，既保证水解装置运行的安全性，同时也保证了水解装置运行的经济性。(3)在实际运行中，尿素水解装置应该结合定压-滑压两种运行方式，开展分段控制，既能满足较好的负荷跟随率，也有利于NH3流量的准确控制。(4)为了防止由吹灰压力过高或蒸汽温度偏低带水，导致烟气脱硝系统的催化剂失活。每次投运蒸汽吹灰器时，都要保证汽源的蒸汽有一定的过热度。并在每次蒸汽吹灰器投运前，对蒸汽输送管道要经过足够时间的疏水暖管，确保管道不带水。(5)SCR烟气脱硝系统喷氨格栅优化调整试验是提高SCR法脱硝技术运行经济性的重要措施，经过优化调整后，每个A1G对应的控制区域内NH3与NoX混合处于均匀状态，在保证脱硝效率的同时，可以有效的防止氨气逃逸率的上升，并控制硫酸氢胺等副反应的大量生成。