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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(shí)，“十二五”期間完成4億kw現(xiàn)役燃煤機(jī)組脫硝設(shè)施建設(shè)，對(duì)7000萬kw燃煤機(jī)組實(shí)施低氮燃燒技術(shù)改造，燃煤機(jī)組脫硝效率達(dá)到75%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十二五 ”期間我國脫硝市場(chǎng)的總規(guī)模將達(dá)到1500億元。同時(shí)，國家對(duì)火電廠大氣污染物的排放提出了新的更高的要求?！痘痣姀S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(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)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(duì)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(chǔ)存超過10t，即構(gòu)成重大危險(xiǎn)源。同樣，氨水也存在安全問題?；诖耍凇痘鹆Πl(fā)電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》和《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)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(duì)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(shì)，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(jì)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(chǔ)罐，尿素溶液經(jīng)由給料泵、計(jì)量與分配裝置、霧化噴嘴等進(jìn)入分解室，稀釋空氣(一般取熱一次風(fēng))經(jīng) 加熱后也進(jìn)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?，電廠可根據(jù)各自實(shí)際情況做出最經(jīng)濟(jì)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(jìn)入脫硝煙道。尿素的耗量由脫硝反應(yīng)的氨需量計(jì)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(tái)發(fā)電機(jī)組的脫硝系統(tǒng)中。然而在實(shí)際運(yùn)行中，結(jié)晶卻成了幾乎每一套熱解裝置都會(huì)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(gè)熱解系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一方面熱空氣在熱解室 內(nèi)無法均勻流動(dòng)，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(gè)熱解室都可能會(huì)完全堵塞，從而引起嚴(yán)重事故。
究其原因，是因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)在中國大規(guī)模應(yīng)用之前，并沒有在國外市場(chǎng)積累足夠的經(jīng)驗(yàn)，該 技術(shù)也并沒有根據(jù)中國火電廠的實(shí)際情況(煙氣量大、灰分、硫分高)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，導(dǎo)致此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用在部分電廠形成結(jié)晶，嚴(yán)重時(shí)甚至造成SCR系統(tǒng)停運(yùn)或整個(gè)機(jī)組停機(jī)。結(jié)合各電廠的實(shí)際運(yùn)行狀況，結(jié)晶原因可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：
(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(huì)由于顆粒碰撞，對(duì)熱解室內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)分布造成影響，與設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算流場(chǎng)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(huì)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(yùn)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(huì)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(jì)要求的粒徑范圍。同樣，霧化空氣中的雜質(zhì)可能會(huì)堵塞噴嘴，使噴槍甚至無法完成霧化。
(3)熱解室本身設(shè)計(jì)不合理。溫度和速度分布是熱解室設(shè)計(jì)最重要的因素。熱解室本身對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)有很高的要求。體現(xiàn)在，一方面要保證熱解室的流場(chǎng)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(shí)要使整個(gè)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(shí)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(chǎng)分布合理。應(yīng)保證整個(gè)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(huì)因?yàn)闇囟冗_(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?yàn)楸卦O(shè)計(jì)或施工存在問題，導(dǎo)致從尿素溶液儲(chǔ)罐到熱解室的管道溫度不夠，導(dǎo)致尿素在進(jìn)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(jī)或間斷運(yùn)行時(shí)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(duì)噴槍噴霧效果影響很大，進(jìn)而造成嚴(yán)重結(jié)晶。
(5)運(yùn)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(yùn)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_(tái)上，一些電廠往往都是自投運(yùn)始，就不會(huì)定期的對(duì)噴槍噴霧情況和熱解室運(yùn)行情況進(jìn)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(shí)候，已經(jīng)結(jié)晶嚴(yán)重，結(jié)果只能停機(jī)檢修。
4、防止結(jié)晶出現(xiàn)的對(duì)策探討
(1)降低熱一次風(fēng)中的飛灰含量，對(duì)不符合要求的電廠進(jìn)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(shí)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(chǎng)設(shè)計(jì)，而且還會(huì)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(jì)值要求。
(2)提高霧化空氣品質(zhì)。改進(jìn)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(duì)儀用壓縮空氣進(jìn)行抽樣檢測(cè)，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(jì)值。
(3)合理化設(shè)計(jì)熱解室。在設(shè)計(jì)熱解室的時(shí)候，必須有專門的CDD模擬報(bào)告，計(jì)算在實(shí)際工況條件下熱解室內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。根據(jù)最佳流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布條件，合理化設(shè)計(jì)引流裝置，合理化布置噴槍的位置。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不同運(yùn)行負(fù)荷下噴槍的停運(yùn)情況，更應(yīng)考慮停運(yùn)部分噴槍情況下的流場(chǎng)，溫度場(chǎng)分布。噴槍的布置必須根據(jù)CFD模擬計(jì)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(jì)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(yùn)行維護(hù)中，要定期的比對(duì)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(duì)熱解系統(tǒng)建立運(yùn)行維護(hù)制度。按經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)做好每天噴槍的運(yùn)行情況記錄，每2-3個(gè)星期就逐一對(duì)各支噴槍進(jìn)行檢查，檢查時(shí)應(yīng)將噴槍抽出熱解室本體，并用清水做噴霧實(shí)驗(yàn)，以確保每支噴槍正常工作。由于現(xiàn)在噴槍的設(shè)計(jì)均能保證迅速抽出和檢查，所以此過程并不需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。
(6)尿素?zé)峤?/a>系統(tǒng)出力不能超過設(shè)計(jì)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(jì)的，當(dāng)系統(tǒng)在超過其設(shè)計(jì)負(fù)荷的情況下運(yùn)行，會(huì)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(yùn)行時(shí)超過系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)出力，相對(duì)的尿素?zé)峤鉄崃坎蛔?，?huì)造成尿素結(jié)晶。
(7)嚴(yán)格配制尿素溶液。根據(jù)試驗(yàn)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(jì)值為50%。實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)各尿素溶液儲(chǔ)罐的工作溫度，配制熱解系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要求的溶液濃度。以避免由于尿素溶液配制時(shí)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(duì)比詳見表1。
表1 不同溫度、濃度下尿素密度對(duì)比 g/cm3
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尿素 尿素濃度
溫度/度 -----------------------------------------
50% 51% 52% 53% 54% 55%
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40 1.1281 1.1308 1.1335 1.1362 1.1389 1.1416
45 1.1245 1.1274 1.1302 1.1331 1.1359 1.1388
50 1.1222 1.1250 1.1278 1.1305 1.1333 1.1361
55 1.1190 1.1219 1.1247 1.1276 1.1304 1.1333
60 1.1162 1.1190 1.1219 1.1247 1.1275 1.1304
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5、結(jié)語
隨著社會(huì)對(duì)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(duì)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(jìn)設(shè)計(jì)，包括優(yōu)化流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，制定詳細(xì)的保溫、運(yùn)行維護(hù)說明，充分考慮設(shè)計(jì)負(fù)荷等;二是要提高巡檢和維護(hù)的力度，按照運(yùn)行維護(hù)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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