SCR脫硝系統中尿素熱解裝置防結晶對策探討
1、引言
《節能減排“十二五”規劃》中明確提出了到2015年，火電行業氮氧化物排放量為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現役燃煤機組脫硝設施建設，對7000萬kw燃煤機組實施低氮燃燒技術改造，燃煤機組脫硝效率達到75%以上。據統計，“十二五”期間我國脫硝市場的總規模將達到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準》(GB13223-2011)中規定，除采用W型火焰爐膛的火力發電鍋爐、現有循環流化床火力發電鍋爐以及2003-12-13前建成投產或通過建設項目環境影響報告書審批的燃煤鍋爐NOx挨執行200mg/m3的排放限值外，自2012-01-01起新建燃煤鍋爐、自2014-07-01起現有燃煤鍋爐NOx均執行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性成為了在燃煤電廠中應用最多的脫硝技術。
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，目前應用最多的是液氨。然而液氨若儲存超過10t，即構成重大危險源。同樣，氨水也存在安全問題。基于此，在《火力發電廠氮氧化物防治技術政策》和《火力發電廠設計規范》中都明確規定，位于大中城市及其近郊區的電廠(人口稠密區的脫硝設施)宜選用尿素作為還原劑。尿素熱解制氨技術也因此產生并迅速發展。
2、尿素熱解技術
尿素熱解法指通過快速加熱使霧化后的尿素溶液分解而獲得NH3的技術。熱解法在合適的條件內，反應完全，不易產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水解法，熱解法更具有在工程應用中的優勢，比如抗腐蝕性更好、不易發生堵塞等。
尿素熱解的反應方程式為：
CO(NH2)2+H2o=2NH3+CO2(1)
目前國際上應用較多的尿素熱解技術是由美國FuelTech公司設計的尿素熱解制氨技術，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)經加熱后也進入分解室。加熱方式有電加熱器加熱、燃油加熱和燃氣加熱等不同方式，電廠可根據各自實際情況做出最經濟性的選擇。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完全分解，分解產物(NH3和CO2)經由氨噴射系統進入脫硝煙道。尿素的耗量由脫硝反應的氨需量計算而來。
3、尿素熱解系統出現的結晶問題
目前，尿素熱解技術已經成功應用到國內幾十臺發電機組的脫硝系統中。然而在實際運行中，結晶卻成了幾乎每一套熱解裝置都會遇到的問題。如山西電廠尿素熱解裝置出現的嚴重結晶，大量的結晶附著在熱解室內壁，嚴重的影響了整個熱解系統的正常運轉，一方面熱空氣在熱解室內無法均勻流動，阻礙了溫度的分布，使熱解室無法達到滿足尿素分解所需的溫度條件;另一方面大量的結晶占用了熱解室內的空間，使尿素溶液在完全分解之前就沾附到結晶物上，形成新的結晶層，無法繼續分解。惡性循環之下，整個熱解室都可能會完全堵塞，從而引起嚴重事故。
究其原因，是因為此項技術在中國大規模應用之前，并沒有在國外市場積累足夠的經驗，該技術也并沒有根據中國火電廠的實際情況(煙氣量大、灰分、硫分高)對該技術進行適應性調整，導致此項技術的應用在部分電廠形成結晶，嚴重時甚至造成SCR系統停運或整個機組停機。結合各電廠的實際運行狀況，結晶原因可以總結為以下幾點：
(1)熱一次風(熱二次風)中灰分含量過高。灰分含量高，則首先會由于顆粒碰撞，對熱解室內整個流場分布造成影響，與設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氣流中結合越來越多的尿素霧滴，粒徑越來越大，最終在熱解室內無法分解、直接沉淀，形成初始結晶層。最后，灰分還會直接堵塞噴嘴，從而影響噴霧效果，引起結晶。
(2)噴槍所用的霧化空氣純度不足。盡管所有的尿素熱解系統都在運行說明中明確規定了霧化空氣必須使用儀用壓縮空氣，但是具體到各電廠，由于設備條件或管道老化等各方面原因，導致噴槍中的霧化空氣純度不足。霧化空氣中的雜質會影響尿素的霧化效果，使霧化后的尿素液滴粒徑無法達到熱解室所設計要求的粒徑范圍。同樣，霧化空氣中的雜質可能會堵塞噴嘴，使噴槍甚至無法完成霧化。
(3)熱解室本身設計不合理。溫度和速度分布是熱解室設計最重要的因素。熱解室本身對流場和溫度場設計有很高的要求。體現在，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。另一方面應保證熱解室內的溫度場分布合理。應保證整個熱解室都處在能夠實現尿素熱解的溫度區間內，沒有溫度分布死角，沒有局部的低溫區，使尿素溶液不會因為溫度達不到分解所需的條件而形成結晶。
(4)保溫達不到熱解系統要求。部分電廠因為保溫設計或施工存在問題，導致從尿素溶液儲罐到熱解室的管道溫度不夠，導致尿素在進入噴槍之前逐漸析出細小晶體，晶體累積之下很容易在停機或間斷運行時噴槍通道內或噴嘴部位產生結晶。結晶一旦形成，對噴槍噴霧效果影響很大，進而造成嚴重結晶。
(5)運行檢修重視程度不足。很多出現結晶情況的電廠，均是在運行檢修上沒有足夠的重視。由于尿素熱解室一般布置在室外高平臺上，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，從而無法發現結晶開始出現的苗頭。當開始發現熱解系統出問題的時候，已經結晶嚴重，結果只能停機檢修。
4、防止結晶出現的對策探討
(1)降低熱一次風中的飛灰含量，對不符合要求的電廠進行空預器改造。熱解系統要求熱一次風(二次風)中的灰分含量在100mg/m3以下，而實際很多未改造過空預器電廠的熱一次，我(二次風)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計，而且還會堵塞噴嘴通道，所以必須使熱一次風(二次風)中的灰分含量滿足熱解系統設計值要求。
(2)提高霧化空氣品質。改進儀用壓縮空氣制備工藝，提高壓縮設備規范標準，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含量。保證霧化空氣的壓力和流量達到設計值。
(3)合理化設計熱解室。在設計熱解室的時候，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的流場和溫度場分布。根據最佳流場、溫度場分布條件，合理化設計引流裝置，合理化布置噴槍的位置。設計時應考慮不同運行負荷下噴槍的停運情況，更應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CFD模擬計算結果避開內循環流區。
(4)規范化熱解系統的保溫設計原則，嚴格施工管理。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)根據各電廠的不同情況針對熱解系統建立運行維護制度。按經驗，應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。由于現在噴槍的設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)尿素熱解系統出力不能超過設計負荷。尿素熱解系統最大出力都是根據SCR系統的最大氨需量設計的，當系統在超過其設計負荷的情況下運行，會造成尿素溶液噴射量過大，尿素霧化液滴和燃燒器參數不能滿足全部尿素的分解要求。系統運行時超過系統最大設計出力，相對的尿素熱解熱量不足，會造成尿素結晶。
(7)嚴格配制尿素溶液。根據試驗研究，尿素溶液熱解的最佳濃度應該介于50%-55%之間，一般推薦的設計值為50%。實際工作中應根據各尿素溶液儲罐的工作溫度，配制熱解系統設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、結語
隨著社會對安全因素的重視，尿素熱解技術在燃煤電廠的應用將日益廣泛。對于制約尿素熱解技術應用的結晶問題，解決途徑一是要完善和改進設計，包括優化流場、溫度場，制定詳細的保溫、運行維護說明，充分考慮設計負荷等;二是要提高巡檢和維護的力度，按照運行維護說明，及早發現一切可能引起熱解系統結晶的起因，并早作預防。
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