300MW鍋爐煙氣超低排放后脫硝系統的優化運行
摘 要：火電廠煙氣實行超低排放改造以后，單一的脫硝系統已滿足不了日益嚴峻的環保形勢要求，這就需要我們不斷優化脫硝系統，既保證環保參數的達標排放，又能滿足機組長期安全、經濟運行。
引 言：隨著全國環境空氣質量的下降，環保壓力與日俱增，國家環保部對火電廠的廢氣排放也提出了新的要求，因此在2015年新的環保法也規定了更為嚴格的煙氣超低排放標準，這對我們火電廠保證煙氣達標排放提出了更高的要求，使脫硝系統能否穩定運行面臨著考驗。
概述
早期火電廠煙氣脫硝一部分采用的是SCR脫硝尿素熱解工藝，從近幾年脫硝系統運行方面，存在著許多問題，例如流經電加熱器的熱一次風含灰量大造成加熱管磨損、加熱器堵塞超溫、通流面積減小等故障;另外尿素噴槍運行中調整維護不當會造成熱解爐出口部位結晶堵塞，超低排放改造后此現象尤為嚴重;熱解系統尿素溶液主循環大部分沒有備用循環系統，大大降低了脫硝熱解系統運行的穩定性和可靠性。最初的脫硝熱解系統電加熱器電耗高，電加熱器運行環境惡劣，可靠性差，嚴重威脅著脫硝系統的安全穩定運行，即便后來部分機組通過改造，通過用煙氣加熱器替代電加熱器等方法來提高系統可靠性，但由于受到煙氣溫度、流量不易控制、含灰量大、啟動時加熱器出力受限等條件限制，改造的最終效果都不太理想。隨著國家對環保的不斷重視，脫硝熱解系統的缺點日益突出，許多電廠為了保證脫硝系統的穩定運行，紛紛對原有的系統進行了改造。如增加脫硝尿素直噴系統、增設備用脫硝設備及系統、使用脫硝水解等。
液氨脫硝系統雖然初投資相對較小，運行成本較低，但是液氨作為重大危險源，安全風險極大，隨著國家和對安全性的重視日益提高，越來越多的脫硝系統仍選擇尿素作為還原劑的制備原料。
首陽山公司300MW機組自2016年超低排放改造時經過論證，引入水解制氨工藝，和尿素熱解系統互為備用，機組運行時采用水解系統，熱解系統備用，當水解系統有檢修工作或故障時投入熱解系統，保證在任何情況下，出口NOX都能達標排放，增加了脫硝系統運行的靈活性、可靠性。
首陽山水解反應區畫面
1 水解系統工藝概述
尿素顆粒由斗提機送入尿素溶解罐，用除鹽水進行溶解，配置成濃度約50%，溫度40 ℃的尿素溶液，由尿素溶液輸送泵送入尿素溶液儲罐。尿素溶液由給料泵從尿素溶液儲罐輸送至水解器。在水解器中，控制一定的溫度壓力，尿素徹底水解變為氨氣和二氧化碳，以氣態方式從水解器頂部輸出成品氨氣，向脫硝系統反應區輸送。
2 水解系統組成
尿素水解制氨系統主要由尿素存儲車間、斗式提升機、尿素溶解罐、尿素溶液輸送泵、尿素溶液儲罐、循環泵、水解器、水解器氣相及液相泄壓裝置、蒸汽減溫減壓裝置、儀用氣等設備組成。
3 主要系統作用和原理
3.1 水解系統
水解系統是尿素水解制氨系統的核心單元。尿素溶液經過水解器加熱后，控制壓力0.55 MPa，溫度150 ℃的環境下，水解為氨蒸汽和二氧化碳。水解反應生成的氨蒸汽、二氧化碳和水蒸氣一起稱為產品氣。
3.2 蒸汽減溫減壓系統
首陽山公司尿素水解制氨系統使用的汽源為電廠高壓輔助蒸汽，汽源壓力約1.2 MPa，溫度350 ℃。經過減溫減壓裝置，得到壓力0.75MPa，溫度180 ℃的蒸汽，供水解系統使用。
3.3 水解器氣、液相泄壓系統
尿素水解器設置有氣、液相泄壓系統，用于事故狀態下水解器的泄壓，主要由氣、液相泄壓閥、氣相安全閥以及連接管道和廢液池，液相回流系統組成。水解器、安全門排放管道連接至廢液池液面以下，該系統在水解器異常狀態壓力超過定值時即時動作，排放氨蒸氣及尿素溶液，保證水解器壓力不超限。
通過實際運行情況表明，脫硝水解系統與原有熱解系統相比，凸顯出較為明顯的優點，具體表現在以下幾方面。
由于水解系統配置兩臺100%容量的水解器，即可互為備用、又能并列運行，運行方式較為靈活。首陽山公司正常運行時兩臺水解器并列運行，避免了一臺水解器故障時，備用水解器冷啟時間長帶來的脫硝系統供氨中斷風險。另外，兩臺水解器并列運行，水解器內氨氣儲備量增大，有效保證機組變工況時氨氣的及時供給，緩解了脫硝系統參數延時對機組負荷響應速度的影響。
水解器運行時內部壓力保持0.5MPa左右，有一定的氨儲備量，經過試驗，當水解器加熱汽源中斷20分鐘以內，不會因供氨中斷引起NOX超排，極大提高了脫硝系統運行的可靠性。
水解器尿素溶液供給系統的短時停運，也不會對水解器的運行造成威脅，這一點也為水解系統的可靠性提供了有力保障。
尿素溶液在水解器中進行加熱水解，氣液有效分離和氨氣清洗系統使得進入噴氨格柵的氨氣更為純凈、均勻，有效解決了熱解噴槍霧化不好的問題。
采用水解制氨工藝，脫硝電耗明顯降低，由熱解工藝時的0.26%降至0.025%。下圖中是我公司2018、2019年同期脫硝電耗的對比：
水解制氨工藝自動化投入率高，運行人員的操作量減少。
事實證明，自從脫硝水解改造以后，機組沒有發生因脫硝系統故障，出口NOX超標排放的事件。
任何事物都有兩面性，水解脫硝系統也并非完美，也有缺點，具體表現在以下幾個方面。
設備初投資與熱解系統相比有所增大，由于水解器系統不銹鋼材料的大量應用，加之系統較熱解復雜，控制邏輯和工藝也要求高，所以初投資相對較高。
廠用蒸汽消耗量大，由于水解器為表面式換熱器，加熱蒸汽凝結成水后進入廢液池流失，增加了除鹽水的消耗，提高了機組補水率。雖說凝結水可以回收，但由于水解器有泄漏可能性，含氨溶液一旦進入電廠未進行特殊防腐處理的設備中，安全隱患極大，需加裝在線檢測儀表進行連續監測后方可進行回收利用。
尿素水解時會生成中間產物甲銨，甲銨具有很強的腐蝕性，會使水解器及管路受到腐蝕，影響設備壽命，特別是在高溫狀態下尤為明顯，因此運行中要嚴格控制水解器壓力和溫度。
采取的措施
機組超低排放改造后，出口NOX指標由100mg/m3降為50mg/m3以下，噴氨量的增加，勢必會造成氨逃逸的升高，硫酸氫氨的腐蝕和積灰堵塞已漸漸制約了機組長周期的安全運行，根據近年來我公司機組脫硝運行和其他廠的實際情況，總結了以下建議：
充分利用鍋爐低氮燃燒技術，降低鍋爐NOX的生成量，從源頭上減少噴氨量。
煙囪入口NOX指標不要控制過低，在30-40mg/m3之間，既保證指標不超限，又減少了氨逃逸。
嚴格執行脫硝SCR吹灰制度，保證催化劑表面清潔、不積灰，避免催化劑活性異常下降。
機組檢修后進行噴氨優化試驗，調整SCR內部煙氣流場分布均勻，避免局部氨逃逸超限。下圖是我公司去年進行優化調整前、后NH3逃逸濃度分布對比，NH3逃逸濃度大幅降低。
避免機組長時間低負荷運行，定期申請加負荷，提升煙溫。
每次機組檢修后做SCR反應器噴氨優化試驗，
根據空預器差壓定期對空預器進行水沖洗。
通過提升單側空預器排煙溫度的方法使硫酸氫氨氣化，分解。
冬季空預器排煙溫度偏低時，及時投入熱風再循環系統，提高一、二風溫，必要時加裝暖風器。
如果空預器堵塞嚴重，建議選用流通阻力較小、有效截面積大且易于清洗的蓄熱元件。
結束語
火電廠煙氣加裝SCR脫硝裝置后，尤其是執行超低排放標準后，鍋爐煙道阻力增加、空預器積灰、堵塞等問題都在制約著機組的安全、經濟運行，因此針對脫硝系統出現的各類問題要采取對應的措施，以降低SCR系統對鍋爐的不利影響，既保證污染物達標排放，又能讓機組安全、穩定、經濟運行。
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