燃煤電廠尿素供氨系統的應用與改進

盧紅書，楊志愷

（華電國際萊城發電廠，山東 濟南 271100）

0 引言

燃煤電廠氮氧化物的排放量是一項需要重點監測的環保指標。傳統的鍋爐脫硝系統主要是采用液氨供氨的方式來脫除煙氣中的氮氧化物，但液氨屬于高毒、易燃、易爆的危險化學品，屬于重大危險源[1]，在生產現場布置液氨存儲裝置存在重大安全隱患。為盡快消除液氨供氨系統的安全隱患，華電國際萊城發電廠（以下簡稱“萊城電廠”）開展了將液氨供氨系統改為尿素供氨系統的改造工作。但自從尿素供氨系統投運以來，就又出現了管路容易堵塞、供汽汽源單一以及備用供氨管道響應速度遲緩等諸多問題，也嚴重威脅了鍋爐脫硝系統的安全穩定運行。為提高尿素供氨系統運行的可靠性，萊城電廠又經過實驗研究，制定了新的相應的優化改造方案，有效解決了尿素供氨管路堵塞、汽源單一、供氨管道響應速度遲緩等問題，確保了鍋爐脫硝系統連續穩定運行。

1 尿素供氨系統的設備組成與工藝流程

尿素供氨系統由供料系統、溶液制備與儲存系統、水解反應系統組成。尿素水解反應器共設有A、B、C3臺，其中，A、B反應器之間互為備用，為1號、2號機組供氨；B、C反應器之間互為備用，為3號、4號機組供氨。尿素制氨站至爐前共設有4條供氨母管，其中，1號、2號機組設有2根供氨母管；3號、4號機組設有2根供氨母管。

尿素供氨系統以噸袋尿素為原料，采用尿素水解制氨工藝：先將噸袋尿素拆包成尿素顆粒，再用75～80 ℃的除鹽水將尿素顆粒溶解成質量分數為50 的尿素溶液，溶液通過溶解泵送入尿素溶液儲存罐中，儲存罐中尿素溶液經過輸送泵送至水解反應器模塊[2]。在水解反應器內尿素溶液在一定的壓力、溫度以及催化劑的作用下發生分解，產生NH3、CO2和水蒸氣[3-4]，分解出來的氨氣沿供氨母管被引至爐前氨/空混合器，并經熱一次風稀釋后噴入脫硝選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）系統。尿素供氨系統工藝流程如圖1所示。

圖1 尿素供氨系統工藝流程圖

2 尿素供氨系統存在的問題

萊城電廠尿素制氨系統自投運以來，出現了伴熱效果不佳、供汽汽源單一、制氨量不足以及備用供氨管道響應速度過于遲緩等諸多問題。

2.1 尿素供氨管路易結晶堵塞

尿素供氨管路發生堵塞原因主要有3種：一是保溫伴熱措施不到位，尿素溶液溫度降低引起尿素結晶析出；二是供氨混合氣體在輸送過程中，保溫伴熱措施不到位，導致供氨混合氣體物發生逆反應，生成氨基甲酸銨等物質，堵塞供氨管道[5]；三是在脫硝系統停運后，未及時對供氨管道進行吹掃，脫硝系統再次啟動時，導致尿素供氨管路因堵塞嚴重無法投運，只能被迫進行檢修處理[6]。尿素供氨氣體產生結晶，不但會堵塞取樣管，導致供氨壓力、流量以及稀釋風流量指示失真，而且嚴重時還會堵塞供氨管路、閥門，導致供氨中斷引起氮氧化物超標。

2022年3月10日，4號爐尿素供氨B管路運行，在將尿素供氨A管路并運后中，發現尿素供氨流量、壓力均無明顯變化，初步判斷尿素供氨A管路存在堵塞現象。停運尿素供氨B管路后，脫硝區域兩側的尿素供氨流量分別由70 kg/h、54 kg/h降至2 4 kg/h、19 kg/h，尿素供氨壓力分別由0.43 MPa、0.50 MPa降至0.08 MPa、0.19 MPa，且繼續降低，立即恢復供氨B管路運行后，供氨流量、壓力恢復。由此，判斷肯定是尿素供氨A管路發生堵塞。檢修檢查發現制氨區供氨A管手動門后排污門管路結晶，情況比較嚴重。將尿素供氨A管路吹掃正常后重新并運，效果良好。

2.2 尿素供氨系統供汽熱源較為單一

尿素制氨系統的蒸汽加熱裝置是為尿素水解反應器、除鹽水加熱裝置、尿素供氨管路的伴熱提供熱源。尿素制氨系統投運之初，只設計了1路取自減溫減壓站的蒸汽加熱熱源，熱源較為單一，難以確保尿素制氨供汽熱源的安全性。

2.3 備用供氨管道響應速度過于遲緩

尿素制氨系統至爐前共設有2條供氨管路，尿素供氨系統投運之初選用單管路供氨方式：一路運行，另一路備用。單管路供氨方式下，若運行供氨管路出現異常，在備用供氨管路投運之前，至少需要提前20 min對備用管路進行充氨氣。因此，單管路供氨方式可靠性較差，環保超標風險極大。

3 尿素供氨系統的優化改進

針對尿素制氨系統存在的問題提出了一系列優化改進建議，以便能更好地提高尿素制氨系統的可靠性，確保脫硝系統的安全運行。

3.1 增加尿素供氨管路的沿途伴熱

尿素供氨氣體因結晶而引起的供氨管路堵塞問題是尿素制氨系統中最常見、最棘手的問題，為防止尿素供氨產生結晶堵塞供氨管路，尿素供氨管路必須要加裝良好的伴熱裝置。由于設計原因，原伴熱系統布置不合理，造成設備運行時伴熱不均勻、效果差。為提高伴熱效果，在原2條蒸汽伴熱管路的基礎上，又新增了1條伴熱管路。另外，為了便于伴熱蒸汽投運狀態的監測，在每段伴熱管路的末端都新增加了溫度測點。

3.2 尿素供氨系統供汽熱源改為雙路熱源供汽方式

將尿素制氨系統的供汽熱源由單路供汽熱源改為雙路供汽熱源，正常運行中，尿素制備間使用減溫減壓站作為尿素供汽熱源，工業蒸汽至尿素制備間供汽管道投反暖備用。當減溫減壓站供汽異常停運時，立即投入工業供汽至尿素制備間供汽熱源，以確保尿素制備間的安全運行。

3.3 尿素供氨系統改為雙管路并列供氨方式

為解決備用供氨管道響應速度過于遲緩的問題，提高供氨管路的可靠性，將單管供氨方式改為了雙管并列供氨方式，使備用供氨管路始終處于良好的充氨備用狀態，并且為了防止供氨管路發生堵塞，每隔半月對尿素供氨管路進行一次供氨暢通性檢查。

4 尿素供氨系統的監督與維護

為確保尿素制氨系統運行的穩定性與可靠性，消除尿素供氨系統的安全隱患，集控運行制定了尿素供氨管路暢通性定期檢查措施、停運吹掃措施和應急處理預案。

4.1 尿素供氨管路的暢通性定期檢查

每半月對尿素A、B供氨管道的暢通性進行一次檢查。檢驗方法如下（以1號機組為例）：聯系化學部門關閉1號、2號機組供氨管道A隔離總門，關閉1號、2號機組供氨管道B至1號爐供氨隔離門，1號、2號機組供氨管道B通過聯絡管道給1號爐供氨，若1號爐供氨連續正常，則說明1號、2號機組A、B供氨聯絡管道暢通無堵塞。

4.2 尿素供氨管路的吹掃措施

機組停運后，需短時停運一條供氨管道來對停運機組供氨管道進行正向吹掃（以1號機組停運，2號機組運行，用供氨管道A吹掃為例），具體的操作步驟有以下3方面。

第一，聯系化學部門關閉供氨管道A供氨總門。關閉供氨管道A至2號機組供氨總門，關閉供氨管道B至1號機組的供氨門，打開供氨管道A吹掃蒸汽隔離門，暢通爐前供氨管道，對整個供氨管道進行吹掃，吹掃0.5～1 h后停運。第二，管道吹掃結束后，隔離供氨管道A至停運機組的隔離門（A、B供氨管道至停運機組全部隔離），關閉吹掃蒸汽門，打開供氨管道A供氨總門，恢復運行機組2條供氨管道并運模式。第三，若同一單元的2臺機組同時停運，聯系隔離2條供氨管道，打開蒸汽吹掃門進行管道吹掃，管道吹掃完畢，不再恢復供氨。尿素供氨系統管路連接情況如圖2所示。

圖2 尿素供氨系統管路連接示意圖

4.3 尿素供氨系統的應急處理預案

4.3.1 出現單側供氨流量下降的應急處理

a）出現單側供氨管路堵塞時，立即開大供氨調閥，若供氨流量無變化，則立即就地打開供氨旁路門，調整供氨流量。

b）旁路門打開后供氨流量仍不足時，立即打開供氨聯絡門，開大正常供氨調閥，適當關小正常運行側逆止門后隔離門，確保兩側供氨量平衡，并聯系化學部門提高供氨壓力，將凈煙氣氮氧化物控制在50 mg/m3以下。

4.3.2 出現兩側供氨量同時下降的應急處理

a）立即檢查供氨、供汽壓力是否正常，同時聯系化學部門檢查制氨設備是否正常，若制氨設備出現問題，則切至備用制氨設備。

b）若為供氨管路出現堵塞，聯系化學部門將供氨倒至備用供氨管路，同時將本機組供氨切至備用供氨管路。

4.3.3 機組尿素需求量較大供氨不足時的應急處理

a）尿素供氨噴氨調閥開度持續在70 以上，立即聯系化學部門提高尿素供氨壓力，增大供氨量。

b）若化學部門提高尿素供氨壓力無效，應就地開啟供氨調閥旁路門，增大噴氨量。

c）開大旁路門，供氨量無明顯增加，存在環保超標風險時，立即將1臺機組切回液氨。

d）當尿素供氨總流量達到900 kg/h以上，經化學調整無效，存在環保超標風險時，立即將1臺機組由尿素供氨系統切換至液氨供氨系統。

5 結束語

尿素供氨系統投運以后，通過對尿素供氨設備的改造，對尿素供氨運行方式的優化調整以及對尿素供氨應急處理預案的制定，排除了尿素供氨系統管路經常發生堵塞的故障，大幅度降低了尿素供氨系統緊急切換備用供氨系統的次數，實現了尿素供氨系統的連續、穩定運行。機組運行中，在脫硝SCR入口氮氧化物質量濃度400 mg/m3的情況下投入尿素供氨系統，基本能保證脫硝SCR出口氮氧化物質量濃度穩定維持在30 mg/m3。尿素供氨系統的投運與改進，保障了鍋爐脫硝系統的安全、穩定運行，同時也為下一步液氨供氨系統這一重大危險源的拆除工作做好了充分的準備。