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摘要:火力發(fā)電廠選擇性催化還原法(SCR)脫硝系統(tǒng)熱解爐尿素結晶會導致整個脫硝系統(tǒng)無法正常運行，以大唐洛陽熱電有限責任公司#6機組脫硝熱解爐尿素結晶為案例，分析了SCR尿素熱解爐尿素結晶的原因，提出了對系統(tǒng)設計優(yōu)化方案，有效治理結晶問題，希望對熱解爐尿素結晶的現(xiàn)象進行有效預防和提供針對性的對策。

關鍵詞:脫硝改造;熱解爐;尿素結晶

1 設備情況簡介

大唐洛陽熱電有限責任公司(以下簡稱洛熱公司)#6鍋爐為DG1060－18．2－Ⅱ4型鍋爐，脫硝系統(tǒng)采用尿素熱解產(chǎn)生氨氣制備還原劑、選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝工藝，熱解爐參數(shù)見表1。熱解爐配套的尿素計量與分配裝置(MDM)根據(jù)鍋爐不同負荷的要求，自動控制并分配給霧化噴槍，然后噴入熱解爐，同時稀釋空氣經(jīng)電加熱器加熱后進入熱解爐(參數(shù)見表2)，由控制系統(tǒng)控制熱解室達到還原所要求的溫度。霧化后的尿素液滴在熱解爐內(nèi)分解，生成NH₃，H₂O和CO₂，分解后的氨由稀釋空氣稀釋到低于5%氨濃度的混合氣體送到氨噴射系統(tǒng)(AIG)再進入煙道系統(tǒng)。熱解爐系統(tǒng)包括熱解爐本體電加熱系統(tǒng)等。

表1立式熱解爐參數(shù)

2 改造前存在問題及分析

洛熱公司#6機組脫硝系統(tǒng)自2014年投運后，頻繁出現(xiàn)熱解爐結晶脫落堵塞出口通道的情況，特別是負荷大于250MW時，堵塞情況加劇，存在掉落結晶體而堵塞熱解爐出口的風險，影響熱解爐出力，造成機組被迫減負荷，嚴重時因脫硝系統(tǒng)被迫退出造成機組非計劃停運事件。

改造前采取的措施:首先，在分散控制系統(tǒng)(DCS)畫面上增加熱解爐內(nèi)部與出口壓差監(jiān)視點，方便運行人員監(jiān)控，有助于提前發(fā)現(xiàn)問題，及時采取調(diào)整熱解爐通風流量、控制機組負荷、改善煤質減少SCR入口氮氧化物、適當減少噴氨量、優(yōu)化噴槍運行方式、改變制粉系統(tǒng)運行方式等應對措施，保持熱解爐內(nèi)持續(xù)維持高溫運行，阻止運行工況進一步惡化。其次，將熱解爐尿素噴槍壓縮空氣壓力由0.60MPa提高到0.65MPa，優(yōu)化噴槍霧化效果，堅持定期對熱解爐尿素噴槍進行水沖洗和清理噴頭。再者，對熱解爐保溫進行全面排查，修補表面溫度超標的部位，減少熱解爐對外散熱。為徹底解決這一問題，洛熱公司與大唐科學技術研究院華中分院合作(以下簡稱華中院)，進行了內(nèi)部模擬流暢試驗。

按照實際尺寸1∶1建模進行計算，發(fā)現(xiàn)原始工況下熱解爐內(nèi)3個溫度測點運行溫度最大存在50℃左右的溫差，一次風在熱解爐內(nèi)左右兩側偏差很大，最高速度26m/s，最低速度2m/s，速度分布非常不均勻，在熱解爐內(nèi)低速區(qū)形成兩個巨大漩渦如圖1所示，而噴槍恰好處在漩渦中心位置，流場非常紊亂，這是熱解爐噴槍堵塞的主要原因。

3 改造方案

3．1改造方案選型

基于熱解爐速度場和溫度場的數(shù)值仿真結果，洛熱公司與華中院鍋爐室密切配合進行20余組以上優(yōu)化工況設計和計算，并形成2～3組不同思路的最優(yōu)化改造方案，最終就改造工程量、施工難易程度、經(jīng)濟效益比、流場阻力增加量等綜合對比分析見表3，選出了最佳改造方案如下。

圖1 原始工況熱解爐CFD仿真模型及速度流線

表3 不同設計方案進出口壓降及速度定量比較

優(yōu)化方案改變原來的均布板孔徑及排布，但是不改變原始熱解爐的高度，如圖2所示。先將φ520mm的管道擴為φ800mm的管道，在φ800mm的管道段安裝一層旋流裝置，再將φ800mm的管道擴為φ1940mm的管道，均布板仍維持原始高度，孔徑差異化排布。該方案優(yōu)于其他方案之處為結果簡潔，施工量小，重量在所有方案中最輕。

圖2 改造段結構圖及速度流速場

經(jīng)過計算，優(yōu)化方案后的熱解爐內(nèi)流場比較均勻，噴槍截面沒有渦流存在。溫度場分布均勻，偏差在±3℃以內(nèi)。

3．2磨損量計算

磨損量常用管壁最大磨損厚度Emax來表示，可由下列經(jīng)驗公式估算，即

熱解爐入口處管道直徑為520mm，流體速度為24m/s。按照本次推薦的最佳方案，熱解爐旋流片處的直徑為800mm，根據(jù)式(2)可知熱解爐旋流片處的速度v2為14．3m/s，在計算旋流片處磨損量時可按vp=v2，熱解爐入口熱一次風來自空氣預熱器出口，因此式(1)中所需參數(shù)均按空氣預熱器入口煙氣條件考慮，μ=30g/m3，Ｒ90=0．14，機組年利用小時數(shù)按照5000h計，根據(jù)以上參數(shù)計算出管壁最大磨損厚度Emax=0．125mm/a。旋流葉片采用10mm厚304L不銹鋼，按減薄50%為限，可滿足40年使用壽命要求。

4 改造實施及試驗

4．1工程實施情況

如圖3所示，熱解爐改造段方案設計、制造、安裝指導以及熱態(tài)調(diào)試由華中院負責。方案前期準備工作及設計周期45d。設備計劃制造周期30d，實際制造周期25d。設備到廠后進行焊縫著色檢查。改造段組件安裝周期17d。本次改造段組件由于工程量較小，實際改造工期14d。

圖3 改造段整體結構

4．2改造后試驗測試情況

改造前后參數(shù)對比見表4。經(jīng)過測試，熱解爐內(nèi)溫度場均勻性良好，穩(wěn)定負荷下溫度偏差±2.0℃。熱解爐內(nèi)速度場均勻性良好，流速偏差在±15%以內(nèi)，矢量方向全部正常，不存在渦流區(qū)。熱解爐系統(tǒng)阻力降低約2.15kPa，稀釋風機可解列運行，且熱解次風量降低，提高了熱解爐入口風溫，使電加熱器功率減少20%。改造后機組連續(xù)運行30個工作日后，對尿素噴槍進行解體檢查，噴槍噴頭處十分潔凈，未發(fā)現(xiàn)結晶情況，改造效果得到充分驗證。

表4 改造前后參數(shù)對比

5 經(jīng)濟性分析

按照每年發(fā)生8次迫降負荷，每次降50MW負荷，時間4h計算，年損失電量1600MW·h，按照上網(wǎng)電價0．38元/(kW·h)計算，損失人民幣60.8萬元。

若因熱解爐完全堵塞，被迫啟停1次，損失電量2400MW·h，損失人民幣91.2萬元;使用微油點火，4支油槍投運，每支出力0.25t/h，投油2h計算，耗油費用1.2萬元。改造后由于停運稀釋風機和電加熱器功率降低節(jié)約廠用電量，節(jié)約成本約25.0萬元。合計每年共減少損失約178.0萬元。

6 結束語

利用數(shù)值仿真技術對熱解爐原始結構及工況條件進行模擬計算，并綜合考慮現(xiàn)場施工及成本因素，最終提出設計改造方案。

通過加裝旋流裝置和改變原來的均布板孔徑及排布，但是不改變原始熱解爐的高度，整體改善熱解爐內(nèi)部速度場和溫度場的均勻性。改造后熱解爐入口溫度偏差由改造前的50℃降低為2℃。

從改造后效果看，熱解爐內(nèi)速度場和溫度場均勻性佳，熱解爐系統(tǒng)阻力降低約2.15kPa，稀釋風機可解列運行，且熱解爐稀釋風量降低提高了熱解爐入口風溫，在滿足熱解爐出力的前提下，使電加熱器功率減少20%，節(jié)電效果明顯，改造后熱解爐未發(fā)生結晶事件。

目前國內(nèi)火力發(fā)電機組煙氣脫硝系統(tǒng)大多采用尿素熱解產(chǎn)生氨氣制備還原劑、選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝工藝，因尿素熱解爐結晶造成機組減負荷運行和機組非計劃停運的事件也屢見不鮮，此項技術對大部分尿素熱解爐優(yōu)化內(nèi)部流場，緩解或徹底解決熱解爐內(nèi)部結晶有極大的借鑒作用，有極大的推廣空間。