燃煤电厂烟气脱硝稀释风防堵节能技术研究

燃煤电厂烟气脱硝稀释风防堵节能技术研究

崔欢明

广州中电荔新热电有限公司 广东 广州511340

摘要：针对某燃煤电厂SCR烟气脱硝系统喷氨管道堵塞的问题，结合现场检查情况，通过客观理论分析，找出喷氨管道堵塞的原因，开展防堵节能技术研究，有效解决了SCR烟气脱硝系统喷氨管道堵塞的问题，并实现了节能降耗，极大地改善了烟气脱硝系统运行的稳定性及经济性，设备可靠性显著提高，NOx超标排放风险降低，机组节能降耗增效显著，为同类型机组关于烟气脱硝系统喷氨管道堵塞问题的原因分析和处理提供了宝贵的经验和解决思路。

关键词：燃煤电厂；脱硝；喷氨；堵塞；稀释风；节能降耗

0 引言

当前，选择性催化还原技术(SCR)是我国燃煤电厂烟气脱硝的主要技术之一，在长期运行过程中，往往存在脱硝系统设备及空气预热器积灰堵塞的问题。SCR脱硝系统的喷氨管道堵塞会导致喷氨不均匀，净烟气中的NOx含量升高，为了确保NOx排放达标，运行中脱硝喷氨量需调整加大，从而使得氨逃逸升高，容易造成硫酸氢铵等结晶物产生量增加，并附着在空预器元件或电袋除尘器等末端设备上，导致设备结垢堵塞，影响锅炉的安全运行及设备可靠性，增加了检修维护成本。另外，氨逃逸率升高造成喷氨量过多，使得氨气浪费，造成物耗增加。开展脱硝系统喷氨管道堵塞治理、节能降耗技术研究，是提高脱硝系统运行安全、降低脱硝系统运行成本及设备检修维护成本的重要措施。

1 设备概况

某电厂2×330MW 煤电机组烟气脱硝采用选择性催化还原法（SCR）脱硝工艺［1］，在2012年完成建设并投入使用，高灰型 SCR 布置方式（即SCR 反应器布置在锅炉省煤器出口和空气预热器之间），不设旁路。SCR反应器催化剂层按2＋1（备用）布置，2015年机组“超洁净”改造期间，为使得净烟气NOx小于50mg/m3，在原有2+1（备用）层催化剂的基础设计上，改为三层催化剂。脱硝催化剂采用蜂窝式催化剂，还原剂采用氨气，氨气采用尿素深度水解方法制备，氨气与稀释风混合后喷入温度约 310℃～420℃的烟气中，在催化剂的作用下，将 NOx还原成N2和 H2O。

每台锅炉配置 1 套气氨稀释系统，各设置两台稀释风机，一运一备，稀释风取自锅炉热二次风联络母管，通过旋风分离器分离粉尘后接入稀释风机。从气氨套管输送来的氨气通过调整门调节供氨量后，与稀释风通过氨/空气混合器充分混合均匀，经一侧母管上的 18 根支管，喷入 SCR 反应器的入口烟道中。每根支管在沿烟道纵深方向上对应设计 4 个喷嘴，共有 72 个喷嘴均布在烟道横截面上。

2 设备运行中存在的问题

该厂脱硝系统运行多年以来，基本满足了净烟气NOx排放标准，但也存在以下几个突出的问题：

（1）由于尿素水解区和SCR区相距较远，气氨管线较长，加上所采用的蒸汽伴管拌热效果较差，导致气氨在输送至氨/空气混合器后，温度下降得比较快，气氨低于饱和温度后，出现冷凝带水的现象，气氨中所携带的水和稀释风所带的粉尘结合后，容易造成管路堵塞（图１），风温降低，进而导致喷氨不均，脱硝效率下降，氨逃逸增高［1］。

（2）由于稀释风机叶轮和氨/空气混合器管道壁上均长期存在积灰的情况，基本上不到两个月便要进行人工清灰，不仅花费了大量人力物力，而且在线清灰也面临过量喷氨及净烟气NOx排放超限的风险，清灰时机组发电出力受限，面临限高的风险。

（3）运行成本、能耗高：由于喷氨管路堵塞时，喷氨不均，为了确保环保排放不超限，将加大喷氨量，造成氨逃逸升高，尿素消耗量增加，过量喷入烟气中的气氨易生成硫酸氢氨腐蚀堵塞空预器传热元件、电袋除尘器，造成锅炉尾部烟道压差大，厂用电率升高。

图 1  喷氨支管积灰堵塞

3 脱硝系统治堵研究进程

3.1 原有设备

该厂脱硝系统于2012年完成建设并投入使用，采用选择性催化还原技术（SCR），反应器催化剂层按2＋1（备用）布置，氨气采用尿素水解制备，安装有两台产氨量为374kg/h的水解器（一用一备），水解器采用的加热汽源为厂区的中压蒸汽，并设计有减温装置。单机设计有两台稀释风机（一用一备），采用锅炉热二次风作为稀释风源（风温320℃）。

3.2 催化剂改造

2015年机组“超洁净”改造期间，为使得净烟气NOx小于50mg/m3，在原有2+1（备用）层催化剂的基础设计上，改为三层催化剂。

3.3 增加旁路喷氨格栅

2016年因喷氨格栅内管道经常堵塞，影响机组脱硝系统正常运行，在原有主路喷氨格栅的基础上，设计增加了一路旁路喷氨格栅，主路喷氨格栅堵塞时切至旁路运行，并进行清堵处理。

3.4 增加氨气加热器

为解决喷氨管道内冷凝水较多，导致气氨与稀释风结合后管道堵塞的问题，2016年再次进行改造，在气氨管道进入气氨混合器前设计了一台氨气加热器，采用蒸汽对气氨进行加热，提高气氨温度，减少不饱和状态下的冷凝水产生。

3.5 尿素水解系统升级改造

2017年，为进一步提高氨气产能及解决喷氨管道堵塞的问题，对尿素水解系统进行了升级改造：

（1）对气氨管道采用蒸汽夹套管伴热取代原有的蒸汽伴管拌热，以提高气氨沿途输送温度。

（2）将原有15%的尿素溶液浓度提高至50%，原水解器中气氨中含有大量的水，通过提高尿素溶液浓度至50%后，使得气氨中水蒸汽含量大幅降低。

（3）新增一台产氨能力为400kg/h的尿素水解反应器撬装模块。

（4）将尿素水解系统用蒸汽气源由原来的中压蒸汽改为辅助蒸汽，并将所有加热用的蒸汽回收，用于配置尿素溶液。

3.6 深层次剖析喷氨管道堵塞的原因

2022年，为彻底解决脱硝喷氨管道堵塞的问题，该厂成立了攻关小组，经过调研、讨论分析，认为脱硝稀释风采用锅炉热二次风，粉尘含量过大，是造成气氨管道的堵塞的根本原因，要解决脱硝系统的问题首要是解决稀释风含尘的问题。

脱硝稀释风的作用是稀释氨气，杜绝气氨爆炸的风险，同时可更好地实现均匀喷氨。稀释风与气氨混合后，为避免气氨降温结晶，需保证一定的风温。由于锅炉热二次风温有300℃左右，满足稀释风温要求，因此该厂采用锅炉热二次作为稀释风源，但锅炉热二次风在换热过程中吸附了空预器中的粉尘，造成热二次风含尘量较高，而且脱硝用氨气采用尿素水解制氨工艺，产生的氨气中含有大量的水汽，当用锅炉热二次风作为稀释风与带水汽的气氨结合后，在SCR区氨/空气混合器及之后的喷氨管道中易产生积灰堵塞。由于喷氨格栅堵塞，使得喷氨不均匀，引起氨逃逸增加，产生的硫酸氢氨增多，造成了后端设备结垢腐蚀等一系列问题，严重时甚至会造成净烟气NOx超标排放。

4 对策措施

4.1 稀释风防堵节能思路

    解决稀释风含尘量过大的技术路线有两种：第一种是针对现有脱硝稀释风（热二次风）进行除尘，降低含尘量；第二种是将脱硝稀释风由热二次风改为自然风并进行加热方式。

技术路线一是在原有系统上的优化，其本质仍不能从源头上彻底解决稀释风含尘的问题，而且对热二次风进行除尘，需要投入相应的除尘设备及后续维护，不仅空间占用多且需花费更高的运行成本。因此解决问题的重点是从技术路线二上出发，采用自然风从源头上解决稀释风含尘问题。

4.2 确定技术方案

    选择技术路线二有以下三种方案：

（1）自然风+蒸汽加热器。由原热二次风更改为大气自然风，并在机组脱硝稀释风出口母管新增一套蒸汽加热器，蒸汽加热器汽源取自机组辅汽。

（2）自然风+电加热器。由原热二次风更改为大气，并在机组脱硝稀释风母管后新增一套电加热器。

（3）自然风+烟气加热器。由原热二次风更改为大气，并在锅炉烟道布置烟气加热器。烟气加热器内走空气，烟气加热器外走炉膛烟气。

从以上几个方案分析对比，最终采用自然风+烟气加热器的形式，虽然前期投资费用较多，但其维护成本较低，综合分析其在稀释风防堵节能中是有效且最经济的技术。

4.3 项目实施

经过分析设计后，该厂于2022年相继对#1、#2机组脱硝稀释风系统进行了项目实施。具体实施内容：

（1）稀释风由原含尘热二次风改为自然风+烟气加热器形式，原稀释风机保留，并取消热二次风。烟气换热器布置在脱硝（催化剂）出口竖直变径烟道内（图2），单台炉布置2台烟气加热器，分别安装在A、B两侧对称烟道上。烟气换热器内走自然风，烟气换热器外走炉膛高温烟气。经加热的稀释风与气氨混合后喷入SCR反应器中。设计的主要技术指标为：在锅炉全负荷工况下（30%—100%BMCR），加热器出口稀释风最低温度不低于180℃，加热器阻力不大于200Pa。

    （2）稀释风管路还安装有旁路电动调节碟阀，通过该阀可调节进入烟气换热器的自然风量，从而控制烟气换热器出口风温。同时为了加热后的稀释风更好的均匀进入原A、B两侧氨-稀释风混合器，在新加装的烟气加热器出口母管设计U型管与原管路相连接。

（3）取消原稀释风机入口热二次风管道，改为一段与大气相连带一定高度且有滤网的入风管。这样即可以避免入风口影响巡检人员，且可减少杂物进入风机的风险。

图2 烟气换热器

5 实施效果

    该厂对脱硝稀释风防堵节能技术改造后，经过一年以上的运行情况来看，成效显著，基本上解决了喷氨管道堵塞及喷氨不均的问题。

5.1 稀释风温达到设计目标

稀释风防堵设计为在锅炉全负荷工况下（30%—100%BMCR），加热器出口稀释风最低温度不低于180℃。以#1机为例，在15%BMCR工况下，经加热后的稀释风温仍可达到211℃，完全满足稀释风温不低于180℃的要求。

5.2 彻底解决了喷氨管道堵塞的问题

在稀释风防堵节能项目实施后，系统设备运行平稳，风量稳定，喷氨管道未发生堵塞现象（图3），未进行过人工清堵，同时利用机组临停时期对稀释风管及喷氨管道进行检查，管道较干净，无积灰。项目实施后彻底解决了困扰脱硝系统多年的喷氨管道经常堵塞问题，极大地减少了设备维护量并确保了稀释风系统的稳定性。

图3  项目实施后脱硝管道的运行情况

5.3 脱硝喷氨均匀性提高

稀释风改造后，解决了喷氨管道堵塞的问题，喷氨均匀性提到提高，局部过量喷氨得到改善，氨逃逸率可控性提高，尿素消耗量也进一步减小。

5.4 设备可靠性提高

由于实施前的稀释风风温高且含尘量大，使得稀释风机磨损较严重，维护量较多。项目实施后，稀释风改为自然风，稀释风机运行环境大大改善，运行一年多，风机未出现任何故障，未进行人工清堵，提高了风机的使用寿命。其次，脱硝喷氨效果得到优化，氨逃逸降低，脱硝反应副产物硫酸氢氨减少，对尾部设备的堵塞及腐蚀情况得到改善。具体表现在空预器堵塞减缓、除尘器压差降低、引风机叶轮卡涩情况好转，大大提高了设备运行的可靠性及经济性。

5.5 节能效益

（1）脱硝喷氨均匀性提高，氨逃逸降低，尿素消耗量减少，较改造前同比下降约15%，初步估算全年节约尿素约240吨，减少费用81.6万元左右。

（2）空预器、除尘器运行环境改善，烟风系统阻力减少800Pa，全年节约电费约184万元。

（3）稀释风系统堵塞及机叶轮磨损、空预器传热元件腐蚀堵塞、电袋除尘器糊袋寿命折损及引风机动叶卡涩故障等故障减少，设备可靠性显著提高，年节约检修维护费用约120万元。

合计全年节约费用约385.6万元。

6 结束语

（1）造成该厂脱硝系统喷氨管道堵塞的原因为脱硝稀释风采用粉尘含量过大的热二次风作为稀释风与带水汽的气氨结合后，在SCR区氨/空气混合器及之后的喷氨管道中产生积灰堵塞。

（2）通过开展稀释风防堵节能技术的研究及攻关，采用自然风+烟气加热器形式的稀释风从根源上解决脱硝系统喷氨管道堵塞及喷氨不均的问题，极大地改善了脱硝系统运行的稳定性及经济性。

（3）稀释风防堵节能技术可以有效应用在以水解制氨为基础的SCR脱硝反应系统中，该技术具有很好的适应性及经济性，可以在相关行业内推广。该厂对喷氨管道堵塞问题的处理经验和措施为同类型机组的改造及查找原因提供了宝贵的经验。

参考文献：

[1]陈进生．火电厂烟气脱硝技术－选择性催化还原法［Ｍ］．北

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