电站锅炉脱硝系统安全经济运行探讨

田龙

摘 要：目前，我国环保形势日趋严峻，针对火电厂的环保要求越来越严格，燃煤电厂普遍实施超低排放改造以实现污染物减排。电站锅炉脱硝系统作为其中的重要环节，其运行的安全性和经济性受到广泛关注。本文结合脱硝系统运行工作经验，对SCR烟气脱硝系统的安全经济运行进行探讨。

关键词：氮氧化物;SCR烟气脱硝;安全经济

0  引言

随着社会经济的发展，环境问题越来越多的受到人们的重视，在“十三五”环保新标准出台之后，对火电厂的环保要求日益提高。选择性催化还原烟气脱硝技术Selective catalytic reduction（以下簡称SCR）由于其反应温度低、运行可靠及二次污染小等特点，成为目前应用最广泛的电厂脱硝技术[1][2]。

在SCR系统中，最常用的还原剂有三种：氨水、液氨和尿素。液氨和氨水在存储、运输中会有较大的危险性，而尿素是一种无毒、无害的化学品，是农业常用的肥料，几乎没有危险性，因此随着脱硝工程的启动，尿素作为脱硝还原剂具有更大的发展前景[3]。

本文以国电投南阳热电有限责任公司2*210MW火电机组为例，对210MW火电机组的脱硝系统进行简要分析，并结合日常运行工作经验对脱硝系统的安全经济运行进行分析总结。公司两台210MW超高压机组，锅炉由东方锅炉厂生产的DG670/13.7—20型超高压一次中间再热自然循环锅炉，配用低速双进双出钢球磨煤机，单炉膛四角切圆燃烧，π型布置煤粉固态排渣锅炉。汽轮机由哈尔滨汽轮机厂生产的C160/N210—12.75/535/535/0.325型超高压一次中间再热可调整抽汽供热凝气式汽轮机。机组采用SCR烟气脱硝法。

1  尿素制氨SCR脱硝系统

1.1 SCR脱硝原理

SCR技术即选择性催化还原工艺，是在钛基催化剂的作用下，在316-427℃的温度区间内，利用尿素溶液水解制备的氨（NH3）与烟气中的NOx发生还原反应，生成N2和水，从而实现氮氧化物脱除的目的。化学反应式如下：

4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O

4NH3+ 2NO2 + O2 → 3N2 + 6H2O

其中还原剂NH3采用尿素水解的方法制得，尿素水解制氨工艺：浓度约为40%～60%的尿素溶液被输送到水解反应器内，加热蒸汽通过盘管的方式进入水解反应器，对尿素溶液进行加热，使尿素溶液进行水解反应，然后生成的氨气被锅炉热一次风稀释，最后进入SCR反应器进行反应，以除去烟气中的NOx，水解反应原理如下：

NHCONH2 + H2O → 2NH3 + CO2+（x）H2O

1.2 SCR脱硝系统

公司烟气脱硝系统采用SCR技术、尿素水解制氨工艺，单炉双烟道双反应器无旁路设计，脱硝催化剂采用“2+1”层布置。脱硝装置烟气处理能力为锅炉100%BMCR工况下烟气量，并适应锅炉50%BMCR和100%BMCR工况之间的任何负荷，脱硝装置入口烟气NOx设计值为350mg/Nm3。

烟气脱硝系统分为尿素溶液制备存储车间和SCR反应区两大部分，尿素溶液制备存储车间位于#2除尘器东侧，为全厂公用。脱硝SCR反应区位于锅炉省煤器与空预器之间，机组送风机上方区域。SCR烟气脱硝装置主要由尿素溶液制备与循环供应系统、水解系统、AIG系统、脱硝烟气系统、催化剂吹灰系统等组成。

2 脱硝系统运行安全性分析

脱硝系统的正常运行前提是要保证其安全性，就安全性方面而言，脱硝系统的安全问题主要集中在氨气的安全性、尿素溶液制备存储的安全性，反应温度控制，吹灰输灰系统控制这几个方面。下边就此分别展开讨论。

2.1氨气的安全性

氨在空气中的体积浓度达到16～25%时，会形成II类可燃爆炸性混合物，具有一定的危险性。近些年有些安全事故就是由于氨气泄漏导致的，所以对于氨气的泄露要格外的重视，在氨气与热一次风稀释混合管路处、水解器区域均安装有氨气浓度测点，测量数据均为环境中的氨气浓度，要注意这个数据的变化情况，监测到有泄露情况及时汇报。对测量仪表也要建立定期检查制度，确保仪表可用、准确。当测量的氨气浓度到达25ppm时，喷氨系统连锁关闭。

氨气泄露测点只有两个，所测范围有一定的局限性，所以在日常的巡视中要注意诸如水解器周围、氨计量模块周围、尿素溶液制备区等重点区域是否有刺激性气味，结合就地或远传数据综合分析是否存在泄露情况，如发现泄露情况，要及时采取措施。

此外为了保证氨气浓度远在在爆炸极限之外，需要对进入SCR反应区的氨气进行稀释，稀释采用锅炉热一次风，要注意控制热一次风的量，保证氨空比在7%以下。

2.2尿素溶液的结晶问题

尿素溶液安全问题的主要问题在于结晶问题，在实际运行中，结晶成了几乎每一套脱硝系统都会遇到的问题[4]。尤其在于管道的阀门、仪表处容易形成结晶现象，如果出现管道结晶现象，则会堵塞管道，一些经验表明一旦管路形成较为严重的结晶堵塞，要进行切管处理。同时，仪表和阀门处出现结晶，会导致阀门开关困难、仪表失准等情况。结晶的原因是尿素溶液温度低于对应浓度下的饱和温度，为了防止出现结晶情况，尿素溶液管道都加有伴热，伴热采用疏水伴热，所以在日常的监盘和巡检中要注意疏水箱的温度、液位以及疏水泵的工作情况，保证疏水伴热管路的正常。同时要对尿素溶液管路上的仪表阀门等认真检查，出现结晶情况及时处理。

尿素溶解罐和尿素溶液储罐的翻板液位计、水解系统管路都加有电伴热系统，在日常工作中要注意电伴热的温度设定及工作情况，出现异常及时处理。

根据试验研究，尿素溶液进行水解反应的最佳浓度应该介于50%～55%（质量分数）之间，一般推荐的设计值为50%，浓度过高在储存与输运过程中容易出现结晶现象，浓度过低则不利于水解反应的进行，所以在配备尿素溶液时要严格注意其密度，配备出合格的尿素溶液，质量分数为50%的尿素溶液密度为1130～1140kg/m3。

2.3 SCR技术催化剂问题

脱硝系统中另一个重要的问题是催化剂的问题，催化剂只有在一定的温度范围内才能发挥最好的功效，温度过低会发生无用的副反应，生成铵盐，易阻塞烟道，且恶化空预器的换热情况。温度过高会造成催化剂的失活，对催化剂造成不可逆的损伤。SCR反应区设计在省煤器之后烟道内也正是出于对烟气温度的考虑，在日常的监盘中尤其是在负荷变动时要对催化剂进出口烟气温度严密关注，保证其在催化剂最佳反应温度内，最佳反應温度为316～427℃。

2.4吹灰与输灰系统

SCR区催化剂的型式采用蜂窝式，这种形式在烟气灰含量较高时易出现堵塞情况，吹灰系统和输灰系统都是为了防止烟道的堵塞，所以在日常运行中要严格按照规程要求进行吹灰和输灰工作，发现问题及时处理，防止出现堵塞烟道的情况。就目前的运行情况来看，输灰系统由于位于省煤器之后，灰粒较大易出现管道堵塞、高料位等问题，需要格外注意。此外SCR反应区的吹灰采用声波吹灰和蒸汽吹灰两种方式，在正常吹灰的同时注意观察反应区进出口压差，压差增大则适当增加吹灰频率。

3脱硝系统运行经济性分析

经济性方面，脱硝系统的经济性主要集中在炉膛燃烧效率，脱硝效率，耗热量这几个方面。下面就此分别展开讨论。

3.1炉膛燃烧效率

脱硝系统改造的同时机组新加装了低NOx燃烧器，该燃烧器可以对炉膛出口的NOx浓度进行有效地控制，采用的方法是控制燃烧的氧量，形成一个还原区和一个燃尽区，通过降低燃烧温度来减少热力型NOx的生成量。从原理上便可以看出炉膛出口NOx浓度并不是越低越好，这个值还要兼顾炉膛的燃烧效率问题，综合燃烧效率和炉膛出口NOx两方面考虑，不同负荷下对应一个最优的炉膛出口NOx浓度，在这个浓度下既保证了燃烧效率，又降低了炉膛出口的NOx，减少下一步的喷氨量。根据运行经验，目前我厂的炉膛出口NOx值设定为280～320mg/Nm3。

3.2脱硝效率

脱硝效率的控制要考虑SCR反应区进口NOx的浓度，不同的进口NOx浓度应该对应不同的脱硝效率，进口NOx浓度高，则适当提高喷氨量，保证较高的脱硝效率，保证排放达标;进口NOx浓度低，则适当降低喷氨量，使脱硝效率维持在低值，这样在保证排放达标的同时可以降低反应区氨逃逸，降低二次污染。

喷氨调门的跟踪值可以设定为脱硝效率也可以设定为出口NOx浓度，运行经验表明，跟踪值设定为SCR反应区出口NOx浓度更加有优势。

在日常的监盘中要密切监视SCR反应区出口的氨逃逸率，逃逸率高说明有部分氨没有参与反应，此时应在保证出口NOx排放达标的前提下适当减少喷氨量。

3.3其他经济因素

氨气通过喷氨格栅进入烟道中，喷氨格栅的设计直接影响还原剂与烟气的混合情况，设计合理的喷氨格栅可以使还原剂更好的均布在烟道中，避免在运行中产生较高的氨逃逸。所以在调试过程中要对喷氨格栅进行调试，优化其喷氨调节阀，将脱硝系统出口各点NOx值的不均匀性控制在一定范围内，这样可以提高还原剂在烟道中分布的均匀性，一方面提高了对出口NOx控制的灵敏性，另一方面可以避免产生较高的氨逃逸。

脱硝系统需要部分耗热，其耗热主要是用来保证诸如尿素溶解罐、尿素溶液储存罐、水解器等罐体的温度，在日常的监盘中要注意监视各个罐体的温度情况，在保证温度的前提下使温度不要过高，从而降低耗热。

在尿素溶液制备过程中优先使用废水坑内的废水。减少对于除盐水的使用。

4结语

随着火电厂脱硝工程的不断投运，相关的运行资料与运行维护经验也在不断的积累，采用尿素为还原剂的脱硝控制系统也在不断的完善。但目前相关资料还是比较欠缺，还有一些技术问题亟待解决，例如尿素类脱硝系统存在NOx控制时滞后环节大的问题;锅炉、烟道流场特性不同，在NOx测点取样布置时也有许多值得深入分析的必要。本文也只是浅谈了脱硝系统运行中一些基本分析，希望能为火电厂脱硝系统运行、技术的完善起到抛砖引玉的作用。

参考文献

[1] 汪家铭.尿素法SCR烟气脱硝技术及其应用前景[J].合成技术及应用，2013，28（1）28-32.

[2] 柏源，李忠华，薛建明，王小明.尿素为还原剂燃煤烟气脱硝技术的研究与应用[J].电力科技与环保.2011，27（1） 19-22.

[3] 董春雷.300MW火电机组尿素制氨还原法脱硝热工控制分析[J].技术纵横.2014，07 80-84.

[4] 杜成章，刘诚.尿素热解和水解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用[J].热立发电，2009，38（8）65-67.