（广州发电厂有限公司 510160）
摘要：尿素热解制氨的SCR烟气脱硝方法因其运行风险系数低在燃煤电厂脱硝领域有较多运用。本文通过分析某电厂尿素热解脱硝装置燃烧异常事件，提出针对性防范措施，从而保证尿素热解脱硝装置及SCR系统的正常运行。
关键词：SCR；燃烧；尿素热解；结晶；三聚氰酸；氨气爆燃
1 前言
SCR选择性烟气脱硝法作为目前最成熟可靠的火电厂烟气脱硝技术在国内各燃煤电厂有着广泛的应用。特别是SCR选择性烟气脱硝法与低氮燃烧技术相结合，能大幅降低燃煤电厂烟气中氮氧化物的浓度，故大量应用于超低排放改造中。
SCR选择性烟气脱硝法基本原理为：利用氨气在350-400度的条件下，在碱基催化剂金属的环境下，与烟气中的氮氧化物发生反应，生成氮气和水。其反应还原剂氨气主要有液氨蒸发、尿素水解及尿素热解等方法获得，尿素热解因其系统占地小，环境风险系数低，在脱硝系统改造中有一定的优势。本文以分析某电厂在机组的SCR脱硝超低排放改造中，采用的尿素热解制氨的工艺方法，在实际运行中遇到的异常为出发点，总结尿素热解制氨SCR脱硝工艺中的控制要点，以保证该种工艺脱硝系统的安全稳定运行。
2 现状
某电厂于2016年完成烟气SCR脱硝的超低排放改造，技术方案采用尿素溶液热解制氨的选择性催化还原法脱硝。主要工艺流程为：50%浓度尿素溶液经尿素给料泵进入各炉的脱硝系统，由计量分配模块控制，尿素溶液与压缩空气混合喷入热解炉内，热解产生氨气经稀释风机稀释送入SCR反应器内进行脱硝反应。
脱硝系统改造后性能指标能达到并优于超低排放标准。
2.1 异常现象
#4炉SCR脱硝装置在7月26日14：55突然出现热解炉内部压力突升至5100Pa，稀释风机流量和电流下降，经转换稀释风机及降低尿素溶液给料量运行约8小时后，热解炉内压力下降至3000Pa左右，27日3：25该炉热解炉内压力开始逐渐升高，4：11热解炉出口温度升高至537℃并保持不变，电加热器保护跳闸。4：32现场检查发现热解炉至喷氨联箱管道弯头处检查孔法兰有烧红点，测温枪实测管道温度657℃。立即退出脱硝装置运行。16：00 打开热解炉本体人孔及尾部检查孔发现内部有大量白色固体结晶，部分结晶有烧灼痕迹，热解炉上部筒壁附着部分灰白色结晶物。后期对热解及管道进行金相分析，材质组织正常。
若反应温度较低，在190-250℃条件下，尿素发生不完全分解，并产生大量中间产物并发生进一步的缩合反应生成缩二脲以及三聚氰酸等三聚化合物（C3H3N3O3、C3H4N4O、C3H5N5O、C2H5N3O2）等物质[1]。缩二脲等中间产物，在温度提升后会继续分解产生氨气。
在对内部取样的灰白色固体结晶的化学检测中，发现该物质属于三聚氰胺缩合物，判断为尿素溶液在热解炉内不完全分解产生的残留物。
3.2 对异常发生过程的分析
查阅当日异常发生前的运行数据，发现尿素喷枪使用的压缩空气压力存在波动的情况，造成喷枪雾化风流量低较长时间间歇性报警，但未触发脱硝保护动作出口。经试验证明，尿素溶液喷枪长期在较高流量区间内运行，当雾化风流量降低后，造成喷枪出口的尿素溶液雾化效果差，尿素液滴粒径明显增大（甚至呈现线状或柱状液流）。热解系统内稀释风的设计运行流速一般为8-15m/s，尿素喷枪距离热解炉底部约8m，尿素液滴在热解内的分解时间在0.5-1s左右[2]。尿素液滴在热解炉中的分解过程分为水分的蒸发与尿素的热解两部分，在热解过程中尿素粒径变化幅度不大，如图3-1所示[3]。若尿素液滴粒径显著增大，使得尿素完全热解的时间变长，甚至因雾化差形成线流直接与热解炉筒壁发生接触，造成筒壁附着大量不完全分解产物结晶，同时因通流面积改变，引起热解炉内压力逐步升高。当运行工况发生变化时，筒壁附着的结晶物脱落堵塞热解炉底部管道，则造成热解炉内压力突变。
图3-1 尿素热解过程中粒径与时间的数值模拟
通过对相关参数的历史曲线分析，在27日3：25这个时间点，#4炉热解炉出口温度及喷氨管道温度异常升高，是由于在#4炉热解炉内部发生了可燃物燃烧的情况，燃烧过程产生的热量，由热解系统稀释风带至热解炉的后管道。因此，在热解炉尾部管道检查孔法兰无保温处发现管道烧红现象。
按照尿素的化学基理，尿素在常压下加热到132.7℃熔点时，显现不稳定性，产生缩合反应，生成缩二脲。加热至160℃分解，产生氨气，氨气自燃点651.1℃。氨气常温、常压下在空气中的爆炸极限为16%～28%（体积）。
由此可判断，因#4炉热解炉内积存有较多尿素不完全分解产生的三聚化合物，在反应的过程中发生热解，析出大量氨气，达到爆炸极限，再有其它因素（如闪火，温度、压力等），氨气产生爆炸，爆炸能量使氨气达到自燃点后燃烧。而热解炉出口温度表计显示值537℃，已达到热电阻温度指示限值，实际温度远大于显示温度，故能解释现场实测检查孔法兰烧红处温度为657℃。
整个异常的过程可以归纳为：因压缩空气压力波动引起喷枪雾化风流量低，尿素喷枪雾化效果差引起尿素溶液在热解炉内无法完全分解，生成大量结晶物堵塞热解炉出口，同时结晶物进一步反应产生大量氨气，因结晶物堵塞造成热解炉内部分区域氨气达到爆炸极限，引起氨气爆炸，同时引燃热解炉及后部管道内的结晶物造成持续燃烧。
图3-2热解炉内部结晶引起通流部分堵塞
4 防范尿素热解系统结晶及燃烧的措施
尿素热解系统结晶使得尿素/氨气转化率降低，并造成热解系统内部堵塞，影响脱硝系统正常运行，同时因通流部分结构较设计发生偏离，易造成氨气着火爆炸。氨气爆炸燃烧对热解系统危害极大，应采取措施严格避免。
4.1 防范尿素热解系统结晶的措施
尿素热解系统结晶的主要原因为：热解反应温度低或尿素喷枪雾化效果差造成的尿素液滴粒径增大，热解不完全。为防止尿素热解系统结晶，应确保以下措施执行到位：
（1）热解系统内应有满足运行需要数量的温度测点，保证热解反应在反应要求的区间内进行。在热解炉温度低于反应温度时，严禁投料运行。同时在改变尿素投料量时，应跟踪调整热解炉内温度，保证反应温度正常。
（2）在热解系统运行中应严格规范双相流喷枪尿素流量的上限，控制尿素流量与压缩空气雾化风流量匹配；必须确保喷枪雾化风的压力稳定，流量不低于喷枪要求的与尿素流量匹配的最低值。
（3）保证雾化用压缩空气的品质，定期对尿素系统保护动作情况进行校验。
（4）当工况发生变化引起异常时，应密切监视稀释风流量及热解系统内部压力，及时发现内部结晶的出现。当发现热解系统内部结晶时，应立即停运脱硝系统，并进行结晶物清理，防止情况恶化，引起氨气着火。
（5）热解系统停运后，应检查内部结晶情况。系统投运前，试验尿素喷枪的雾化效果。
4.2防范尿素热解系统氨气燃烧的措施
（1）严格控制热解系统内氨气的浓度在5%以下，必须保证热解系统高温稀释风机流量在允许的最低流量以上运行。
（2）有效监控热解炉及后部喷氨管道的温度变化，发现异常升高时，应立即处理。
（3）加强对热解炉内部氨浓度的监控，提高热解系统尾部氨逃逸仪的可靠性。
5 结束语
本文对某电厂尿素热解系统管道起火异常事件进行分析，阐明了尿素热解系统内部起火的原因为尿素热解不充分，结晶物堵塞通流部分造成局部氨气浓度达到爆炸极限，引起内部着火。通过对异常的分析，提出保证尿素双相流喷枪的雾化效果的措施，使尿素的热解反应能充分进行，从而避免热解系统内部结晶，同时提出了防范系统内部氨气爆炸燃烧的措施。通过以上措施的执行，保证尿素热解SCR脱硝系统的安全可靠运行。
参考文献：
[1] 刘成武，刘政修，王力彪，张云清.脱硝尿素热解系统沉积物形成原因分析及对策[J].热力发电，2013，42（03）：53-57+62.
[2] 火电厂烟气脱硝工程技术规范 选择性催化还原法.[HJ] 562-2010.
[3] 周英贵.大型电站锅炉SNCR/SCR脱硝工艺试验研究、数值模拟及工程验证[D].东南大学，2016.周英贵.大型电站锅炉SNCR/SCR脱硝工艺试验研究、数值模拟及工程验证[D].东南大学，2016.
[4] 汪埼，方吉进.烟气脱硝技术研究进展和应用展望[J].化学世界，2012.8：501-507.
[5] 吕洪坤，杨卫娟，周俊虎，等．尿素溶液高温热分解特性的实验研究［Ｊ］．中国电机工程学报，2010，30（17）：35-40.
[6]喻小伟，李宇春，蒋娅，等．尿素热解研究及其在脱硝中的应用［Ｊ］．热力发电，2012，41（1）：1-5.
作者简介：
李想，1981年生，男，汉族，湖北天门人，热动工程师、工程硕士。主要从事火电厂环保生产运行管理、技术监督。
论文作者:李想
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/11
标签：尿素论文; 氨气论文; 结晶论文; 系统论文; 喷枪论文; 温度论文; 烟气论文; 《电力设备》2017年第36期论文;