燃煤电厂尿素供氨系统的应用与改进

卢红书，杨志恺

（华电国际莱城发电厂，山东 济南 271100）

0 引言

燃煤电厂氮氧化物的排放量是一项需要重点监测的环保指标。传统的锅炉脱硝系统主要是采用液氨供氨的方式来脱除烟气中的氮氧化物，但液氨属于高毒、易燃、易爆的危险化学品，属于重大危险源[1]，在生产现场布置液氨存储装置存在重大安全隐患。为尽快消除液氨供氨系统的安全隐患，华电国际莱城发电厂（以下简称“莱城电厂”）开展了将液氨供氨系统改为尿素供氨系统的改造工作。但自从尿素供氨系统投运以来，就又出现了管路容易堵塞、供汽汽源单一以及备用供氨管道响应速度迟缓等诸多问题，也严重威胁了锅炉脱硝系统的安全稳定运行。为提高尿素供氨系统运行的可靠性，莱城电厂又经过实验研究，制定了新的相应的优化改造方案，有效解决了尿素供氨管路堵塞、汽源单一、供氨管道响应速度迟缓等问题，确保了锅炉脱硝系统连续稳定运行。

1 尿素供氨系统的设备组成与工艺流程

尿素供氨系统由供料系统、溶液制备与储存系统、水解反应系统组成。尿素水解反应器共设有A、B、C3台，其中，A、B反应器之间互为备用，为1号、2号机组供氨；B、C反应器之间互为备用，为3号、4号机组供氨。尿素制氨站至炉前共设有4条供氨母管，其中，1号、2号机组设有2根供氨母管；3号、4号机组设有2根供氨母管。

尿素供氨系统以吨袋尿素为原料，采用尿素水解制氨工艺：先将吨袋尿素拆包成尿素颗粒，再用75～80 ℃的除盐水将尿素颗粒溶解成质量分数为50 的尿素溶液，溶液通过溶解泵送入尿素溶液储存罐中，储存罐中尿素溶液经过输送泵送至水解反应器模块[2]。在水解反应器内尿素溶液在一定的压力、温度以及催化剂的作用下发生分解，产生NH3、CO2和水蒸气[3-4]，分解出来的氨气沿供氨母管被引至炉前氨/空混合器，并经热一次风稀释后喷入脱硝选择性催化还原SCR（selective catalytic reduction）系统。尿素供氨系统工艺流程如图1所示。

图1 尿素供氨系统工艺流程图

2 尿素供氨系统存在的问题

莱城电厂尿素制氨系统自投运以来，出现了伴热效果不佳、供汽汽源单一、制氨量不足以及备用供氨管道响应速度过于迟缓等诸多问题。

2.1 尿素供氨管路易结晶堵塞

尿素供氨管路发生堵塞原因主要有3种：一是保温伴热措施不到位，尿素溶液温度降低引起尿素结晶析出；二是供氨混合气体在输送过程中，保温伴热措施不到位，导致供氨混合气体物发生逆反应，生成氨基甲酸铵等物质，堵塞供氨管道[5]；三是在脱硝系统停运后，未及时对供氨管道进行吹扫，脱硝系统再次启动时，导致尿素供氨管路因堵塞严重无法投运，只能被迫进行检修处理[6]。尿素供氨气体产生结晶，不但会堵塞取样管，导致供氨压力、流量以及稀释风流量指示失真，而且严重时还会堵塞供氨管路、阀门，导致供氨中断引起氮氧化物超标。

2022年3月10日，4号炉尿素供氨B管路运行，在将尿素供氨A管路并运后中，发现尿素供氨流量、压力均无明显变化，初步判断尿素供氨A管路存在堵塞现象。停运尿素供氨B管路后，脱硝区域两侧的尿素供氨流量分别由70 kg/h、54 kg/h降至2 4 kg/h、19 kg/h，尿素供氨压力分别由0.43 MPa、0.50 MPa降至0.08 MPa、0.19 MPa，且继续降低，立即恢复供氨B管路运行后，供氨流量、压力恢复。由此，判断肯定是尿素供氨A管路发生堵塞。检修检查发现制氨区供氨A管手动门后排污门管路结晶，情况比较严重。将尿素供氨A管路吹扫正常后重新并运，效果良好。

2.2 尿素供氨系统供汽热源较为单一

尿素制氨系统的蒸汽加热装置是为尿素水解反应器、除盐水加热装置、尿素供氨管路的伴热提供热源。尿素制氨系统投运之初，只设计了1路取自减温减压站的蒸汽加热热源，热源较为单一，难以确保尿素制氨供汽热源的安全性。

2.3 备用供氨管道响应速度过于迟缓

尿素制氨系统至炉前共设有2条供氨管路，尿素供氨系统投运之初选用单管路供氨方式：一路运行，另一路备用。单管路供氨方式下，若运行供氨管路出现异常，在备用供氨管路投运之前，至少需要提前20 min对备用管路进行充氨气。因此，单管路供氨方式可靠性较差，环保超标风险极大。

3 尿素供氨系统的优化改进

针对尿素制氨系统存在的问题提出了一系列优化改进建议，以便能更好地提高尿素制氨系统的可靠性，确保脱硝系统的安全运行。

3.1 增加尿素供氨管路的沿途伴热

尿素供氨气体因结晶而引起的供氨管路堵塞问题是尿素制氨系统中最常见、最棘手的问题，为防止尿素供氨产生结晶堵塞供氨管路，尿素供氨管路必须要加装良好的伴热装置。由于设计原因，原伴热系统布置不合理，造成设备运行时伴热不均匀、效果差。为提高伴热效果，在原2条蒸汽伴热管路的基础上，又新增了1条伴热管路。另外，为了便于伴热蒸汽投运状态的监测，在每段伴热管路的末端都新增加了温度测点。

3.2 尿素供氨系统供汽热源改为双路热源供汽方式

将尿素制氨系统的供汽热源由单路供汽热源改为双路供汽热源，正常运行中，尿素制备间使用减温减压站作为尿素供汽热源，工业蒸汽至尿素制备间供汽管道投反暖备用。当减温减压站供汽异常停运时，立即投入工业供汽至尿素制备间供汽热源，以确保尿素制备间的安全运行。

3.3 尿素供氨系统改为双管路并列供氨方式

为解决备用供氨管道响应速度过于迟缓的问题，提高供氨管路的可靠性，将单管供氨方式改为了双管并列供氨方式，使备用供氨管路始终处于良好的充氨备用状态，并且为了防止供氨管路发生堵塞，每隔半月对尿素供氨管路进行一次供氨畅通性检查。

4 尿素供氨系统的监督与维护

为确保尿素制氨系统运行的稳定性与可靠性，消除尿素供氨系统的安全隐患，集控运行制定了尿素供氨管路畅通性定期检查措施、停运吹扫措施和应急处理预案。

4.1 尿素供氨管路的畅通性定期检查

每半月对尿素A、B供氨管道的畅通性进行一次检查。检验方法如下（以1号机组为例）：联系化学部门关闭1号、2号机组供氨管道A隔离总门，关闭1号、2号机组供氨管道B至1号炉供氨隔离门，1号、2号机组供氨管道B通过联络管道给1号炉供氨，若1号炉供氨连续正常，则说明1号、2号机组A、B供氨联络管道畅通无堵塞。

4.2 尿素供氨管路的吹扫措施

机组停运后，需短时停运一条供氨管道来对停运机组供氨管道进行正向吹扫（以1号机组停运，2号机组运行，用供氨管道A吹扫为例），具体的操作步骤有以下3方面。

第一，联系化学部门关闭供氨管道A供氨总门。关闭供氨管道A至2号机组供氨总门，关闭供氨管道B至1号机组的供氨门，打开供氨管道A吹扫蒸汽隔离门，畅通炉前供氨管道，对整个供氨管道进行吹扫，吹扫0.5～1 h后停运。第二，管道吹扫结束后，隔离供氨管道A至停运机组的隔离门（A、B供氨管道至停运机组全部隔离），关闭吹扫蒸汽门，打开供氨管道A供氨总门，恢复运行机组2条供氨管道并运模式。第三，若同一单元的2台机组同时停运，联系隔离2条供氨管道，打开蒸汽吹扫门进行管道吹扫，管道吹扫完毕，不再恢复供氨。尿素供氨系统管路连接情况如图2所示。

图2 尿素供氨系统管路连接示意图

4.3 尿素供氨系统的应急处理预案

4.3.1 出现单侧供氨流量下降的应急处理

a）出现单侧供氨管路堵塞时，立即开大供氨调阀，若供氨流量无变化，则立即就地打开供氨旁路门，调整供氨流量。

b）旁路门打开后供氨流量仍不足时，立即打开供氨联络门，开大正常供氨调阀，适当关小正常运行侧逆止门后隔离门，确保两侧供氨量平衡，并联系化学部门提高供氨压力，将净烟气氮氧化物控制在50 mg/m3以下。

4.3.2 出现两侧供氨量同时下降的应急处理

a）立即检查供氨、供汽压力是否正常，同时联系化学部门检查制氨设备是否正常，若制氨设备出现问题，则切至备用制氨设备。

b）若为供氨管路出现堵塞，联系化学部门将供氨倒至备用供氨管路，同时将本机组供氨切至备用供氨管路。

4.3.3 机组尿素需求量较大供氨不足时的应急处理

a）尿素供氨喷氨调阀开度持续在70 以上，立即联系化学部门提高尿素供氨压力，增大供氨量。

b）若化学部门提高尿素供氨压力无效，应就地开启供氨调阀旁路门，增大喷氨量。

c）开大旁路门，供氨量无明显增加，存在环保超标风险时，立即将1台机组切回液氨。

d）当尿素供氨总流量达到900 kg/h以上，经化学调整无效，存在环保超标风险时，立即将1台机组由尿素供氨系统切换至液氨供氨系统。

5 结束语

尿素供氨系统投运以后，通过对尿素供氨设备的改造，对尿素供氨运行方式的优化调整以及对尿素供氨应急处理预案的制定，排除了尿素供氨系统管路经常发生堵塞的故障，大幅度降低了尿素供氨系统紧急切换备用供氨系统的次数，实现了尿素供氨系统的连续、稳定运行。机组运行中，在脱硝SCR入口氮氧化物质量浓度400 mg/m3的情况下投入尿素供氨系统，基本能保证脱硝SCR出口氮氧化物质量浓度稳定维持在30 mg/m3。尿素供氨系统的投运与改进，保障了锅炉脱硝系统的安全、稳定运行，同时也为下一步液氨供氨系统这一重大危险源的拆除工作做好了充分的准备。