火力发电厂SCR脱硝尿素热解系统结晶综合治理研究

2019-01-16王朝军

综合智慧能源 2018年12期

王朝军

(大唐洛阳热电有限责任公司，河南洛阳 471003)

1 设备情况简介

大唐洛阳热电有限责任公司(以下简称洛热公司)#6锅炉为DG1060-18.2-Π4型锅炉，脱硝系统采用尿素热解产生氨气制备还原剂、选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝工艺，热解炉参数见表1。热解炉配套的尿素计量与分配装置(MDM)根据锅炉不同负荷的要求，自动控制并分配给雾化喷枪，然后喷入热解炉，同时稀释空气经电加热器加热后进入热解炉(参数见表2)，由控制系统控制热解室达到还原所要求的温度。雾化后的尿素液滴在热解炉内分解，生成NH3，H2O和CO2，分解后的氨由稀释空气稀释到低于5%氨浓度的混合气体送到氨喷射系统(AIG)再进入烟道系统。热解炉系统包括热解炉本体电加热系统等[1-3]。

表1 立式热解炉参数

表2 ECH24/32-900热解炉参数

2 改造前存在问题及分析

洛热公司#6机组脱硝系统自2014年投运后，频繁出现热解炉结晶脱落堵塞出口通道的情况，特别是负荷大于250 MW时，堵塞情况加剧，存在掉落结晶体而堵塞热解炉出口的风险，影响热解炉出力，造成机组被迫减负荷，严重时因脱硝系统被迫退出造成机组非计划停运事件。

改造前采取的措施：首先，在分散控制系统(DCS)画面上增加热解炉内部与出口压差监视点，方便运行人员监控，有助于提前发现问题，及时采取调整热解炉通风流量、控制机组负荷、改善煤质减少SCR入口氮氧化物、适当减少喷氨量、优化喷枪运行方式、改变制粉系统运行方式等应对措施，保持热解炉内持续维持高温运行，阻止运行工况进一步恶化。其次，将热解炉尿素喷枪压缩空气压力由0.60 MPa提高到0.65 MPa，优化喷枪雾化效果，坚持定期对热解炉尿素喷枪进行水冲洗和清理喷头。再者，对热解炉保温进行全面排查，修补表面温度超标的部位，减少热解炉对外散热。为彻底解决这一问题，洛热公司与大唐科学技术研究院华中分院合作(以下简称华中院)，进行了内部模拟流畅试验。

按照实际尺寸1∶1建模进行计算，发现原始工况下热解炉内3个温度测点运行温度最大存在50 ℃左右的温差，一次风在热解炉内左右两侧偏差很大，最高速度26 m/s，最低速度2 m/s，速度分布非常不均匀，在热解炉内低速区形成两个巨大漩涡如图1所示，而喷枪恰好处在漩涡中心位置，流场非常紊乱，这是热解炉喷枪堵塞的主要原因。

3 改造方案

3.1 改造方案选型

基于热解炉速度场和温度场的数值仿真结果，洛热公司与华中院锅炉室密切配合进行20余组以上优化工况设计和计算，并形成2～3组不同思路的最优化改造方案，最终就改造工程量、施工难易程度、经济效益比、流场阻力增加量等综合对比分析见表3，选出了最佳改造方案如下。

图1 原始工况热解炉CFD仿真模型及速度流线

表3 不同设计方案进出口压降及速度定量比较

优化方案改变原来的均布板孔径及排布，但是不改变原始热解炉的高度，如图2所示。先将ø520mm的管道扩为ø800 mm的管道，在ø800 mm的管道段安装一层旋流装置，再将ø800 mm的管道扩为ø1 940 mm的管道，均布板仍维持原始高度，孔径差异化排布。该方案优于其他方案之处为结果简洁，施工量小，重量在所有方案中最轻。

图2 改造段结构图及速度流速场

经过计算，优化方案后的热解炉内流场比较均匀，喷枪截面没有涡流存在。温度场分布均匀，偏差在±3 ℃以内。

3.2 磨损量计算

磨损量常用管壁最大磨损厚度Emax来表示，可由下列经验公式估算，即

(1)

式中：α为烟气中飞灰的磨蚀系数，取α=14×10-9；M为管材的抗磨系数，合金钢M=0.7 mm·s3/(g·h)；kμ为飞灰浓度场的不均匀系数，kμ=1.2；kv为飞灰浓度场的不均匀系数，kv=1.25；η为灰粒碰撞的频率因子，η=1(按最大可能撞上考虑)；μ为在计算截面处飞灰浓度，g/m3；vp为计算截面处流体速度，m/s；Ct为温度变化对管材磨损的影响系数，取Ct=1(按温度最大影响考虑)；R90为在90 μm筛子上的飞灰剩余量，%；τ为机组年利用小时数，h；kD为在铭牌负荷下的流体计算速度与平均运行负荷下流体速度的比值，kD=1.15。

ρ1v1A1=ρ2v2A2，

(2)

式中：ρ1为设计条件下流体密度，kg/m3；v1为设计条件下的流体速度，m/s；A1为热解炉入口处管道面积，m2；ρ2为热解炉旋流片处的流体密度，kg/m3；v2为热解炉旋流片处的流体速度，m/s；A2为热解炉旋流片处面积，m2。

热解炉入口处管道直径为520 mm，流体速度为24 m/s。按照本次推荐的最佳方案，热解炉旋流片处的直径为800 mm，根据式(2)可知热解炉旋流片处的速度v2为14.3 m/s，在计算旋流片处磨损量时可按vp=v2，热解炉入口热一次风来自空气预热器出口，因此式(1)中所需参数均按空气预热器入口烟气条件考虑，μ=30 g/m3，R90=0.14，机组年利用小时数按照5 000 h计，根据以上参数计算出管壁最大磨损厚度Emax=0.125 mm/a。旋流叶片采用10 mm厚304L不锈钢，按减薄50%为限，可满足40年使用寿命要求[4-5]。

4 改造实施及试验

4.1 工程实施情况

如图3所示，热解炉改造段方案设计、制造、安装指导以及热态调试由华中院负责。方案前期准备工作及设计周期45 d。设备计划制造周期30 d，实际制造周期25 d。设备到厂后进行焊缝着色检查。改造段组件安装周期17 d。本次改造段组件由于工程量较小，实际改造工期14 d[6]。

图3 改造段整体结构

4.2 改造后试验测试情况

改造前后参数对比见表4。经过测试，热解炉内温度场均匀性良好，稳定负荷下温度偏差±2.0 ℃。热解炉内速度场均匀性良好，流速偏差在±15%以内，矢量方向全部正常，不存在涡流区。热解炉系统阻力降低约2.15 kPa，稀释风机可解列运行，且热解次风量降低，提高了热解炉入口风温，使电加热器功率减少20%。改造后机组连续运行30个工作日后，对尿素喷枪进行解体检查，喷枪喷头处十分洁净，未发现结晶情况，改造效果得到充分验证。