尿素热解炉结晶堵塞原因分析

王珍

【摘 要】SCR尿素热解脱硝法由于其原料的安全性、经济性，在火电厂脱硝系统中得到广泛应用。但在实际运行中，尿素热解系统容易结晶，尤其是热解炉出口及其出口管道部位，导致脱硝系统无法正常运行，严重威胁氮氧化物稳定达标排放，现结合某公司14号炉尿素热解系统结晶情况，分析SCR尿素热解系统结晶原因，并探讨对应处理方案，希望对SCR尿素热解脱硝系统可靠运行提供帮助。

【关键词】尿素热解;结晶;脱硝

1.设备概况

某公司2×165MW机组采用两炉一机的运行方式，共有锅炉四台，编号11—14。锅炉为单汽鼓，膜式水冷壁、超高压，自然循环立式水管锅炉，固态排渣，布置型式为“п”型，全钢架、悬吊结构。2012年对进行了低氮燃烧器改造，炉膛出口NOx浓度设计值为350mg/Nm3，2014年进行了SNCR改造，还原剂使用20%的氨水，炉膛出口NOx浓度设计值为180mg/Nm3。2017-2019年先后进行SCR脱硝改造，采用尿素热解制氨脱硝法，脱硝系统出口NOx浓度设计值为40mg/Nm3。

2.尿素热热解脱硝技术原理

尿素的分子式为CO（NH2）2，亦称脲，分子量60.06，无色或白色针状或棒状结晶体，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒，无臭无味，密度 1.335g/cm3，熔点132.7℃，溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微碱性，可与酸作用生成盐，对热不稳定。尿素热解反应过程是将40%-50%浓度的尿素溶液通过雾化喷射器喷入热解炉，在温度为 350 ～ 650℃的热烟气条件下，加热分解生成 NH3和 CO2。尿素热解的化学反应式为：

CO（NH2）2= NH3+ HNCO（1）

HNCO + H2O = NH3+ CO2（2）

尿素溶液热解制氨的温度约在500℃～650℃，进入热解炉的常温尿素溶液需要吸收一部分热量，工艺上通常将热解风作为尿素热解过程中热量的来源。该公司为了节约能源、降低系统的运行费用，采用高温稀释风机，从锅炉尾部的高温段空气预热器出口引出一部分热二次风（热风温度在280℃～320℃），通过电加热器将其温度再次提升到热解所需的温度（500℃～650℃）后，送入热解炉内。计量后的尿素溶液和雾化压缩空气通过喷枪喷入到热解合适温度段内，雾滴受热汽化并发生热解。

3.脱硝系统结晶现象情况

某公司13-14号炉尿素热解脱硝系统自2017年先后投运，共用一套尿素溶液制备系统。在2019年5月6日检查14号炉脱硝系统时，打开喷氨母管后，发现喷氨母管内靠近末端近三分之一的管段有结晶堵塞情况，且在靠近母管末端部位共计9台蝶阀阀芯也出现结晶堵塞。恢复运行后，于5月20日停炉检查14号炉喷氨母管时，发现其内部又有少量结晶。

4.可能导致结晶的原因分析及措施建议

4.1 喷氨母管内形成冷点，导致结晶

14号炉喷氨母管位于热解炉出口至喷氨格栅之间，外敷保温层，热解后的混合气体从热解炉出口流至喷氨母管内，气体从喷氨母管左侧流入，充满喷氨母管后，通过喷氨母管上部蝶阀流至喷嘴处。由于11-14号炉从西到东依次并排布置，11、14号炉单侧毗邻厂房边界，13号炉位于12、14号锅炉中间，锅炉运行中，13号炉左右两侧温度均匀;而由于14号炉左临13号炉，右侧为厂房外墙，喷氨母管左右侧存在一定温差，导致喷氨母管右侧散热损失大于左侧，母管内部绝热环境被破坏，存在冷点，最终导致结晶。

建议措施;检查喷氨母管保温，确保保温良好;结合现场实际，考虑为喷氨母管加装电加热设备，通过提高温度减少结晶形成。

4.2 热解反应不充分，导致结晶

14号炉热解炉内部结晶并不明显，但是喷氨母管结晶严重，间接说明热解后的混合气体中存在未热解尿素含量较多，导致未热解尿素含量较多的原因大致有以下几条：1、稀释热风流速过快，或形成涡流，导致热风与尿素溶液接触时间过短，尿素溶液在热解炉内反应时间不够，造成热解过程不够充分，使得未反应完全的尿素有可能在喷氨母管内行成结晶。2、喷氨量过大。喷入热解炉内的尿素量较大，导致尿素反应不完全，过量尿素在喷氨母管内结晶沉积，堵塞母管，降低SCR反应器内的喷氨量，为保障出口NOx浓度不超标，运行一般将加大尿素喷入量，加速尿素结晶。

措施建议;适当加大稀释热风的温度，以提高尿素的热解程度，从而降低热解炉出口气体中尿素的含量，间接降低结晶堵塞现象。优化稀释热风调整，找到稀释风量和喷氨量之间的最优配比，提高尿素溶液热解反应程度，降低热解炉出口尿素含量，从而降低结晶量。

4.3 热解炉内杂质较多，影响热解效率

热解炉内杂质较多，杂质颗粒与尿素粘结成团，减少尿素受热面积;粘结成团的颗粒有可能堵塞喷嘴，造成喷嘴雾化程度差，喷枪的雾化效果的好坏对整个系统的影响非常大，直接影响尿素热解效率，导致结晶的形成。

热解炉内杂质主要有：

1）尿素溶液带杂质。一般设计要求尿素的制备水及计量模块的冲洗水为除盐水，除盐水的水质比较好。但当水质比较差时，水中矿物质和离子都比较高，水中的杂质比较多，在和尿素溶液结合的喷嘴部位形成沉积物，导致喷枪的喷嘴小孔部分堵塞，这样喷到热解炉中的尿素溶液就会形成水柱状而不是雾状，水柱状被汽化的效果就没有雾状好，部分流到加热炉底部或底部管道拐弯处，和稀释风中的杂质结块，容易造成结晶。

2）雾化用压缩空气带杂质。当压缩空气中尘、油、杂质等含量较高时，长时间运行容易堵塞浮子流量计，其堵塞后流量低不报警，尿素溶液得不到雾化，直接喷入热解炉，影响热解效果，容易造成结晶

措施建议：1、针对尿素溶液中的杂质：建议加强尿素原料采购管理，采购的尿素符合纯度要求。定期对尿素的溶解水和喷枪冲洗水进行水质化验，定期对水管道上的滤网进行清理，确保水质合格。尿素溶液储藏罐定期检查，符合设计要求。尿素溶液滤网定期检查更换，滤网不得有破损现象，或加设目数更细的滤网，提高尿素溶液品质。在尿素的制备过程中，加强监护及工作责任心，防止因人为原因造成的对系统的堵塞。

2、针对雾化用压缩空气带杂质：定期对计量模块提供压缩空气的气源或空压机进行检查，避免由于空压机出现故障导致压缩空气中油、水含量较高，进而影响雾化效果。定期对系统的各个滤网进行检查及清理，不能随意更换与设计不符的滤网。

5.结束语

在系统运行过程中，加强监盘和维护，尿素结晶是可以有效的防止和控制的，一旦管道或热解炉结晶，从运行参数上是很容易判断出来的，及时发现、分析并解决问题，可以对系统的影响减少到最低。我们要在系统运行及维护中要善于总结经验与教训，不断学习与探索，将SCR尿素法脱硝运行与维护水平，提升到更深、更高的层次。

参考文献：

[1].《尿素溶液热解制取氨气特性研究》，曹圆媛、仲兆平、张波、刘志超、丁宽、彭代军、周烨、宋红兵，环境工程

[2].《SCR尿素热解法脱硝在运行与维护过程中防止结晶的探讨》，王惠慧，科技资讯

[3].《SCR脱硝系统热解炉内结晶脱落堵塞处理措施》，王登香，电力安全技术

[4].《火力发电厂 SCR 脱硝尿素热解系统结晶综合治理研究》，王朝军，华电技术 第40卷第12期

[5].《燃煤电站尿素热解SCR脱硝优化系统》，和圣杰、徐钢、郑清清、薛小军、韩宇，锅炉技术，第49 卷第4期

[6].《脱硝热解炉结晶的处理方法和預防措施》，杨明印、冯仁海，发电技术，第39卷第3期

（作者单位：兰州西固热电有限责任公司）