郭文軍，張衛(wèi)彬，楊安志，李新平

（中國神華勝利能源分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，燃煤發(fā)電機組已全面實施超低排放，火電進入了“不環(huán)保不發(fā)電”時代。當(dāng)前粉塵、SO2、NOx排放的質(zhì)量濃度作為火力發(fā)電企業(yè)環(huán)保的主要評價指標，按照GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》執(zhí)行?？刂芅Ox是近幾年研究的一項技術(shù)手段，目前該方法存在的主要問題有機組運行中尿素?zé)峤鉅t的結(jié)晶堵塞、鍋爐尾部煙道空預(yù)器堵塞以及硫酸鹽在引風(fēng)機葉片結(jié)垢等。本文針對某電廠尿素?zé)峤庵瓢泵撓跸到y(tǒng)發(fā)生的經(jīng)常性故障，分析其對機組穩(wěn)定性、安全性的影響，并結(jié)合同類型電力企業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)調(diào)研情況，從工藝設(shè)計和運行操作方面進行控制優(yōu)化，為其他電廠提供參考[1-3]。

1 尿素?zé)峤庵瓢泵撓跸到y(tǒng)概況

某發(fā)電廠鍋爐為660 MW超超臨界變壓運行本生直流鍋爐，采用尿素?zé)峤庵瓢边x擇性催化還原法（SCR）脫硝工藝，爐膛出口NOx設(shè)計排放質(zhì)量濃度為200 mg/m3，在省煤器與空預(yù)器之間設(shè)置2個2+1催化劑層SCR反應(yīng)器，其中最下層為預(yù)留層。反應(yīng)器入口設(shè)置煙氣整流裝置，最大限度保證煙氣中的NOx與NH3充分接觸。

尿素?zé)峤膺^程為：固體尿素顆粒與除鹽水混合成質(zhì)量分數(shù)為50%的溶液，并將溫度控制在45～65℃以防止結(jié)晶，經(jīng)輸送泵將尿素溶液輸送到儲罐，再經(jīng)循環(huán)泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴進入熱解爐內(nèi)進行加熱分解，生成NH3和CO2；最后經(jīng)NH3手動流量調(diào)節(jié)閥門組噴入煙氣并流經(jīng)SCR催化系統(tǒng)。尿素?zé)峤庵瓢泵撓踹^程中，熱解爐結(jié)晶、堵塞現(xiàn)象時有發(fā)生，給機組安全運行帶來危險。

2 故障原因分析

針對該電廠尿素?zé)峤庀到y(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的結(jié)晶、堵塞問題研究表明，主要原因有以下幾點。

2.1 脫硝尿素?zé)峤鉅t設(shè)計裕度較小

該廠尿素?zé)峤庵瓢泵撓豕に囋O(shè)計參數(shù)見表1，在高負荷、煤種硫分偏高的情況下，爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度高達290～310 mg/m3，遠超設(shè)計值（200 mg/m3），此時只有增大尿素流量才能控制NOx排放值。按照表1熱解爐設(shè)計入口風(fēng)量為4600 m3/h，而機組運行中預(yù)計所需風(fēng)量約5700 m3/h，超設(shè)計值約1100 m3/h。如按照設(shè)計值運行，無法保障高負荷情況下每桿噴槍流量約130 L/h時，熱解爐內(nèi)的尿素溶液完全熱解，導(dǎo)致熱解溫度場和流場分布偏離設(shè)計值，使部分尿素液滴在熱解爐尾部及噴槍頭部套管部位黏附結(jié)晶。

2.2 噴槍霧化能力不足

在高負荷階段，4桿噴槍平均流量約為125 L/h，如遇異常工況將流量調(diào)節(jié)到135 L/h左右時，則會發(fā)出噴槍霧化壓縮空氣壓力低報警，此時判斷為噴槍霧化能力不足，必須降低流量，保障尿素溶液霧化效果。

表1 尿素?zé)峤庵瓢泵撓豕に囋O(shè)計參數(shù)

2.3 尿素?zé)峤鉅t噴槍調(diào)節(jié)特性差

本廠邏輯限制噴槍上限流量為130 L/h，但因調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性差，偶爾會出現(xiàn)流量超過規(guī)定值的情況，如操作人員不能及時發(fā)現(xiàn)并手動調(diào)整至130 L/h以內(nèi)，就會超流量運行。運行中應(yīng)控制熱解爐溫度≥340℃，但是由于熱一次風(fēng)氣流和噴槍流量不均勻造成熱解爐內(nèi)部溫度不均，特別是尿素噴量較大或波動大時，內(nèi)部溫度經(jīng)常在330～340℃波動。

2.4 熱解爐溫度測點布置不足

尿素?zé)峤鉅t溫度測點布置數(shù)量有限，在噴槍區(qū)域未設(shè)置溫度測點，運行人員無法觀測各支噴槍附近的壁溫。

2.5 熱一次風(fēng)灰分高

熱解爐熱一次風(fēng)中灰分含量過高，在熱解碰撞過程中造成整體流場偏離設(shè)計值，同時灰分顆粒物與尿素霧滴結(jié)合，形成大直徑的混合顆粒物，并在熱解室內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流中形成惡性循環(huán)，無法進行分解反應(yīng)，而直接沉淀形成初始結(jié)晶層，當(dāng)達到一定時長，會造成噴嘴及熱解爐堵塞[4-5]。

3 試驗分析與優(yōu)化

3.1 增加熱解爐容量

增設(shè)1臺容量較小的熱解爐，增加1套噴槍，同時將2臺脫硝增壓熱一次風(fēng)機增容約25%，將原尿素?zé)峤庵芅H3能力由160 kg/h提升至200 kg/h，熱解風(fēng)量提升至5750 m3/h，將約1100 m3/h的風(fēng)量引入小容量熱解爐。改進后熱解爐的內(nèi)部沒有出現(xiàn)參數(shù)異常變化及結(jié)晶現(xiàn)象。

3.2 優(yōu)化尿素噴槍參數(shù)

針對尿素噴槍霧化效果不良問題，主要考慮從噴槍流量、壓縮空氣指標、尿素溶解水質(zhì)3個方面進行參數(shù)優(yōu)化控制，優(yōu)化控制參數(shù)匯總見表2。

表2 試驗優(yōu)化前后控制參數(shù)

3.3 優(yōu)化邏輯控制

優(yōu)化尿素溶液噴槍入口調(diào)閥自動調(diào)整邏輯，加入機組負荷、爐膛出口NOx變化趨勢并作為前饋信號，降低慣性系數(shù)，減小調(diào)閥大幅度流量調(diào)整，防止熱解爐內(nèi)部由于流量突變而發(fā)生的內(nèi)部溫度場大幅度變化；優(yōu)化自動調(diào)節(jié)過程中的PID（比例函數(shù)）參數(shù)，并且降低尿素母管壓力至650～700 kPa，使自動跟蹤調(diào)整及時、平穩(wěn)。

3.4 縮短清洗周期

機組負荷較低時，在NOx可控的前提下，縮短清洗尿素噴槍周期；在一次風(fēng)機不超壓的前提下將熱解爐入口風(fēng)量上限控制在8～9 kPa，并保持熱解爐出口溫度在395～405℃，正常運行時手動調(diào)整，保持熱解爐各噴槍流量一致。

采取上述優(yōu)化控制措施后，機組運行期間未發(fā)生環(huán)保指標均值超限情況（＜50 mg/m3）。按照該電廠所在區(qū)域上網(wǎng)標桿電價0.259 5元/kWh、每年2臺機組因環(huán)保指標造成負荷迫降折算年利用小時數(shù)約10 h計算，每年增加收益約175萬元。

4 尿素?zé)峤庵瓢泵撓跸到y(tǒng)對鍋爐尾部煙道設(shè)備的影響及優(yōu)化

采用尿素?zé)峤庵瓢眮斫档蜔煔釴Ox排放質(zhì)量濃度，生產(chǎn)過程中易發(fā)生自動控制誤差過大、人為操作失誤以及表盤指示變化時未能對參數(shù)進行有效控制、未定期統(tǒng)計監(jiān)視參數(shù)的變化等情況，日積月累對尾部煙道的空預(yù)器、引風(fēng)機等設(shè)備造成安全影響。

4.1 空預(yù)器

尿素?zé)峤庵瓢泵撓跸到y(tǒng)對空預(yù)器的影響主要表現(xiàn)在空預(yù)器堵塞，原因是脫硝噴NH3不均勻，NH3逃逸率大。尿素溶液噴槍性能不均勻，尾部煙道噴NH3不均勻，不能與整個截面NOx質(zhì)量濃度分布相匹配，造成NH3逃逸增加空預(yù)器發(fā)生堵塞、引風(fēng)機葉片結(jié)垢。針對此問題，提出以下優(yōu)化措施。

4.1.1 低負荷采取單列風(fēng)機運行

根據(jù)某電網(wǎng)消納新能源（風(fēng)、光電源）要求，火電機組應(yīng)進行深度調(diào)峰配合電網(wǎng)的潮流；電力企業(yè)鍋爐一般帶有40%～100%BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力工況）負荷調(diào)峰能力，在深度調(diào)峰的大背景下，機組低負荷的運行小時數(shù)會不斷增加，發(fā)生NH4HSO4沉積的可能性亦會大幅增加。在機組低負荷運行時，通過停運半側(cè)送/引風(fēng)機的運行方式來提高空預(yù)器的排煙溫度以消除NH4HSO4沉積，同時在低負荷停運送風(fēng)機也可降低廠用電率，提高排煙溫度也使鍋爐效率下降大約0.3%[6]。

4.1.2 提高空預(yù)器入口風(fēng)溫

在高負荷情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)機入口暖風(fēng)器的蒸汽流量來提高空預(yù)器入口冷風(fēng)溫度消除NH4HSO4沉積。通過調(diào)節(jié)暖風(fēng)器的蒸汽流量，來增加空預(yù)器入口一、二次風(fēng)溫，在夏季暖風(fēng)器也可保持連續(xù)運行。

4.1.3 增加高壓水吹灰裝置

增加高壓水吹灰裝置（雙介質(zhì)吹灰器），當(dāng)空預(yù)器煙氣側(cè)差壓達到設(shè)計值150%左右時，對空預(yù)器冷端進行熱態(tài)離線高壓清洗[7-8]，NH4HSO4在160～175℃時處于液態(tài)，清洗相對容易。

通過運行數(shù)據(jù)建模分析，合理控制尿素溶液噴量、精準調(diào)整NH3流量平衡裝置，避免了尾部煙道發(fā)生局部或整體過量噴NH3。

4.1.4 工程設(shè)計優(yōu)化

空預(yù)器蓄熱元件技改為熱端和冷端2部分，把冷端高度增加到1100～l200 mm，確保全部NH4HSO4在冷端蓄熱元件完成凝結(jié)和沉積。同時冷端換熱元件采用表面光潔，易于清洗的搪瓷涂層元件，這種材料可隔斷腐蝕物與金屬間的接觸。

4.2 引風(fēng)機

目前燃煤機組尾部煙道增設(shè)脫硝SCR反應(yīng)器、低溫省煤器等設(shè)備，造成煙氣管道阻力增加600～800 Pa。在機組正常運行過程中，NH3逃逸率超出設(shè)計值，尤其是在低負荷時NH3逃逸率進一步增加，造成引風(fēng)機葉片硫酸銨鹽沉積，改變引風(fēng)機的性能曲線。管道阻力的增加和風(fēng)機性能曲線的改變很可能將風(fēng)機運行工況落在不安全區(qū)域[9-12]，出現(xiàn)引風(fēng)機搶風(fēng)、喘振等不安全問題，同時引風(fēng)機的出力下降會造成廠用電率升高，影響機組經(jīng)濟性。

運行過程中需增加鍋爐省煤器出口水平段煙道積灰情況的檢查，不斷優(yōu)化本段輸灰系統(tǒng)的順序控制策略。某電廠輸灰系統(tǒng)省煤器出口水平段輸灰順序控制策略為7次/h（相當(dāng)于間隔2.4 min對8個灰斗整體輸送1次），發(fā)現(xiàn)水平段積灰清除不徹底，煙氣飛灰含量高，經(jīng)優(yōu)化后按照順序控制時間折算9次/h，大幅度減少煙道積灰并降低了煙氣灰質(zhì)量濃度，避免發(fā)生引風(fēng)機葉片硫酸鹽結(jié)垢、搶風(fēng)等不安全現(xiàn)象。

5 建議

本文通過對尿素?zé)峤庵瓢泵撓跸到y(tǒng)發(fā)生的故障進行分析，并結(jié)合運行情況、調(diào)整試驗提出控制優(yōu)化建議。

（1）建議做好脫硝尿素?zé)峤鉅t設(shè)計裕度的充分論證，防止熱解爐內(nèi)溫度場無法達到設(shè)計值，造成尿素液滴在熱解爐出口及噴槍頭部位黏附結(jié)晶。在噴槍區(qū)域及熱解爐出口區(qū)域增加熱解爐溫度測點，保證運行人員對熱解爐內(nèi)溫度場的精準掌握；定期對尿素?zé)峤鉅t噴槍調(diào)節(jié)特性進行校對，降低NH3逃逸率和機組負荷迫降次數(shù)。

（2）建議在機組峰谷期，風(fēng)煙系統(tǒng)采取單列運行方式，將空預(yù)器出口溫度提升至230℃左右運行，消除NH4HSO4對空預(yù)器進出口差壓的影響。同時差壓超設(shè)計值1.5倍時，要考慮進行高壓熱態(tài)離線沖洗，提升機組的運行小時數(shù)。

（3）根據(jù)機組運行灰量，定期對鍋爐煙道出口水平段輸灰控制進行順控優(yōu)化，及時輸灰、降低煙氣灰質(zhì)量濃度，減少過量噴NH3對空預(yù)器、引風(fēng)機等設(shè)備的影響。

（4）工程基建期應(yīng)充分考慮空預(yù)器的冷端和中溫端合并增加高度在1100～1200 mm且采用搪瓷涂層元件，保證NH4HSO4在搪瓷元件上沉積，同時方便檢修更換和清洗。