SCR脱硝系统中尿素热解装置防结晶对策探讨
1、引言
《节能减排“十二五”规划》中明确提出了到2015年，火电行业氮氧化物排放量为750万t，比2010年的1055万t削减29%。同时，“十二五”期间完成4亿kw现役燃煤机组脱硝设施建设，对7000万kw燃煤机组实施低氮燃烧技术改造，燃煤机组脱硝效率达到75%以上。据统计，“十二五”期间我国脱硝市场的总规模将达到1500亿元。同时，国家对火电厂大气污染物的排放提出了新的更高的要求。《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)中规定，除采用W型火焰炉膛的火力发电锅炉、现有循环流化床火力发电锅炉以及2003-12-13前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的燃煤锅炉NOx挨执行200mg/m3的排放限值外，自2012-01-01起新建燃煤锅炉、自2014-07-01起现有燃煤锅炉NOx均执行100mg/m3的排放限值。在此背景下，SCR烟气脱硝方法由于其高的脱硝效率和相对广泛的适应性成为了在燃煤电厂中应用最多的脱硝技术。
SCR法脱硝还原剂的来源一般有三种，分别为液氨、氨水和尿素，目前应用最多的是液氨。然而液氨若储存超过10t，即构成重大危险源。同样，氨水也存在安全问题。基于此，在《火力发电厂氮氧化物防治技术政策》和《火力发电厂设计规范》中都明确规定，位于大中城市及其近郊区的电厂(人口稠密区的脱硝设施)宜选用尿素作为还原剂。尿素热解制氨技术也因此产生并迅速发展。
2、尿素热解技术
尿素热解法指通过快速加热使雾化后的尿素溶液分解而获得NH3的技术。热解法在合适的条件内，反应完全，不易产生中间聚合物堵塞管道，喷入烟道的氨气混合物温度约为300度，对SCR入口烟气温度的影响很小。相比另一种分解技术水解法，热解法更具有在工程应用中的优势，比如抗腐蚀性更好、不易发生堵塞等。
尿素热解的反应方程式为：
CO(NH2)2+H2o=2NH3+CO2(1)
目前国际上应用较多的尿素热解技术是由美国FuelTech公司设计的尿素热解制氨技术，其工艺流程如下：配制好的尿素溶液(约50%浓度)，通过尿素溶液混合泵输送到尿素溶液储罐，尿素溶液经由给料泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入分解室，稀释空气(一般取热一次风)经加热后也进入分解室。加热方式有电加热器加热、燃油加热和燃气加热等不同方式，电厂可根据各自实际情况做出最经济性的选择。分解室的温度要维持在合适的温度一般为(300度-650度)，以保证雾化后的尿素液滴能在绝热分解室内完全分解，分解产物(NH3和CO2)经由氨喷射系统进入脱硝烟道。尿素的耗量由脱硝反应的氨需量计算而来。
3、尿素热解系统出现的结晶问题
目前，尿素热解技术已经成功应用到国内几十台发电机组的脱硝系统中。然而在实际运行中，结晶却成了几乎每一套热解装置都会遇到的问题。如山西电厂尿素热解装置出现的严重结晶，大量的结晶附着在热解室内壁，严重的影响了整个热解系统的正常运转，一方面热空气在热解室内无法均匀流动，阻碍了温度的分布，使热解室无法达到满足尿素分解所需的温度条件;另一方面大量的结晶占用了热解室内的空间，使尿素溶液在完全分解之前就沾附到结晶物上，形成新的结晶层，无法继续分解。恶性循环之下，整个热解室都可能会完全堵塞，从而引起严重事故。
究其原因，是因为此项技术在中国大规模应用之前，并没有在国外市场积累足够的经验，该技术也并没有根据中国火电厂的实际情况(烟气量大、灰分、硫分高)对该技术进行适应性调整，导致此项技术的应用在部分电厂形成结晶，严重时甚至造成SCR系统停运或整个机组停机。结合各电厂的实际运行状况，结晶原因可以总结为以下几点：
(1)热一次风(热二次风)中灰分含量过高。灰分含量高，则首先会由于颗粒碰撞，对热解室内整个流场分布造成影响，与设计时的计算流场有差别。其次灰分颗粒物与小粒径的尿素雾滴结合，形成大粒径的尿素、灰分混合颗粒物，大粒径混合颗粒物在旋转气流中结合越来越多的尿素雾滴，粒径越来越大，最终在热解室内无法分解、直接沉淀，形成初始结晶层。最后，灰分还会直接堵塞喷嘴，从而影响喷雾效果，引起结晶。
(2)喷枪所用的雾化空气纯度不足。尽管所有的尿素热解系统都在运行说明中明确规定了雾化空气必须使用仪用压缩空气，但是具体到各电厂，由于设备条件或管道老化等各方面原因，导致喷枪中的雾化空气纯度不足。雾化空气中的杂质会影响尿素的雾化效果，使雾化后的尿素液滴粒径无法达到热解室所设计要求的粒径范围。同样，雾化空气中的杂质可能会堵塞喷嘴，使喷枪甚至无法完成雾化。
(3)热解室本身设计不合理。温度和速度分布是热解室设计最重要的因素。热解室本身对流场和温度场设计有很高的要求。体现在，一方面要保证热解室的流场足够均匀，使喷枪喷出的尿素溶液雾滴和热空气充分混合，同时要使整个热解室内热空气尽量旋流，使中心部位流速低，利于增加停留时间，贴近避免部位流速高，不易造成粘结。另一方面应保证热解室内的温度场分布合理。应保证整个热解室都处在能够实现尿素热解的温度区间内，没有温度分布死角，没有局部的低温区，使尿素溶液不会因为温度达不到分解所需的条件而形成结晶。
(4)保温达不到热解系统要求。部分电厂因为保温设计或施工存在问题，导致从尿素溶液储罐到热解室的管道温度不够，导致尿素在进入喷枪之前逐渐析出细小晶体，晶体累积之下很容易在停机或间断运行时喷枪通道内或喷嘴部位产生结晶。结晶一旦形成，对喷枪喷雾效果影响很大，进而造成严重结晶。
(5)运行检修重视程度不足。很多出现结晶情况的电厂，均是在运行检修上没有足够的重视。由于尿素热解室一般布置在室外高平台上，一些电厂往往都是自投运始，就不会定期的对喷枪喷雾情况和热解室运行情况进行巡查，从而无法发现结晶开始出现的苗头。当开始发现热解系统出问题的时候，已经结晶严重，结果只能停机检修。
4、防止结晶出现的对策探讨
(1)降低热一次风中的飞灰含量，对不符合要求的电厂进行空预器改造。热解系统要求热一次风(二次风)中的灰分含量在100mg/m3以下，而实际很多未改造过空预器电厂的热一次，我(二次风)中的灰分含量均在30g/m3以上。过高的灰分含量不仅影响流场设计，而且还会堵塞喷嘴通道，所以必须使热一次风(二次风)中的灰分含量满足热解系统设计值要求。
(2)提高雾化空气品质。改进仪用压缩空气制备工艺，提高压缩设备规范标准，定期对仪用压缩空气进行抽样检测，降低雾化空气中的杂质含量。保证雾化空气的压力和流量达到设计值。
(3)合理化设计热解室。在设计热解室的时候，必须有专门的CDD模拟报告，计算在实际工况条件下热解室内的流场和温度场分布。根据最佳流场、温度场分布条件，合理化设计引流装置，合理化布置喷枪的位置。设计时应考虑不同运行负荷下喷枪的停运情况，更应考虑停运部分喷枪情况下的流场，温度场分布。喷枪的布置必须根据CFD模拟计算结果避开内循环流区。
(4)规范化热解系统的保温设计原则，严格施工管理。尤其是热解炉本体和尿素溶液管道的保温，更是要做好。在运行维护中，要定期的比对热解炉本体和尿素溶液管道温度情况。
(5)根据各电厂的不同情况针对热解系统建立运行维护制度。按经验，应做好每天喷枪的运行情况记录，每2-3个星期就逐一对各支喷枪进行检查，检查时应将喷枪抽出热解室本体，并用清水做喷雾实验，以确保每支喷枪正常工作。由于现在喷枪的设计均能保证迅速抽出和检查，所以此过程并不需要耗费很长的时间。
(6)尿素热解系统出力不能超过设计负荷。尿素热解系统最大出力都是根据SCR系统的最大氨需量设计的，当系统在超过其设计负荷的情况下运行，会造成尿素溶液喷射量过大，尿素雾化液滴和燃烧器参数不能满足全部尿素的分解要求。系统运行时超过系统最大设计出力，相对的尿素热解热量不足，会造成尿素结晶。
(7)严格配制尿素溶液。根据试验研究，尿素溶液热解的最佳浓度应该介于50%-55%之间，一般推荐的设计值为50%。实际工作中应根据各尿素溶液储罐的工作温度，配制热解系统设计时要求的溶液浓度。以避免由于尿素溶液配制时温度不同而导致的尿素溶液浓度过高，从而在输送管道中由于降温而析出晶体。不同温度、浓度下尿素溶液的密度对比详见表1。
5、结语
随着社会对安全因素的重视，尿素热解技术在燃煤电厂的应用将日益广泛。对于制约尿素热解技术应用的结晶问题，解决途径一是要完善和改进设计，包括优化流场、温度场，制定详细的保温、运行维护说明，充分考虑设计负荷等;二是要提高巡检和维护的力度，按照运行维护说明，及早发现一切可能引起热解系统结晶的起因，并早作预防。
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