來源：火電廠技術聯盟
作者：王峰濤，田正學，劉振國
國家能源聊城發電有限公司
摘 要：近幾年,脫硝還原劑尿素法改造常見于火電廠,這是為了消除液氨這一危險源。但在改造設計中,有些具體問題容易被設計人員忽視。以L公司為例,尿素制氨系統運作2 a多來,暴露出了卸料管振動大、溶解罐溢流管出氣泡、疏水箱振動大、疏水母管無法隔離、氣相閥門腐蝕内漏、水解器排污時間定值不合理等一系列問題。經過L公司技術人員的努力,現已對部分問題進行了優化,經過運作,檢驗效果良好。
關鍵詞：脫硝; 尿素; 母管制; 卸料管; 溶解罐;
脫硝還原劑尿素法改造項目，是火電廠繼脫硫、脫硝（液氨）、除塵改造後的重點安全環保項目。國家能源局多次下發相關檔案，要求火電廠進行脫硝還原劑尿素法改造，以消除火電廠因液氨存儲量較大帶來的重大危險。L公司機組裝機容量較大，煙氣入口NOx濃度高，液氨存儲量大，是當時GD集團等級最高的重大危險源。L公司2016年進行了脫硝還原劑尿素法改造的可行性研究，2017年3月開始施工建設，2018年8月逐漸投入運作。該項目因在國内屬于比較早的大容量液氨改尿素項目，設計經驗較少，設計方案不夠成熟，是以出現了一些問題，下面做具體介紹。
L公司尿素制氨系統由卸料系統、溶解罐、儲存罐、水解器、疏水箱、供氨管道、氨/空氣混合器等裝置組成。水解器采用母管制并聯模式，即3台水解器出口産品氣管路互相聯絡，産品氣由2根供氨母管輸送至4台機組SCR（選擇性催化還原技術）區參與脫硝。其中1#,2#機組（一期）共用1條供氨母管，3#,4#機組（二期）共用1條供氨母管。單台水解器設計出力1300 kg/h，是目前國内容量最大的水解器，設計采用兩用一備運作方式，利用機組輔汽加熱尿素溶液。圖1為尿素制氨系統簡圖。
圖1 尿素制氨系統簡圖
2.1 卸料管振動大
L公司尿素采用罐車運輸，用雜用壓縮空氣将罐車中的尿素通過不鏽鋼卸料管輸送至溶解罐中。不鏽鋼卸料管固定在牆上和地面固定支架上，支架與牆面、地面之間由膨脹螺絲連接配接。在卸料口至尿素溶解罐之間，卸料管轉了2個90°彎。卸料時，在壓縮空氣的推力下，卸料管的90°彎頭處振動很大，牆上和固定支架上的地腳螺栓多次振斷，嚴重影響卸料安全。
2.2 溶解罐溢流管出氣泡
在尿素進入溶解罐溶解的過程中，尿素溶解增加了水的表面張力，并有大量氣體進入尿素溶液，在溶液表面産生大量氣泡。這些氣泡在溶解罐上部越聚越多，積累到一定程度，就要從排口排出。溶解罐的上部排口一般有2個地方：a)溶解罐的溢流管。氣泡從溶解罐溢流管冒出，造成廠房中氨味大，危害值班人員的身心健康。b)溶解罐頂部的風機（有的設計中有，有的沒有）。氣泡進入風機後，在風機出口聚集，随着氣泡的不斷破裂，會在風機出口變為液體的尿素溶液，堵塞風機出口。尿素溶液聚集在一起不能排出，積累到一定程度，就會從風機排空管裡噴濺出來。風機排空管對着尿素卸料區，噴濺出來的尿素溶液會對卸尿素人員、車輛構成威脅。
2.3 疏水箱振動大
疏水箱用于收集水解器、溶解罐和尿素站區域伴熱管的疏水。疏水由于溫度高于100℃，如果不用除鹽水冷卻，無法形成液态水，會全部從疏水箱排氣管排入大氣。是以，設計時要向疏水箱中加入除鹽水，将疏水冷卻到84℃，回收至機組除氧器。然而，溫度低的除鹽水與溫度高的疏水接觸時，發生劇烈的熱交換，導緻疏水箱劇烈振動。運作人員專門做過試驗，将疏水箱溫度降至70℃，仍然振動很大，嚴重影響疏水箱的安全運作。如果将疏水箱溫度降低太多，則需要的除鹽水量又很大，同樣會導緻運作不經濟。
2.4 疏水母管無法隔離
水解器、溶解罐和尿素站區域伴熱管的疏水全部彙集到疏水母管，然後進入疏水箱。這種設計造成的後果是：a)疏水母管洩漏時，無法隔離檢修，母管洩漏時隻能選擇帶壓堵漏；b)疏水全部從母管進入疏水箱，使得溫度高的疏水與溫度低的除鹽水發生劇烈的熱交換，造成疏水箱劇烈振動。
2.5 氣相閥門腐蝕内漏
水解器氣側及供氨母管上的閥門，包括閥體和閥芯，全部選用316L不鏽鋼材質，閥門密封采用軟密封。尿素制氨系統運作未滿1a，氣相閥門就陸續出現了内漏現象。後來拆解供氨母管上閥門，發現閥芯表面被腐蝕得坑坑窪窪，如圖2所示。尿素制氨系統投運後，還出現了一次因閥門内漏造成供氨管道堵塞的問題，導緻機組啟動推遲了40 h。
2.6 水解器排污時間定值不合理
圖2 氣相閥門腐蝕内漏
2.7 3台水解器無法全部投入自動運作
原設計3台水解器采用兩用一備運作模式，但因煙氣NOx濃度邊界條件改變、燃煤煤質不穩定、京津冀大氣污染傳輸通道城市重污染天氣響應等原因，導緻實際運作3台機組時就要投入3台水解器。然而設計的調節邏輯是針對兩用一備模式，在現有的調節邏輯架構下，無法實作3台水解器全部自動運作。
除此之外，還有供氨母管伴熱管道支管沒有隔離閥，伴熱支管洩漏時隻能隔離全部伴熱管道進行檢修，供氨母管中有結晶的風險。
3.1 卸料管振動大優化
經過公司技術人員多方論證，發現卸料管振動大的原因在2個90°彎頭上。壓縮空氣在彎頭處對管道産生正向推力，使管道有規律的振動。針對該原因，檢修人員将2個90°彎頭用短直管段拼接成小角度大彎頭，壓縮空氣産生的正向推力沿着小角度大彎頭進入了溶解罐。這樣改造後，壓縮空氣産生的推力更多地用來輸送尿素，減少了管路沿途的能量損失，卸一罐車30 t的尿素由之前的2.5 h縮短到1.5 h，既消除了管道振動的安全隐患，又節約了壓縮空氣，降低了能耗。2根卸料管改造實景如圖3所示。
圖3 2根卸料管改造實景圖
3.2 溶解罐溢流管出氣泡問題優化3.3 疏水箱和疏水母管問題優化
對于疏水箱排空管冒蒸汽問題，公司技術人員對排空管口進行改造，将管口改成向上，并設定了2道彎，延長蒸汽的冷凝停留時間，冷凝水回收至疏水箱，改造後效果如圖5所示。改造後，通過疏水箱排空管排放的蒸汽約減少了50%，但不能實作全部蒸汽的回收。
對于建立項目，應從設計上重新考慮疏水箱和疏水母管的問題。疏水要實行支管制，各路疏水單獨進入疏水箱，進入疏水箱的方向均勻分散開，并在疏水箱内增加分布管，大幅增加疏水與除鹽水的接觸面積，降低熱交換的強度，這樣疏水箱振動大的問題也迎刃而解。考慮到造價成本，如果不能友善地實作各路疏水單獨進入疏水箱，也至少将溶解罐、水解器、尿素水解工廠中的房間伴熱疏水三路分開，并在各支路上設隔離門，以友善檢修。另外，疏水箱的溫度重新設計，構模組化型計算最優的疏水、除鹽水比例，實作疏水箱熱量、水量的最優回收率。
圖4 風機改造實景圖
圖5 疏水箱排空管改造實景圖
3.4 氣相閥門腐蝕内漏問題優化
尿素水解器氣相閥門腐蝕内漏問題近2年引起了越來越多同行的重視，包括尿素水解器供應商。目前普遍認為，316L不鏽鋼不能耐受尿素水解後氨混合氣的腐蝕。常見的措施是更新閥門閥芯材質，比如采用尿素級316L不鏽鋼、2205雙相不鏽鋼、2507雙相不鏽鋼。通過材質更新，密封改良，有效延長了氣相閥門腐蝕内漏的時間，延長了閥門的使用壽命。
3.5 水解器排污時間定值優化
水解器排污時間需根據水解器的運作狀态确定。機組負荷高，水解器出力大時，适當增加水解器排污時間和排污次數。機組負荷低，水解器出力小時，适當減少水解器排污時間和排污次數。L公司水解器排污次數和排污時間規定如下：機組負荷較高的7—9月，每台水解器每周排污2次，每次8 min；其他月份，每台水解器每周排污1次，每次10 min。排污效果的評價标準就是水解器液位波動小，水解器運作平穩。在現有規定下，如果水解器液位波動有上升趨勢，可适當增加排污時間和次數。
3.6 水解器調節邏輯優化
自2019年7月11日出現水解器供氨中斷事件後，L公司技術人員一直在研究優化水解器調節邏輯的方式，嘗試了不少辦法，均未達到預期效果。2020年3月，經過各專業技術人員的充分讨論，決定對水解器調節邏輯進行如下優化：在現有調節邏輯的基礎上，以現有任意一台水解器（以2#水解器為例）的調節邏輯為主，另外2台水解器（1#,3#水解器）氨蒸汽出口調閥的調節由標明水解器的調節邏輯控制。在1#,3#水解器的氨蒸汽出口調閥上增加“投入”“退出”按鈕和“水解器噴氨調閥指令偏置”對話框，在需要将1#,3#水解器投自動時，該水解器的氨蒸汽出口調閥開度調整到與2#水解器大體一緻，然後點“投入”按鈕，該水解器就自動接受2#水解器調節邏輯的控制，并通過在對應水解器噴氨調閥指令偏置對話框中輸入正負值來增大、減小對應水解器供氨調閥開度。水解器需要單獨調節時，點相應的“退出”按鈕，該水解器氨蒸汽出口調閥就接受該水解器本身調節邏輯控制。改造後效果如圖6所示。這次水解器調節邏輯優化後，水解器可以全部投入自動調節，即使機組煙氣入口NOx濃度升高較快，運作也相對穩定，減小了運作值班人員的工作量和工作壓力，取得了良好的效果。
此外，伴熱管道不友善檢修，無法隔離時，隻需設計時在适當位置增加隔離門即可解決。
通過對以上常見問題的優化，消除了影響尿素制氨系統安全穩定運作的隐患，尿素制氨系統的可靠性和安全系數大大提高，有效破解了母管制尿素制氨系統存在的一些通病，實作了水解器全部投入自動運作。母管制尿素制氨系統投運後，隻要不是全廠機組停運，就沒有全部停運的機會，是以，在設計尿素制氨系統時，要充分考慮到檢修的可操作性，在裝置發生洩漏或故障時友善檢修。
圖6 水解器調節改造後效果圖
作者簡介： 王峰濤,1988年生,男,山東濟甯人,2017年畢業于陝西師範大學工商管理專業,碩士,工程師。