SNCR脱硝尿素溶液腐蚀爆管的治理措施
SNCR脱硝尿素溶液腐蚀爆管的治理措施
【摘要】宜兴华润热电有限公司通过脱硝的调研、初步设计、设计优化和完善、SNCR喷枪检修维护、运行操作以及一系列的防结晶措施，锅炉受热面防止尿素溶液腐蚀爆管治理水平大幅提升，脱硝系统的运行安全可靠性得到有效提高。
【关键词】SNCR脱硝；锅炉受热面；尿素溶液腐蚀；爆管；治理
1 概述
江苏宜兴华润热电有限公司于2013年12月和2014年6月分别完成#1、2炉进行脱硝系统技术改造，至今脱硝系统已完成环保验收，转入正常运行阶段。脱硝系统采用低氮燃烧器+SNCR+SCR耦合的方式，还原剂采用尿素溶液。针对采用尿素溶液SNCR脱硝喷枪滴液已造成多家在运电厂发生水冷壁被尿素溶液腐蚀发生爆管的情况，宜兴项目开展了一系列的防止尿素溶液腐蚀爆管的治理与预防工作，取得了较好应用成效。
2锅炉SNCR脱硝水冷壁防止尿素溶液腐蚀爆管的治理方法
2.1 系统概述：
宜兴项目采用的SNCR+SCR耦合脱硝技术，在锅炉炉膛设有尿素喷射装置，并在锅炉上级省煤器出口至上级空预器入口之间装设脱硝反应器。按照满负荷处理100%烟气量，SNCR区入口NOx浓度按350mg/Nm3、脱硝效率50%设计；SCR 区入口NOx浓度按200mg/Nm3、脱硝效率60%设计，保证脱硝装置出口NOx 浓度小于100mg/Nm3，保证总的脱硝效率不小于75%。尿素车间按照2×60MW机组脱硝系统公用设计，脱硝工艺系统主要包括：尿素存储、溶解、供应及在线稀释系统、尿素溶液计量分配及喷射系统、烟气系统、催化剂、吹灰系统等。
催化剂按“1+0.5”设计，即先安装一层初始层催化剂即满足60%脱硝效率的要求，预留一层催化剂安装空间，催化剂高度按初始层的一半。脱硝装置支撑钢架荷载按远期两层催化剂装满设计。
SNCR部分设置3层喷射区计量分配模块，共26支短尿素喷枪（#2炉28支），一层以热解补氨为主喷枪，布置在上层；其余2层以SNCR反应为主喷枪，布置在下层。上层热解补氨为主喷枪布置的烟温区域为满负荷下的SNCR脱硝温度区
域的下限，可获得满负荷下40%的SNCR脱硝率，同时人为造成氨逃逸，为下游的SCR催化反应提供还原剂。下层以SNCR反应为主喷枪，布置烟温区域为中低负荷下SNCR反应的适合区域（中低负荷下烟温950～1050℃），从而可以实现中低负荷下有效的SNCR脱硝效率。
2.2 防治方法：
2.2.1 初步设计前充分调研，了解SNCR尿素喷枪运行中存在风险现状
宜兴项目在脱硝改造立项前期做了脱硝方案的大量调研工作，通过调研了解到国内有多家采用SNCR脱硝改造的电厂在运行中出现过尿素喷枪操作不当及雾化不好导致的锅炉受热面腐蚀爆管现象。在评标和初步设计时便对设计单位提出了防止尿素喷枪导致锅炉受热面腐蚀爆管的要求。设计单位浙江大学热能研究所提出的在送风机出口引一路风接到SNCR喷枪套管中防护措施被采纳。送风引入SNCR喷枪套管后，即使喷枪雾化不好或阀门不严内漏造成滴液也能被送风吹入炉膛，不会直接滴在喷枪下部的水冷壁管上。
2.2.2 SNCR喷枪布置点的选取
由于SNCR反应的温度区间较窄，一般处于炉膛出口折焰角到上方5m左右的空间内，该部位有折焰角水冷壁和屏式过热器，屏过和高过之间的间隙只有800mm，布置喷枪无法保证受热面的安全，所以可供喷枪布置的空间有限。
根据屏式过热器和折焰角的标高，SNCR喷枪设计为三层，最下层离屏过底空间相对安全，因此在最下层炉膛左右两侧墙可以各布置2只喷枪，既改善流场均匀性，又可保证受热面的安全，后墙上部离折焰角太近，不能布置喷枪；中层和上层喷枪离屏过底部过近，不能在侧墙布置喷枪，但前墙离屏过距离相对较远，因此中、上层喷枪必须全部布置在炉膛前墙，以保证受热面的安全。
由于侧墙和后墙布置喷枪受限，浙江大学热能研究所通过优化喷枪设计，采用多孔喷枪和扁平喷枪间隔布置，既增加了SNCR喷枪射流在烟气中的穿透能力，又能保证较宽的雾化覆盖面，从而达到优化流场均匀性的作用。
图1 多孔喷枪和扁平喷枪
2.2.3 SNCR喷枪套管的防护改进
考虑到送风出来的风压只有2～3KPa，压力不是很高，在炉膛正压的情况下，送风引入套管防护仍然不是十分可靠。宜兴项目锅炉专业根据专业经验，提出在
喷枪套管炉内侧的端部增加一块倾斜的导流板（舌头状），这样在送风风压不高或中断的情况下，喷枪滴液可顺导流板流到炉膛内被烟气加热后汽化，不会滴到喷枪下部的水冷壁上。见下图：
图2 喷枪套管导流板
2.2.4 尾部受热面的防护
由于尾部区域流场不均，SCR出口前墙侧NOX排放太高，后墙侧又太低，且氨逃逸大，脱硝尿素耗量较大，通过改善设计，在高温省煤器上部两侧各增加一支扁平喷枪并竖直布置，可达到提升竖井烟道前墙烟气氨浓度的效果，从而使SCR出口前墙侧NOX排放得到一定的下降，改善SCR出口NOX和氨逃逸的均匀性。
高温省煤器上部增加的SNCR喷枪给省煤器的安全运行也带来了安全隐患。宜兴项目和浙江大学热能研究所一起，将省煤器上部SNCR喷枪设计为扁平喷枪，竖直布置，喷枪布置点选取在离省煤器管排上方2.5m处，以保证尿素溶液随烟气流到管排时已被完全汽化，不会对管排造成腐蚀。竖直布置的扁平喷枪喷出后的射流雾化扩散空间在纵向空间，喷到对面省煤器悬吊管上面积要小得多，这样只需要在正对着喷枪部位的省煤器悬吊管外表面上加装不锈钢护瓦加以防护，就可以保证省煤器的运行安全。
2.2.5 设置可靠的脱硝保护
SNCR喷枪的工作是靠压缩空气带动尿素溶液在枪内进行气泡旋转雾化的，这点与普通的类似油枪的机械雾化不同，因此对压缩空气压力有一定的要求。我公司喷枪设计压力为0.6MPa，最低雾化压力不低于0.4MPa。尿素溶液的压力与压缩空气的压力应匹配，若尿素溶液的压力太低，则会被压缩空气气压顶住导致溶液喷不到炉膛内；若过高则雾化颗粒过大，气化不完全会导致过热器和水冷壁腐蚀发生爆管。
压力空气压力过低，会导致喷枪雾化不好，喷枪滴液或溶液直接喷到对面的过热器上，导致受热面腐蚀爆管。
因此，在脱硝SNCR喷枪保护方面，应设置喷枪压缩空气压力保护，喷枪压缩空气压力低于0.4MPa时雾化不良会造成喷枪滴液，在喷枪压缩空气压力低于0.4MPa时应自动关闭尿素溶液电动总门，并退出SNCR运行。
2.2.6 提升SNCR喷枪维护管理水平
SNCR喷枪维护应分析总结经验，在推进器与喷枪连接卡扣部位用记号笔作好位置记号，以防止回装时喷枪插入深度太浅或太深影响安全，对于扁平喷枪，喷嘴的安装角度按设计装好后，在喷枪外表最上方画上指示箭头做好记号，这样在回装时只要保证画有箭头的面是朝上正上方就能有效防止喷枪回装时装错，从而避免扁平喷枪角度装错导致的受热面受到尿素溶液腐蚀。
图3 推进器与喷枪连接卡扣部位标记定位
喷枪日常巡检管理：
长期投用的喷枪日常巡检重点：
a）喷枪系统是否有溶液和压缩空气泄漏现象；
b）喷枪管路就地压力表是否存在个别管道压力不正常的高或不正常的低的现象；压力高则这只喷枪可能有堵塞现象，应立即停运联系检修检查；压力低则应检查溶液手动阀是否未全开或管道有泄漏。
c）检查喷枪推进器与喷枪连接的卡扣是否有松动现象，若卡扣松动则可能导致喷枪在投退时卡在半路，溶液喷在套管上引起水冷壁腐蚀爆管；维护单位应每周对卡扣检查紧固一次。
d）喷枪模块压缩空气过滤器前后压力偏差过大时，脱硝SNCR压缩空气压力保护不会动作，但实际工作压力早已远远低于保护值，这时若未及时发现则会造成喷枪长期雾化不良难以发现，从而导致水冷壁腐蚀爆管。因此应在就地经常比对喷枪模块压缩空气过滤器前后压力，若偏差过大则说明过滤器滤芯有堵塞，应立即进行清理。
2.2.7 提升脱硝运行操作技能和运行管理水平
a）提升脱硝运行操作技能。
脱硝属于改造的新系统和设备，需加强对运行人员的操作培训，使其较快熟悉并掌握操作的要点和安全注意事项，才能有效防范因喷枪操作不当导致的受热面爆管。
例如：某电厂#2炉实施SNCR+SCR耦合脱硝改造后，因运行人员对SNCR喷枪操作不熟悉，锅炉主值让运行助理去就地退出单只喷枪进行脱硝优化试验，主值在DCS上退出了一只喷枪，让助理就地确认是否退出，助理在就地看到喷枪退
出后就认为喷枪退出操作已完成，向主值汇报已退出就返回。但是该喷枪对应的就地尿素溶液手动阀并没有关闭，尿素溶液一直在喷枪套管内喷射，大量的尿素溶液沿喷枪套管流淌到喷枪下部的水冷壁管上，3天后，该喷枪下部的水冷壁因受到尿素溶液的腐蚀发生爆管。见图：
图4 喷枪下部的水冷壁因受到尿素溶液的腐蚀发生爆管
b）运行操作应防止尿素溶液结晶造成喷枪和管路堵塞雾化不良。
尿素溶液在低温下会生成结晶，50%浓度的尿素溶液结晶温度是28℃，因此运行中应保证SNCR喷枪内尿素溶液温度在28℃以上。通过在尿素溶解罐和尿素溶液储罐中加装蒸汽加热装置，在运行中控制尿素溶液储罐温度不低于40℃，尿素溶液储罐到炉前SNCR喷枪管道全程覆设保温，从而可以保证SNCR喷枪内尿素溶液温度在28℃以上不发生结晶。
c）尿素溶液制备系统防杂质措施。
杂质进入尿素溶液制备系统会进入SNCR喷枪导致喷枪堵塞雾化不良。脱硝设备安装完工后不应立即投入试运，应先使用压缩空气对整个管路系统全面吹扫，也可分段进行吹扫；吹扫完成后采用除盐对整个管路系统进行冲洗，清除系统中的焊渣和杂质。冲洗后投运压缩空气和除盐水，对每只喷枪进行雾化试验检查，发现有堵塞进行疏通，试验要直到喷枪连续运行20min雾化一直正常为止。
在尿素拆包卸料斗下部加装筛网，过滤尿素包装袋在拆包过程中落入的碎纺织袋是第一道防护；在尿素溶解罐至尿素溶液储罐之间设置过滤器可以有效阻止杂质进入喷枪系统，运行人员应加强对过滤器前后压力对比检查，发现差压过大及时清理滤网，这是第二道防护；在SNCR喷枪模块用压缩空气进气总门前加装过滤器，过滤掉压缩空气中杂质，是第三道防护。
d）尿素溶解和浓溶液的稀释用水杂质的控制。
尿素溶解和浓溶液的稀释用水不采用用工业而采用除盐水能够有效防范工业水中杂质进入喷枪系统，但应注意除盐水温度较低，与尿素浓溶液混合稀释后温度会大幅下降导致结晶发生。所以，稀释和溶解用的除盐水也应加装蒸汽加热装置，并在运行中控制好除盐水的温度。
e）脱硝系统的投运与停用过程中防结晶措施。
脱硝系统停运后，为防止喷枪和管道系统内积液在环境温度下结晶，应使用
高温的稀释水对管道和喷枪进行冲洗20min，清除尿素溶液积存。在脱硝系统投运前，为防止管道和喷枪内尿素积液发生结晶，应应使用高温的稀释水对管道和喷枪内尿素结晶进行溶解和冲洗20min，再供给尿素溶液。
3 结论
宜兴华润热电有限公司通过脱硝的调研、初步设计、设计优化和完善、SNCR 喷枪检修维护、运行操作以及一系列的防结晶措施，锅炉受热面防止尿素溶液腐蚀爆管治理水平大幅提升，脱硝系统的运行安全可靠性得到有效提高。
参考文献：
[1]宜兴华润脱硝可行性研究报告，浙江大学热能工程研究所周昊教授
[2]宜兴华润脱硝初步设计说明书，浙江大学热能工程研究所周昊教授，浙江融智能源科技有限公司