尿素制氨系统运行稳定性优化

耿发早

摘要：烟气脱硝系统作为燃煤机组重要辅助系统，其运行稳定性直接导致烟气排放中NOx能否达到环保要求，不造成排放超标事件的关键，这与炉前供氨混合反应完全程度有关，参数要达到设计，那么氨气的制造供应系统运行稳定性就至关重要了，我厂原供氨系统为液氨蒸发制氨，液氨的特性决定发生火灾或爆炸的可能较大，为消除液氨储存的重大安全隐患，将液氨蒸发系统更改为尿素水解制氨供炉前脱硝系统。更改后，在调试试运过程中因系统配置不合理和稳定性较差原因发生几起供氨中断事件导致排放超标，本文讲述我厂在现有基础上对尿素制氨系统进行优化改进，确保尿素系统运行稳定，防止出现供氨中断的事件发生。

关键词：尿素制氨   水解气  脱硝

系统概况:我厂脱硝供氨系统由#7机建设时配套设计三套液氨卸载、储存系统，三套液氨蒸发器，配套的液氨泄漏检测和消防喷淋系统，将液氨加热蒸发为氨气后分别输送到#5、6、7炉前供氨调节站，经调节阀调节后与稀释风机加压后的空气进行混合，将氨气稀释为浓度低于5%的混合气体，再通过喷氨格栅喷入烟道与烟气混合后流经装有三层催化剂的反应器，在催化剂的作用下，烟气中的NOx与NH3反应生成水和氮气达到了脱硝的目的。因液氨存在较大安全隐患，液氨储存为重大危险源，为消除安全隐患。我厂于2021年11月将液氨系统更改为尿素水解制氨，对炉前供氨，拆除原有液氨系统，于2022年5月完成调试投入运行。

    水解气即将尿素颗粒与40℃到50℃的除盐水进行搅拌混合充分溶解为50%质量浓度的尿素溶液。输送到尿素溶液储存罐，再通过溶液泵输送到反应器内，其反应器为表面式换热器由供热母管来蒸汽提供热源，将尿素溶液加热到130℃至160℃，压力为0.4MPa至0.6MPa的条件下，尿素溶液发生水解反应生成含量为37.5%NH3、18.75%CO2和43.75%水蒸汽的混合气体，通过反应器出口气动调节阀调节氨气供应到炉前，期间只需要源源不断对水解器提供溶液和加热热源，控制反应器的液位、温度、压力即可源源不断产生氨气，供全厂#5、6、7炉脱硝使用。整套水解器系统，配置三个水解反应器，产气量#1为160Kg/h，#2、#3产气量均为360Kg/h，容量符合全厂氨气供应量需求，正常运行#1水解器供#5、6炉，#3供#7炉，#2保持压力，温度、液位在热备用状态，每个反应器出口配置一个气动调节阀、无旁路、一台溶液供给泵和一个气动液位调节阀带一个手动旁路阀，一个弹簧安全阀、一个加热蒸汽气动调节阀带一个手动旁路阀，电源均取自于制氨MCC A、B段母线，运行中气动调节阀失电或断气，均自行落座关闭调节阀，反应器退出运行，中断供氨，反应器内气体通过安全阀泄掉。水解器系统结构原理简单，配置单一系统运行比较脆弱，存在较多不合理之处，操作灵活性差，运行稳定性差，任何一个环节故障或缺陷，都很容易发生供氨中断的事故。

   供电系统也很单一、稳定性也很差，整个制氨MCC A段母线由#5机氢油泵房476A1供电；B段母线由#7机输煤除灰380v7段476B1供电，两路电源来自不同机组，厂用电接线方式不同。虽然A B段母线设置母联开关，但因无法实现同期并列只能采取手动串联切换方式供电，这将导致任何一段母线失电均会造成MCC失电，DCS电源，热工电源失电，水解器退出运行，供氨中断，只有电源恢复后，才能再次投入运行，备用反应器也无法直接投入运行。

   水解器系统所供NH3为37.5%、CO2为18.75%、水蒸气43.75%的混合气体，为防止供氨管道内蒸汽凝结与氨气混合又产生结晶堵塞管道，因此供氨管道平行安装了伴热管道，采用表面换热，供气气管在起点即反映器出口采用气动阀供汽，在每台炉底加装自动疏水器，由于管路较长，供热蒸汽温度、压力等变化时，伴热温度无法达到要求使管内气体温度下降。使管内气体受冷凝结导致结晶，减少NH3供应量甚至堵塞管道。

   锅炉侧脱硝系统运行中，也存在着不利的副反应，喷氨量大时，氨气逃逸值也很大，氨气将与烟气中的SO2、SO3发生反应生成硫酸氢氨和亚硫酸氨的溶融状产物，与烟气中的灰粘结，粘在空预器换热元件上造成堵塞，为减少副反应产物生成，将喷氨量减少控制逃逸率在合理范围内，将排放值控制得较高，接近50mg/Nm3。当供氨压力低或中断时，排放快速升高至超标，短时不能恢复时，将导致机组减负荷或排放超标事件，在调试期间就出现了多起供氨中断的事故。如供氨气动调节阀故障，加热蒸汽供汽门故障；制氨MCC A、B段母线同时失电事故等都导致供氨中断，机组NOx排放超标。因此对尿素制氨系统作出优化改进以满足机组各种工况的供氨需求，并确保供氨不中断。

1、将每个水解器出口供氨气动门更换为带自保持功能的气动阀当气源或电源消失时，能保持原有开度不变。当电源或气源恢复时能够及时调节，避免大幅度操作影响水解器内压力波动。

2、将水解器加热汽源气动门更换具有自动保持功能的气动阀，当电源或气源消失时，能保持原有开度继续供热保证反应器温度不下降，继续产气。

3、在每个水解器出口气动门处加装一旁路快开阀，电源均与主供气阀独立，当主阀电源失去或故障时能操作旁路阀门，保证供氨的连续性。

4、在供氨管道伴热系统增加温度测点，增加二组疏水器和温度测点，以保证伴热管道温度不低于130℃至160℃，防止低温结晶。

5、增加系统监视参数报警功能，当参数达到报警值时，及时发出声光报警信号提醒操作人员调整；增加电源系统故障的声光报警功能，当电源系统故障或失电，电源开关跳闸时发出报警信号，提醒值班人员及时检查处理。

6、将尿素制氨热工电源二、DCS电源二由制氨MCC B段供电更改为脱硫1UPS供电，减少供电中断的可能性，当制氨MCC全部失电时，保证阀门能动作和DCS监控参数能正常监控。

7、机组供氨管道增加反吹扫阀门，当机组停止供氨后，及时开启反吹扫阀利用蒸汽进行反吹扫，保证管道清洁，防结晶。在供氨管道最低位置增加排污放水阀，反吹扫完毕后，开启放水门及时排除管道内积水，防止结晶堵塞。

8、优化反应器控制逻辑和联锁，将反应器的控制设置为自动控制供液流量，跟踪反应器内液位信号；出口调节阀设置自动跟踪出口供氨压力，自动根据压力和流量用量调节开度，减小反应器内压力波动。优化运行方式，根据机组供氨需求量及时切换水解器运行，平时三台机组运行时，#1、3运行，保持#2温度和液位正常热备用，任何一台故障退出时能及时将备用投入。

9、将#1、2反应器所有电源改为取自制氨MCC A段供电，#3反应器所有电源取自MCC B段供电，任何一段母线失电，最少有一个反应器能投入运行继续供氨；当两段母线均失电时也可优先恢复一段母线供电，减少供氨中断时间。

10、仪用压缩空气系统优化，将现化学供压缩空气增加一路由#7机供气作备用，当一路气源故障，可及时切换为备用气源供气。并增加一个20m³缓冲罐，确保仪用压缩空气压力稳定和干燥。

   各辅助配套设备系统都是环环相扣的任何环节出问题，都直接威胁机组的安全性，必须加以重视，特别是升级改造的项目，须进行精心的调研，多交流了解其优缺点，及运行中的各种故障，设计时就考虑好系统可靠性、安全性和操作灵活性，一旦系统投入运行后再进行优化改造，只能是增加成本。且条件受限时，有些弊端是无法技改的。这将大大增加系统的运维成本，甚至威胁机组安全。我公司经过对尿素水解制氨系统运行中的不合理处进行优化改造取得良好的效果，目前各水解器系统运行稳定，各反应器切换操作灵活，能满足三台机各种工况需求，对电源系统优化后，不会发生供氨中断事故。

参考文献：

1、《600MW机组集控运行规程》

2、《尿素水解制氨脱硝运行规程》