燃煤電站SCR 系統中制氨系統的對比分析

吳鳳玲 擺金山 劉民 趙修華 吳曉烽

(1中國石油工程建設公司新疆設計分公司 新疆烏魯木齊 830019 2上海同濟華康環境科技有限公司 上海 200092)

我國燃煤電站NOx的排放量隨著火電行業的發展呈不斷增長的趨勢[1,2]。近年來，我國對NOx的控制指標越來越嚴格，“十二五”規劃要求氮氧化物排放量減小十個百分比，《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）中也將NOx排放要求提高至100 mg/m3[3]。

目前，煙氣脫硝技術幾乎都集中在燃燒中和燃燒后的NOx控制上，所以，在國際上把燃燒中NOx的所有控制措施統稱為一次措施，把燃燒后的NOx控制技術稱為二次措施，又稱為煙氣脫硝技術[4]。其中，選擇性催化還原（SCR）技術最為成熟，在日本、歐洲和美國都得到了十分廣泛的應用。SCR工藝中直接參與化學反應的是還原劑氨氣，根據商業業績較好的原則，主要的氨源可分為三類：液氨、氨水（氨的水溶液，通常為20~30%氫氧化銨溶液）和尿素（40~59%尿素顆粒溶液）。本文對三種不同的氨源進行對比分析，分析各自的優缺點，并探討其經濟性。

1 制氨系統

1.1 液氨

液氨為無色液體，有強烈刺激性氣味，極易氣化，屬于易燃易爆危險品。18℃時的密度為0.6132g/cm3，自燃點為651.11℃，爆炸極限為16%~25%，沸點為-33.5℃，熔點為-77.7℃，低于-77.7℃時成為具有臭味的無色結晶。

液氨制氨系統主要由液氨儲存系統、液氨蒸發系統、事故吸收系統和氮氣置換系統組成。液氨管輸送入液氨儲槽，再經過蒸發槽蒸發為氨氣后通過氨緩沖槽和輸送管道進人鍋爐區，通過與空氣均勻混合后由分布導閥進入SCR反應器內部反應。典型的工藝流程如圖1所示。

圖1 液氨制氨系統工藝流程示意圖

采用液氨作為脫硝還原劑的SCR系統，從液氨的輸送、存儲、制備、供應到日常的維護管理，都要制定嚴格的安全管理制度。但由于其具有工藝系統簡單、占地面積小、投資省、原料費用較低等優點，我國已投運的火電廠脫硝裝置大多采用液氨法制備氨氣[5]。

1.2 氨水

氨水為無色透明液體，有強烈的刺激性氣味，屬于危險品，當空氣中氨氣在15%～28%爆炸界限范圍內，會有爆炸的危險性，所以氨水具有燃燒、爆炸及腐蝕的危害性。脫硝工藝中常用的氨水濃度為20%～30%。

氨水制氨系統的工作原理是將25%的含氨水溶液存于常壓儲罐中，利用氨水泵將其送至雙相噴嘴向煙氣中噴射，噴射過程中同時混入稀釋風，稀釋風被加熱，將氨水中的水分氣化并完成稀釋。典型的工藝流程如圖2所示。

圖2 氨水系統工藝流程示意圖

與液氨相比，采用氨水制氨，安全性能夠有很大的改善，但是運行能耗高，存儲和運輸成本都很大。

1.3 尿素

尿素呈白色或淺黃色晶體，易溶于水，水溶液呈中性，吸濕性較強，易潮解，熔點132.7℃。在高溫高壓（160～240℃，2.0MPa）或者高溫常壓（350～650℃，0.1MPa）條件下，C-N鍵斷裂分解成NH3和CO2，屬于無毒、無害的綠色化學品。在運輸、儲存中無需考量其安全和危險性，更不須任何的緊急程序來確保安全。

尿素制氨氣主要可分為兩種：熱解工藝和水解工藝。

1.3.1 熱解工藝

尿素熱解制氨系統主要由固體尿素儲存系統、尿素溶解儲存系統和尿素熱解爐組成。典型工藝為50%wt濃度的尿素溶液被尿素溶液輸送泵送到熱解爐的計量分配裝置，計量后的尿素溶液被輸送至安裝在熱解爐入口處的噴嘴。將熱空氣（鍋爐一次風或二次風）溫度再次提升（約350～650℃）并送入熱解爐，隨后將尿素溶液噴入在溫度窗內具有適當停留時間的熱解爐，使尿素溶液分解為NH3和CO2，然后將包含NH3的氣流導入氨氣-煙氣混合系統。典型的工藝流程如圖3所示。

圖3 尿素熱解系統工藝流程示意圖

尿素熱解工藝所需熱量較大，因而會導致燃油消耗量較大、運行費用高等問題；且熱解爐尾部積物較快，為防止尿素存積較多，需要定期清理，停運期間，會影響脫硝裝置的可靠性[6]。

1.3.1 水解工藝

尿素水解系統主要由固體尿素儲存系統、尿素溶解儲存系統和尿素水解反應器組成。典型工藝為40～60%wt濃度的尿素溶液被尿素溶液輸送泵送到水解反應器，在150～250℃和5～30bar的條件下尿素發生水解反應。水解反應器中產生出來的含氨氣流被空氣稀釋，再進入氨氣-煙氣混合系統。典型的工藝流程如圖4所示。

圖4 尿素水解系統工藝流程示意圖

2 制氨工藝對比

液氨法、氨水法、尿素熱解法和尿素水解法四種不同工藝的性能對比分析如表1所示。

表1 制氨工藝性能對比

由表1可得，從運行成本看，氨水>尿素>液氨；從投資成本看，尿素>氨水>液氨。由此可見，液氨法的投資費用、運輸費用和使用費用都是三者中最低的，運用此方法雖然具有一定的安全隱患，必須由嚴格的安全保證和防火措施，液氨的輸送儲存設計到當地的法規和勞動衛生標準，但只要設計、建造、安裝、調試和運行各個環節嚴格遵循有關規程要求，還是能夠保證安全的。

3 結語

SCR脫硝工藝中的制氨系統通常有液氨、氨水、尿素熱解和尿素水解四種，其中，液氨法最為經濟，投資、運行費用最低，但安全性較差，屬于危險化學品，需要嚴格遵循規章制度，保證其安全使用。若從安全性方面考慮，尿素是最佳選擇，無需考量其危險性，屬于綠色化學品。四種工藝中，氨水無論從危險性還是投資運行成本方面考慮，都不建議使用。

[1]段傳和，夏懷祥.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術/中國大唐集團科技工程有限公司[M].北京：中國電力出版社,2009.

[2]沈濱,吳敵,趙禹.尿素制氨工藝在SCR煙氣脫硝工程中的應用[C].2009年清潔高效燃煤發電技術協作網年會,昆明,2009.

[3]GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標準[S].

[4]馬忠誠,房晶瑞,汪瀾.水泥工業氮氧化物減排的途徑[J].水泥,2011,(11):4.

[5]馬千里.火電廠脫硝系統氨氣制備方案比較[J].華電技術,2011,33(12):58-59.

[6]杜成章,劉誠.尿素熱解和水解技術在鍋爐煙氣脫硝工程中的應用[J].華北電力技術,2010,(6):39-41.

[7]汪建光.燃煤電站SCR脫硝技術中尿素熱解和水解制氨技術對比[J].環保技術,2008,(4):59-60.