尿素為還原劑燃煤煙氣脫硝技術的應用與分析

摘要：隨著國內經濟的發展與現代化進程的加快，能源的消耗量越來越大，環境污染問題也隨之越來越嚴重，經濟發展方式的轉變與污染的控制逐漸受到國家與社會的廣泛關注，因此燃煤電廠鍋爐的煙氣排放標準也越來越嚴格。為減少大氣中的氮氧化物和酸雨問題，燃煤煙氣的脫硝就顯得尤為重要。因尿素的運輸、儲存安全性高，作為還原劑進行脫硝備受關注。本文基于對采用尿素為還原劑的選擇性催化還原技術（SCR）、選擇性非催化還原技術（SNCR）和噴淋洗滌法三種脫硝方法的分析，探究不同技術應用過程存在的問題，并提出相應解決措施，以期各位同行參考。

關鍵詞：尿素;還原劑;燃煤技術;脫硝

依據火電容量的預測與燃煤增量的估計，十二五期間我國的火電電廠NO。x的排放總量將由2010年的l050X104 t增至1200 X104t左右。這將極大地危害人身健康和國民經濟的可持續發展。鑒于NOx對大氣環境的不利影響以及目前火電廠NOx排放控制的嚴峻形勢， 根據中華人民共和國國家標準GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》規定，自2012年1月1日起新建的火力發電廠二氧化硫的排放限值為≤100mg/Nm3，特別排放限值為≤50mg/Nm3。另根據國家發展和改革委員會、環境保護部、國家能源局三部委聯合發布的《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》【發改能源[2014]2093號文】通知中的要求，東部地區新建燃煤發電機組大氣污染物中氮氧化物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即在基準氧含量6%條件下，氮氧化物排放濃度不高于50mg/Nm3），中部地區新建機組原則上接近或達到燃氣輪機組排放限值，鼓勵西部地區新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值。由此可知，控制燃煤電廠NOx排放量是電力企業污染重點治理工作之一。

一、尿素制氨SCR脫硝技術

SCR由于其反應溫度較低、脫硝效率高（其脫硝效率可達到90%以上）、運行可靠及二次污染小等優點，成為控制煙氣中NOx的首選方法。在SCR技術中，催化劑是核心，其成本約占SCR系統總成本的20%～40%，催化劑的性能直接影響NOx的脫除效果。還原劑的來源主要有液氨、氨氣和尿素三種。出于安全性及實用性的考慮，尿素—氨轉化系統生成NH，得到了更為廣泛的應用與關注[1]。

（一）工藝原理

尿素制氨工藝一般采用水解法或熱解法。水解法是將尿素以水溶液的形式加以分解，熱解法是直接快速加熱霧化后的尿溶液，得到固態或熔化態尿素，純尿素在加熱條件下分解，為SCR提供氨。

1.水解法

尿素水解法制氨的工藝原料為干態顆粒尿素，使用高溫、高壓蒸汽對尿素溶液進行水解，得到最終產物為NH3、CO2和H20的混合物，減壓后直接進入SCR系統噴氨裝置。反應為分兩步進行的吸熱反應，在一定的壓力和溫度條件下反應達到平衡，通過控制反應溫度的升高和降低來控制產生氨氣混合氣體的數量，從而適應不同鍋爐負荷的變化。水解反應器在一個較高溫度及壓力接近平衡的工況條件下運行，利用蒸汽間接換熱，反應器維持一個閉合的物料平衡。在反應過程中，要使尿素的水溶液水解成NH3，需要一定的條件和時間，因此其跟蹤機組負荷變化的速度稍慢，響應時間約5—15min。

2.熱解法

其反應過程是將高濃度的尿素溶液噴入熱解室，在溫度300—650℃熱煙氣或熱風條件下，液滴蒸發，得到固態或者熔化態的尿素。純尿素在加熱條件下分解，為SCR反應提供氨氣。但是，尿素在150℃條件下不穩定，分解生成HNCO和NH3。HNCO在水蒸汽存在的條件下發生水解，生成NH3和CO2。NH3作為SCR還原劑，在催化劑作用下將NO還原成N2和H2O。熱解法屬于直接快速加熱霧化后的尿素溶液進行分解，跟蹤機組負荷變化的速度較快，響應時間僅為5～10 s。由于控制反應條件不同，這兩種方法產生的污染物也不一樣。熱解法原則上不會產生造成SCR設備堵塞的聚合物。由于水解法是在高壓條件下進行，水解反應器內又儲存著NH，這樣氨溶液造成設備腐蝕導致泄漏[2]。全面比較尿素水解和熱解技術后發現，熱解技術比水解技術具有一定的優越性，尤其在運行響應時間和腐蝕方面。

（二）系統組成及特點

尿素熱解制氨SCR與液氨SCR工藝具有同等的脫硝性能。首先，在溶解系統中將尿素配制成質量濃度為40%～50%的尿素溶液，然后將其輸送到儲罐，尿素溶液經過大流量循環裝置后，一部分輸送到計量和分配裝置，由噴射器噴入絕熱分解室。熱解室利用天然氣或柴油燃燒后的煙氣進行加熱，助燃空氣為冷空氣或者空氣預熱器的出口熱風（也可直接采用電加熱，稀釋空氣采用空氣預熱器的出口熱風）。霧化的尿素溶液在熱解室完全分解，分解產物NH，與稀釋空氣混合后進入SCR噴氨系統。尿素熱解法制氨工藝具有以下特點：操作簡單可靠，基本不需要人力和維護;跟蹤機組負荷變化能力較強，響應時間短;沒有高壓容器，不產生中間聚合物，無氨泄漏，不存在安全隱患;尿素系統不需防火和安全間距，占地面積小。

二、尿素為還原劑的SNCR脫硝技術

（一）工藝原理

以NH尿素等為還原劑，霧化后注入鍋爐或者靠爐內的熱量蒸發霧化。在適宜的溫度范圍內，氣相的氨或尿素分解為自由基NH3和NH2。在特定的爐膛溫度（900—1150 ℃）和氧存在的條件下，還原劑與NOx的反應優于其他反應。因此，可以認為是選擇性化學過程。煙氣所含NOx中90%為NO，所以脫硝過程以脫除NO為主，對于大型電站鍋爐，其脫硝效率控制在20～40%之間。

（二）系統組成及特點

由于SNCR是利用爐膛高溫獲得較高的活化能，所以，它不需要催化劑。SNCR系統主要由尿素溶液儲存與制備系統、尿素溶液稀釋模塊、尿素溶液傳輸模塊、尿素溶液計量模塊以及尿素溶液噴射系統組成。由于尿素以固體形式運輸，需要先將其溶解制備成質量濃度為～50%的尿素溶液，尿素溶液經尿素溶液輸送泵輸送至計量分配模塊之前，與稀釋水模塊輸送過來的水混合，尿素溶液被稀釋為10%的尿素溶液，然后在噴入爐膛之前，再經過計量分配裝置的精確計量分配至每個噴槍，然后經噴槍噴入爐膛，進行脫硝還原反應。SNCR技術具有以下優點：結構簡單，不需要改變現有鍋爐的設備設置，而只需在現有的燃煤鍋爐的基礎上增加氨或尿素儲槽，氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可;系統投資小;阻力小;對鍋爐的正常運行影響較小;占地面積小。

三、尿素噴淋洗滌技術

（一）反應機理

尿素法煙氣噴淋洗滌技術可同時脫硫、脫硝、除塵，煙氣經過尿素吸收劑與添加劑混合液一次性洗滌。煙氣與尿素溶液接觸，其中的NO。被還原生成N2，尿素反應生成CO2和H2O;SO2則與尿素反應生成硫酸銨，凈化后的煙氣由煙囪直接排放，反應溶液可制成肥料綜合利用，其脫硝效率控制在"""" %之間。請作者核實后填上

（二）工藝系統

燃煤電廠鍋爐煙氣經除塵器除塵后，從塔底進入吸收塔，煙氣在吸收塔內完成脫硫、脫硝，凈煙氣經除霧器除霧后進入煙囪排入大氣。吸收液由循環水池經水泵增壓后自塔頂噴淋而下。氣液兩相在塔內完成洗滌、吸收。吸收后尾液流向塔底進入循環池沉淀池中沉淀分離。分離后上部尾液泵入蒸發濃縮系統。沉淀分離池底部的灰渣泵去灰渣池進一步分離，分離液回循環池。煙氣經過吸收劑與添加劑混合液一次性洗滌，煙氣中SO2、NOx，同時被吸收凈化，副產物為銨肥可以回收利用。該技術工藝流程、設備簡單，操作人員少、易操作維護，投資和運行費用低，具有較好的經濟效益、環境效益和社會效益[3]。

四、存在問題及解決措施

（一）尿素運輸進料問題

采用尿素作為還原劑的優點是流程簡捷、安全可靠。但調研發現，國內尿素都采用袋裝形式，無散裝尿素，且沒有專門用來運送散裝尿素的罐車，無法解決尿素在運輸過程中的吸潮現象。在國內SNCR或SCR技術運用的過程中解決途徑：將尿素存放車間，當配制尿素溶液時，采用人工作業的方式，用起重機將尿素運至卸料平臺，通過人工將尿素倒進卸料斗內，進入尿素配制罐。其特點是：投資少，設計簡單，布置容易，但工人的勞動強度大，尿素配料濃度準確度不高。

（二）尿素在運輸過程中結晶問題

由于尿素溶解過程是吸熱反應，其溶解熱高達～241.8 J/g。因此，尿素溶液在輸送的過程中容易結晶。在尿素溶液的配制過程中需配置功率強大的熱源，最經濟的就是利用電廠的蒸汽進行加熱。在尿素溶液的管道輸送過程中，可以采用蒸汽管道伴熱方式，即在尿素管道旁邊伴隨1根蒸汽管道，然后把兩根管道做整體保溫處理。

（三）尿素管路結垢問題

在整個尿素脫硝工藝中，尿素溶液總是處于被加熱狀態。若尿素的溶解水和稀釋水的硬度過高，在加熱過程中水中的鈣、鎂離子會造成脫硝系統的管路結垢、堵塞，可在尿素中添加阻垢劑或采用除鹽水作為脫硝工藝水。

參考文獻：

[1]趙冬賢，劉紹培.尿素熱解制氨技術在SCR脫硝中的應用[J].熱力發電，2009，38（8）：65—67.

[2]彭代軍.鍋爐煙氣脫硝尿素熱解與水解制氨技術對比[J].能源與節能，2014，7（1）：185-187.

[3]孫藝心.尿素熱解制備還原劑系統在脫硝改造項目上的應用[J].應用能源技術，2013，5（7）：12-14.