脫硝尿素制氨氣氣管式換熱器熱解方案的應(yīng)用

侯明勝 郝建宏 神華國(guó)華九江發(fā)電有限責(zé)任公司

1 脫銷還原劑制備現(xiàn)狀及方式對(duì)比

目前在 SCR 脫硝技術(shù)領(lǐng)域，常用的還原劑有3種，其中包括液氨、尿素和氨水。液氨作為還原劑在前些年的工程中應(yīng)用的較多，其原因是液氨的運(yùn)輸成本較低和制氨系統(tǒng)相對(duì)要簡(jiǎn)單。其他兩種還原劑中，氨水使用頻率是最低的，其運(yùn)輸成本較大，使其運(yùn)行成本費(fèi)用提高，而尿素則在制備系統(tǒng)中略為復(fù)雜一些，但也在許多工程得到了廣泛應(yīng)用。隨著國(guó)家環(huán)保要求的日益提高以及電廠積極發(fā)展清潔能源的初衷，使選用液氨和氨水作為還原劑越來越受到考驗(yàn)和制約。因?yàn)橐喊焙桶彼鶠橐翌愇镔|(zhì)，均是有毒有害物質(zhì)，且都需要一定的壓力儲(chǔ)存，尤其是液氨的壓力儲(chǔ)存要求更高，加之氨水本身的運(yùn)行成本就居高不下。另外，根據(jù)我國(guó)《危險(xiǎn)化學(xué)物品名表》（GB12268-90）和《重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》（GB18218-2000）的有關(guān)規(guī)定，液氨在生產(chǎn)場(chǎng)所超過40 t、儲(chǔ)存場(chǎng)所超過100 t時(shí)構(gòu)成重大危險(xiǎn)源，需報(bào)相關(guān)安全生產(chǎn)部門審批。液氨的儲(chǔ)存和制備系統(tǒng)在安全、消防和環(huán)保等方面的要求也越來越嚴(yán)格， 對(duì)電廠的日常運(yùn)行和管理要求也越來越高。因此，選用尿素制氨的方式無論從安全、消防和環(huán)保方面還是公司的日常運(yùn)行和管理來說都是最合適的選擇。

2 尿素制氨熱解與水解方式對(duì)比

尿素制氨的常規(guī)方式一般有兩種，一種尿素?zé)峤庵瓢狈ǎ环N尿素水解制氨法。

（1）尿素水解與尿素?zé)峤忭憫?yīng)時(shí)間比較

水解法是將尿素以水溶液的形式加以分解，跟蹤機(jī)組負(fù)荷變化的速度稍慢，而熱解屬于直接快速加熱霧化后的尿素溶液進(jìn)行分解，跟蹤機(jī)組負(fù)荷變化的速度較快。水解的響應(yīng)時(shí)間約為5～15 min，而熱解的響應(yīng)時(shí)間為5～10 s。

（2）尿素水解與熱解有關(guān)污染物產(chǎn)生及污染物對(duì)設(shè)備的影響比較

尿素水解產(chǎn)生的“污染物”是聯(lián)二脲，1、3二-氨基甲酰尿素、氰尿酸等聚合物，這些污染物會(huì)和飛灰一起形成大堵塞，沉積的飛灰和尿素水解產(chǎn)生污染物造成的嚴(yán)重堵塞會(huì)直接影響鍋爐以及SCR的正常運(yùn)行。比如造成SCR壓降增大，引風(fēng)機(jī)出力受限，鍋爐負(fù)荷不可避免的受到限制，更加嚴(yán)重的就是機(jī)組被迫停運(yùn)出力堵塞問題。

尿素?zé)峤夥椒ㄔ瓌t上不會(huì)產(chǎn)生造成SCR設(shè)備堵塞的“污染物”。

（3）尿素水解存在的問題

1）腐蝕問題。氨溶液造成水解反應(yīng)器的腐蝕。由于水解反應(yīng)器是高壓設(shè)備，容器內(nèi)又儲(chǔ)存著危險(xiǎn)的物品氨氣，腐蝕造成的泄露是一個(gè)嚴(yán)重的安全隱患。

2）運(yùn)行問題。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生意外停運(yùn)時(shí)，尿素水解系統(tǒng)必須由冷態(tài)啟動(dòng)，每次冷態(tài)啟動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，在此期間，SCR系統(tǒng)就無法投入運(yùn)行。運(yùn)行中對(duì)NOx濃度變化的時(shí)間較長(zhǎng)，約5～15 min。

因此，尿素?zé)峤饧夹g(shù)比水解技術(shù)具有一定的優(yōu)越性，尤其是響應(yīng)時(shí)間和腐蝕方面的可靠性更高，且不易造成系統(tǒng)腐蝕而引起泄漏氨氣，在安全性方面對(duì)于尿素水解制氨來說應(yīng)該是更勝一籌。

3 尿素?zé)峤夥桨副容^

目前工程上較為常規(guī)的尿素?zé)峤夥ㄊ遣捎缅仩t的熱一次風(fēng)作為熱解風(fēng)源。但即使采用熱一次風(fēng)（300℃左右），也達(dá)不到尿素?zé)峤獾臏囟龋?00℃左右）要求，因此在熱一次風(fēng)離開空預(yù)器后，仍需對(duì)熱一次風(fēng)進(jìn)行第二次加熱，其常規(guī)的手段主要有兩種：一是通過電加熱器進(jìn)行加熱，二是通過燃燒燃油進(jìn)行加熱。采用電加熱器因?yàn)橄到y(tǒng)較為簡(jiǎn)單而應(yīng)用得較多。但是此二者都具有能耗過大、運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)。以1000 MW機(jī)組為例，其電加熱的功率大約在1200 kW～1500 kW，長(zhǎng)期運(yùn)行，其運(yùn)行費(fèi)用不可小視，另外，采用熱一次風(fēng)還受到因空預(yù)器漏風(fēng)而帶來煙塵問題。采用氣-氣管式換熱器加熱冷（熱）一次風(fēng)的方式相比于電加熱及燃燒燃油加熱能夠最大限度的降低能耗過大、運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)（技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析見表1和表2）。

4 脫銷系統(tǒng)尿素?zé)犸L(fēng)熱解技術(shù)方案

采用管式換熱器對(duì)冷（熱）一次風(fēng)進(jìn)行加熱，其原理是根據(jù)冷（熱）一次風(fēng)自身的壓力，將冷（熱）一次風(fēng)送達(dá)到鍋爐低過區(qū)域，在鍋爐低過區(qū)域布置若干的蛇形管道，將冷（熱）一次風(fēng)加熱到尿素?zé)峤馑枰臏囟龋瑹嵋淮物L(fēng)再離開鍋爐區(qū)域，到達(dá)尿素?zé)峤庋b置，對(duì)尿素溶液實(shí)施熱解產(chǎn)生氨氣。將鍋爐與脫硝作為一個(gè)整體考慮，通過相關(guān)的計(jì)算、研究以及管式換熱器合理的位置布局，對(duì)鍋爐不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

（1）系統(tǒng)流程及原理

爐內(nèi)煙氣加熱冷（熱）一次風(fēng)方案的實(shí)施工藝流程如圖1。

圖1 氣-氣管式換熱器熱解工藝流程圖

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析比較

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析比較

尿素?zé)峤饪諝夤艿?1接引空氣預(yù)熱器3的冷（熱）一次風(fēng)（溫度0-350℃、壓力10 kPa左右 ），經(jīng)過氣-氣管式換熱器入口管道22進(jìn)入氣-氣管式換熱器23，通過鍋爐煙氣11加熱，氣-氣管式換熱器23內(nèi)的空氣被加熱到與煙氣溫度相當(dāng)?shù)臏囟龋訜岷蟮目諝饨?jīng)由氣-氣管式換熱器出口管道25、尿素?zé)峤夥磻?yīng)器入口管道26進(jìn)入尿素?zé)峤夥磻?yīng)器4，在尿素?zé)峤夥磻?yīng)器4內(nèi)，尿素溶液被熱解生成氨氣混合氣體，氨氣混合氣體通過尿素溶液熱解產(chǎn)物管道41進(jìn)入脫硝反應(yīng)裝置5進(jìn)行脫硝。

氣-氣管式換熱器23布置于鍋爐省煤器13上游的如低溫過熱器或低溫再熱器等煙氣溫度600℃-900℃的煙氣區(qū)域12內(nèi)。氣-氣管式換熱器23設(shè)置旁路管道24，部分空氣不經(jīng)過氣-氣管式換熱器直接由旁路管道24進(jìn)入尿素?zé)峤夥磻?yīng)器入口管道26，與氣-氣管式換熱器出口管道25的加熱后的空氣混合后進(jìn)入尿素?zé)峤夥磻?yīng)器4。在尿素?zé)峤饪諝夤艿?1、氣-氣管式換熱器入口管道22、旁路管道24上分別設(shè)置可調(diào)節(jié)風(fēng)門211、221、241。

尿素?zé)峤夥磻?yīng)器入口管道26設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)27，用于檢測(cè)進(jìn)入尿素?zé)峤夥磻?yīng)器4的熱解空氣溫度和連鎖控制。當(dāng)進(jìn)入尿素?zé)峤夥磻?yīng)器4的熱解空氣溫度超過或低于設(shè)定溫度（如650℃），可通過減小（或增大）氣-氣管式換熱器入口管道22上的可調(diào)節(jié)風(fēng)門221開度、并增大（或減小）旁路管道24上的可調(diào)節(jié)風(fēng)門241的開度，通過摻混加熱空氣比例，使熱解空氣溫度達(dá)到設(shè)定溫度。尿素?zé)峤饪諝夤艿?1上的可調(diào)節(jié)風(fēng)門211用于調(diào)節(jié)尿素?zé)峤怆S鍋爐負(fù)荷變化所需要的總的一次風(fēng)量和熱源。

由于冷一次風(fēng)較熱一次風(fēng)壓力更高，且熱一次風(fēng)含有飛灰等雜質(zhì)，冷一次風(fēng)相較于熱一次風(fēng)更為純凈，尿素?zé)峤饪諝鈿庠礀|鍋推薦采用冷一次風(fēng)。

當(dāng)尿素?zé)峤饪諝獠皇且拥膲毫?0 kPa左右的冷（熱）一次風(fēng)時(shí)，可增設(shè)風(fēng)機(jī)以達(dá)到尿素?zé)峤庀到y(tǒng)所需要的壓力。

（2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

氣-氣換熱器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 氣-氣換熱器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表（BMCR 工況）

對(duì)于鍋爐低負(fù)荷時(shí)，由于整體溫度水平降低，熱風(fēng)溫度和煙氣溫度均有所降低，通過調(diào)節(jié)旁路風(fēng)量，達(dá)到提高系統(tǒng)出口溫度。另，由于低負(fù)荷時(shí)，相應(yīng)的還原劑消耗量減小，需要的熱源減小，系統(tǒng)出口溫度也相應(yīng)減小。

本工程氣-氣管式換熱器計(jì)算結(jié)果匯總于表4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，采用氣-氣 管式換熱器，對(duì)鍋爐整體結(jié)構(gòu)及 性能影響很小，基本可以忽略不計(jì)。

綜上所述，采用管式換熱器或采用管式換熱器+電加熱器的方式加熱冷一次風(fēng)，然后利用熱一次風(fēng)進(jìn)行尿素?zé)峤獾姆桨甘强尚械模诠こ躺鲜强梢詫?shí)施的。并且通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較后發(fā)現(xiàn)，在技術(shù)是可以完全代替電熱器加熱熱解風(fēng)的傳統(tǒng)做法，并不會(huì)對(duì)鍋爐造成任何負(fù)面影響。另外在運(yùn)行費(fèi)用管式換熱器方案也大大低于電加熱器方案。因此，采用管式換熱器方案不僅能夠?yàn)橛脩艚档瓦\(yùn)行成本，在技術(shù)上也完全能夠滿足工程的實(shí)際需要。

表4 氣-氣管式換熱器計(jì)算結(jié)果匯總