電站尿素?zé)峤夂退庵瓢惫に囇芯?/h1>
2018-01-03 12:34:50趙瑞敏
山東工業(yè)技術(shù) 2018年24期
趙瑞敏
摘 要：本文對脫硝還原劑的選擇進行了比較，從目前的環(huán)保政策和安全性的考慮，本文重點論述了尿素?zé)峤夤に嚭湍蛩厮夤に嚕煞N工藝做了技術(shù)性和經(jīng)濟性的比較。
關(guān)鍵詞：SCR煙氣脫硝；還原劑；尿素?zé)峤猓荒蛩厮?/p>
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.177
0 前言
國內(nèi)某2×1000MW超超臨界機組工程，鍋爐采用超超臨界參數(shù)一次再熱鍋爐，BMCR蒸發(fā)量2×3182 t/h，鍋爐采用低氮燃燒器，控制鍋爐出口煙氣中NOx濃度小于180mg/Nm3，脫硝工藝采用選擇性催化還原法（SCR），脫硝裝置入口NOx濃度按300mg/Nm3設(shè)計，脫硝催化劑按2+1層配置，脫硝效率按87%考慮。本文對尿素?zé)峤夤に嚭湍蛩厮夤に噺募夹g(shù)、經(jīng)濟性兩方面進行分析比較。
1 煙氣脫硝還原劑
脫硝用還原劑一般有液氨、氨水和尿素三種。
（1）通過分解尿素來制取氨氣的工藝為尿素制氨工藝。尿素制取氨氣有兩種工藝：熱解工藝和水解工藝。熱解工藝是直接快速加熱霧化后的尿素溶液進行分解。水解工藝是將尿素以水溶液的形式加以分解。目前熱解工藝和水解工藝均有較多應(yīng)用。
（2）液氨制氨工藝：是通過蒸汽加熱直接把液態(tài)氨轉(zhuǎn)化成氨氣。
（3）氨水制氨工藝：是通過加熱裝置將質(zhì)量濃度25%的氨水溶液蒸發(fā)，產(chǎn)生氨氣和水蒸汽。
三種還原劑制同等量氨時的耗量關(guān)系為：
液氨∶氨水（25%濃度）：尿素=1∶4∶1.83。
三種工藝比較見表1。
上述三種還原劑制氨工藝：液氨方案投資和運行成本最低，但其通常是危險源，對安全性要求非常高。氨水方案通常在有較為便宜的來源或作為化工廢棄物綜合利用時考慮，且其需要消耗大量熱能用來蒸發(fā)其中的水。尿素制氨的方法最安全，但其投資和運行費用較高。目前有運行業(yè)績的煙氣脫硝的還原劑主要為液氨和尿素。隨著相關(guān)部門對安全性不斷的重視，本文重點對兩種尿素制氨工藝進行論述。
2 尿素?zé)峤饧夹g(shù)
尿素?zé)峤饧夹g(shù)是將尿素溶液噴入高溫?zé)峤鉅t內(nèi)，在熱解爐內(nèi)熱空氣作用下完成熱解產(chǎn)生氨氣和二氧化碳。熱解爐的熱源可電加熱器或高溫?zé)煔饧訜峥諝獾男问綄?dǎo)入。整個工藝過程需要監(jiān)測壓力、流量及溫度以滿足SCR脫硝裝置的要求，其中NH3的濃度控制在5%以下。
2.1 工藝流程
尿素?zé)峤夤に囍饕蛩貎Υ婕叭芤褐苽湎到y(tǒng)、尿素溶液輸送泵、計量分配裝置、尿素?zé)峤鉅t及噴槍、控制系統(tǒng)等。
袋裝尿素顆粒儲存于尿素堆料間內(nèi)，破袋后尿素顆粒與除鹽水一同送入尿素溶解箱內(nèi)，配置成質(zhì)量濃度50%的尿素溶液，合格的尿素溶液通過混合泵送至尿素溶液儲罐。尿素溶液儲罐儲存的尿素溶液通過尿素溶液輸送泵，并經(jīng)計量分配裝置送入熱解爐內(nèi)，與被加熱到600℃以上的空氣混合熱解，生成NH3、H2O和CO2。
熱解工藝尿素制氨需要一定的熱源，通常做法是將鍋爐空氣預(yù)熱器溫度約300℃的熱一次風(fēng)，再通過電加熱器加熱到550℃～600℃。這種方式能源消耗大，長期運行不經(jīng)濟。而采用爐內(nèi)氣氣換熱器能很好的解決熱解加熱的方式，同時降低電耗，是一種比較節(jié)能的熱解方案。
2.2 氣氣換熱器方案
常規(guī)的尿素?zé)峤饧夹g(shù)采用電加熱器方案，系統(tǒng)能耗過大、運行成本較高。百萬機組單臺電加熱器功率約1200kW，如按電價0.35元、年利用5000小時計，則兩臺機組年運行費用將高達420萬元。
為進一步節(jié)能減排，滿足市場需求，尿素?zé)峤鈿鈿鈸Q熱器技術(shù)方案最大限度降低了尿素?zé)峤獾哪芰肯模行Ы档土穗姀S運行成本。該技術(shù)已在國內(nèi)電廠上有應(yīng)用。
2.2.1 氣氣換熱器原理及工藝流程
在鍋爐的低溫過熱器或低溫再熱器區(qū)域布置氣氣換熱器管束，將鍋爐冷一次風(fēng)引入管束中，高溫?zé)煔鈱α鹘?jīng)管束的冷風(fēng)進行加熱，使其離開管束時的溫度達到600～650℃尿素?zé)峤馑枰臏囟龋蛩厝芤涸跓峤夥磻?yīng)器中被高溫空氣加熱后完全分解產(chǎn)生氣態(tài)NH3，并噴入脫硝反應(yīng)器煙道中與煙氣混合均勻后進入SCR反應(yīng)器催化劑層參與脫硝還原反應(yīng)。
氣氣換熱器的工藝流程簡圖：
氣氣換熱器管束布置間距以及管壁厚度的選取考慮了煙氣沖刷可能產(chǎn)生的磨損，提高了換熱管的抗磨損能力，滿足氣氣換熱器高溫運行條件。
氣氣換熱器從鍋爐煙氣中吸收熱量，該熱量損失如折算為煤耗量，相當(dāng)于在整個鍋爐機組煤耗量的基礎(chǔ)上僅增加約0.03%，煙氣量的增加也僅0.03%，這對鍋爐整體傳熱的影響非常小，幾乎可以忽略不計。
3 尿素水解技術(shù)
尿素溶液通過溶液輸送泵送到水解反應(yīng)器中，通過與蒸汽熱交換將溶液加熱至反應(yīng)溫度從而生成氨氣。
該工藝的主要原理是利用尿素溶液在高溫、高壓條件下（約160℃）分解，另一方面通過高壓控制水汽化，將水中殘留的氨氣等氣體解吸出來。
水解產(chǎn)物成分如下表水解產(chǎn)物成分：
注：從安全考慮，為將水解反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣濃度稀釋至5%體積濃度以下，水解工藝通常須設(shè)置稀釋風(fēng)。
3.1 主要工藝流程
尿素水解制氨工藝主要包含：尿素儲存及溶液制備系統(tǒng)、尿素水解反應(yīng)器撬塊、蒸汽加熱系統(tǒng)、計量供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。
水解工藝尿素溶液制備、儲存系統(tǒng)與熱解工藝相同。約40～60%濃度的尿素溶液被輸送至水解反應(yīng)器內(nèi)，水解反應(yīng)器中設(shè)置有蒸汽盤管，通過蒸汽將尿素溶液加熱到水解反應(yīng)的溫度區(qū)間。在水解反應(yīng)器中嚴格控制溫度、壓力、溶液停留時間，尿素在一定條件下被分解成氨和二氧化碳。氨、二氧化碳和水蒸氣從水解反應(yīng)器頂部排出，分解產(chǎn)物與稀釋空氣混合均勻并噴入煙氣脫硝系統(tǒng)。根據(jù)SCR系統(tǒng)對于氨的需求量，控制進入尿素水解反應(yīng)器的尿素溶液流量。具體工藝流程見下圖所示：
該系統(tǒng)的主要缺點是腐蝕性強和管道堵塞：
尿素水解過程中可能會產(chǎn)生少量的氨基甲酸銨，氨基甲酸銨的腐蝕性較強，會破壞304不銹鋼表面氧化膜，使腐蝕速度加快。因此，水解反應(yīng)器設(shè)備及管道通常選用316L材質(zhì)。此外為避免水解反應(yīng)器被腐蝕，應(yīng)嚴格控制水解反應(yīng)器的反應(yīng)溫度。
尿素溶液受熱容易生成縮二脲及三聚氰胺等，會造成管道堵塞。因此，尿素溶液濃度建議控制在50%以下，在系統(tǒng)停運時要及時清洗管路。
此外，尿素水解工藝通常采用熱一次風(fēng)，熱一次風(fēng)理論上是不含塵的，但實際由于空預(yù)器存在漏風(fēng)的原因，熱一次風(fēng)都會有含塵情況，長期運行后會是噴氨格柵母管和支管等出現(xiàn)嚴重的堵灰現(xiàn)象。
4 尿素?zé)峤夤に嚭退夤に嚨谋容^
4.1 工藝比較
尿素?zé)峤夤に嚺c水解工藝的最大不同點是沒有在額外的壓力和溫度下液相的水解，尿素?zé)峤鉀]有壓力容器中液態(tài)尿素上面的氣態(tài)氨-液態(tài)尿素界面和類氨反應(yīng)劑的儲罐。其對比情況如下：
4.2 尿素?zé)峤夂退獾慕?jīng)濟比較
5 結(jié)論
綜上所述，尿素?zé)峤鈿鈿鈸Q熱器方案初投資成本低，運行費用與尿素水解方案相當(dāng)，系統(tǒng)簡單，故障率低，具有良好的經(jīng)濟效益，可以作為尿素?zé)峤夥桨钢械氖紫确桨浮Ｄ蛩厮夥桨副饶蛩責(zé)峤夥桨竿顿Y費用略高，運行費用與熱解方案相當(dāng)，但其對水解反應(yīng)器的性能和運行控制水平要求較高，安全性要求較高，副產(chǎn)物對設(shè)備管道存在腐蝕和堵塞的問題，從技術(shù)上角度比尿素?zé)峤夥桨干圆钜恍?/p>
參考文獻：
[1]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社.
[2]陳鎮(zhèn)超，楊衛(wèi)娟，周俊虎等.尿素催化水解特性實驗研究[J].中國電機工程學(xué)報，2011，35（06）：41-46.
[3]李可夫，吳少華，李振中等.以尿素為還原劑的SNCR過程的中試試驗研究[J].中國電機工程學(xué)報，2006，21（05）：97-101.
[4]呂洪坤，楊衛(wèi)娟，周俊虎等.尿素溶液高溫?zé)岱纸馓匦缘膶嶒炑芯縖J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（17）：35-40.
[5]楊志忠，葉茂等.一種SCR脫硝還原劑尿素?zé)峤鉄嵩垂┙o裝置[P].實用新型專利號：201320179396.1.
趙瑞敏
摘 要：本文對脫硝還原劑的選擇進行了比較，從目前的環(huán)保政策和安全性的考慮，本文重點論述了尿素?zé)峤夤に嚭湍蛩厮夤に嚕煞N工藝做了技術(shù)性和經(jīng)濟性的比較。
關(guān)鍵詞：SCR煙氣脫硝；還原劑；尿素?zé)峤猓荒蛩厮?/p>
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.177
0 前言
國內(nèi)某2×1000MW超超臨界機組工程，鍋爐采用超超臨界參數(shù)一次再熱鍋爐，BMCR蒸發(fā)量2×3182 t/h，鍋爐采用低氮燃燒器，控制鍋爐出口煙氣中NOx濃度小于180mg/Nm3，脫硝工藝采用選擇性催化還原法（SCR），脫硝裝置入口NOx濃度按300mg/Nm3設(shè)計，脫硝催化劑按2+1層配置，脫硝效率按87%考慮。本文對尿素?zé)峤夤に嚭湍蛩厮夤に噺募夹g(shù)、經(jīng)濟性兩方面進行分析比較。
1 煙氣脫硝還原劑
脫硝用還原劑一般有液氨、氨水和尿素三種。
（1）通過分解尿素來制取氨氣的工藝為尿素制氨工藝。尿素制取氨氣有兩種工藝：熱解工藝和水解工藝。熱解工藝是直接快速加熱霧化后的尿素溶液進行分解。水解工藝是將尿素以水溶液的形式加以分解。目前熱解工藝和水解工藝均有較多應(yīng)用。
（2）液氨制氨工藝：是通過蒸汽加熱直接把液態(tài)氨轉(zhuǎn)化成氨氣。
（3）氨水制氨工藝：是通過加熱裝置將質(zhì)量濃度25%的氨水溶液蒸發(fā)，產(chǎn)生氨氣和水蒸汽。
三種還原劑制同等量氨時的耗量關(guān)系為：
液氨∶氨水（25%濃度）：尿素=1∶4∶1.83。
三種工藝比較見表1。
上述三種還原劑制氨工藝：液氨方案投資和運行成本最低，但其通常是危險源，對安全性要求非常高。氨水方案通常在有較為便宜的來源或作為化工廢棄物綜合利用時考慮，且其需要消耗大量熱能用來蒸發(fā)其中的水。尿素制氨的方法最安全，但其投資和運行費用較高。目前有運行業(yè)績的煙氣脫硝的還原劑主要為液氨和尿素。隨著相關(guān)部門對安全性不斷的重視，本文重點對兩種尿素制氨工藝進行論述。
2 尿素?zé)峤饧夹g(shù)
尿素?zé)峤饧夹g(shù)是將尿素溶液噴入高溫?zé)峤鉅t內(nèi)，在熱解爐內(nèi)熱空氣作用下完成熱解產(chǎn)生氨氣和二氧化碳。熱解爐的熱源可電加熱器或高溫?zé)煔饧訜峥諝獾男问綄?dǎo)入。整個工藝過程需要監(jiān)測壓力、流量及溫度以滿足SCR脫硝裝置的要求，其中NH3的濃度控制在5%以下。
2.1 工藝流程
尿素?zé)峤夤に囍饕蛩貎Υ婕叭芤褐苽湎到y(tǒng)、尿素溶液輸送泵、計量分配裝置、尿素?zé)峤鉅t及噴槍、控制系統(tǒng)等。
袋裝尿素顆粒儲存于尿素堆料間內(nèi)，破袋后尿素顆粒與除鹽水一同送入尿素溶解箱內(nèi)，配置成質(zhì)量濃度50%的尿素溶液，合格的尿素溶液通過混合泵送至尿素溶液儲罐。尿素溶液儲罐儲存的尿素溶液通過尿素溶液輸送泵，并經(jīng)計量分配裝置送入熱解爐內(nèi)，與被加熱到600℃以上的空氣混合熱解，生成NH3、H2O和CO2。
熱解工藝尿素制氨需要一定的熱源，通常做法是將鍋爐空氣預(yù)熱器溫度約300℃的熱一次風(fēng)，再通過電加熱器加熱到550℃～600℃。這種方式能源消耗大，長期運行不經(jīng)濟。而采用爐內(nèi)氣氣換熱器能很好的解決熱解加熱的方式，同時降低電耗，是一種比較節(jié)能的熱解方案。
2.2 氣氣換熱器方案
常規(guī)的尿素?zé)峤饧夹g(shù)采用電加熱器方案，系統(tǒng)能耗過大、運行成本較高。百萬機組單臺電加熱器功率約1200kW，如按電價0.35元、年利用5000小時計，則兩臺機組年運行費用將高達420萬元。
為進一步節(jié)能減排，滿足市場需求，尿素?zé)峤鈿鈿鈸Q熱器技術(shù)方案最大限度降低了尿素?zé)峤獾哪芰肯模行Ы档土穗姀S運行成本。該技術(shù)已在國內(nèi)電廠上有應(yīng)用。
2.2.1 氣氣換熱器原理及工藝流程
在鍋爐的低溫過熱器或低溫再熱器區(qū)域布置氣氣換熱器管束，將鍋爐冷一次風(fēng)引入管束中，高溫?zé)煔鈱α鹘?jīng)管束的冷風(fēng)進行加熱，使其離開管束時的溫度達到600～650℃尿素?zé)峤馑枰臏囟龋蛩厝芤涸跓峤夥磻?yīng)器中被高溫空氣加熱后完全分解產(chǎn)生氣態(tài)NH3，并噴入脫硝反應(yīng)器煙道中與煙氣混合均勻后進入SCR反應(yīng)器催化劑層參與脫硝還原反應(yīng)。
氣氣換熱器的工藝流程簡圖：
氣氣換熱器管束布置間距以及管壁厚度的選取考慮了煙氣沖刷可能產(chǎn)生的磨損，提高了換熱管的抗磨損能力，滿足氣氣換熱器高溫運行條件。
氣氣換熱器從鍋爐煙氣中吸收熱量，該熱量損失如折算為煤耗量，相當(dāng)于在整個鍋爐機組煤耗量的基礎(chǔ)上僅增加約0.03%，煙氣量的增加也僅0.03%，這對鍋爐整體傳熱的影響非常小，幾乎可以忽略不計。
3 尿素水解技術(shù)
尿素溶液通過溶液輸送泵送到水解反應(yīng)器中，通過與蒸汽熱交換將溶液加熱至反應(yīng)溫度從而生成氨氣。
該工藝的主要原理是利用尿素溶液在高溫、高壓條件下（約160℃）分解，另一方面通過高壓控制水汽化，將水中殘留的氨氣等氣體解吸出來。
水解產(chǎn)物成分如下表水解產(chǎn)物成分：
注：從安全考慮，為將水解反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣濃度稀釋至5%體積濃度以下，水解工藝通常須設(shè)置稀釋風(fēng)。
3.1 主要工藝流程
尿素水解制氨工藝主要包含：尿素儲存及溶液制備系統(tǒng)、尿素水解反應(yīng)器撬塊、蒸汽加熱系統(tǒng)、計量供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。
水解工藝尿素溶液制備、儲存系統(tǒng)與熱解工藝相同。約40～60%濃度的尿素溶液被輸送至水解反應(yīng)器內(nèi)，水解反應(yīng)器中設(shè)置有蒸汽盤管，通過蒸汽將尿素溶液加熱到水解反應(yīng)的溫度區(qū)間。在水解反應(yīng)器中嚴格控制溫度、壓力、溶液停留時間，尿素在一定條件下被分解成氨和二氧化碳。氨、二氧化碳和水蒸氣從水解反應(yīng)器頂部排出，分解產(chǎn)物與稀釋空氣混合均勻并噴入煙氣脫硝系統(tǒng)。根據(jù)SCR系統(tǒng)對于氨的需求量，控制進入尿素水解反應(yīng)器的尿素溶液流量。具體工藝流程見下圖所示：
該系統(tǒng)的主要缺點是腐蝕性強和管道堵塞：
尿素水解過程中可能會產(chǎn)生少量的氨基甲酸銨，氨基甲酸銨的腐蝕性較強，會破壞304不銹鋼表面氧化膜，使腐蝕速度加快。因此，水解反應(yīng)器設(shè)備及管道通常選用316L材質(zhì)。此外為避免水解反應(yīng)器被腐蝕，應(yīng)嚴格控制水解反應(yīng)器的反應(yīng)溫度。
尿素溶液受熱容易生成縮二脲及三聚氰胺等，會造成管道堵塞。因此，尿素溶液濃度建議控制在50%以下，在系統(tǒng)停運時要及時清洗管路。
此外，尿素水解工藝通常采用熱一次風(fēng)，熱一次風(fēng)理論上是不含塵的，但實際由于空預(yù)器存在漏風(fēng)的原因，熱一次風(fēng)都會有含塵情況，長期運行后會是噴氨格柵母管和支管等出現(xiàn)嚴重的堵灰現(xiàn)象。
4 尿素?zé)峤夤に嚭退夤に嚨谋容^
4.1 工藝比較
尿素?zé)峤夤に嚺c水解工藝的最大不同點是沒有在額外的壓力和溫度下液相的水解，尿素?zé)峤鉀]有壓力容器中液態(tài)尿素上面的氣態(tài)氨-液態(tài)尿素界面和類氨反應(yīng)劑的儲罐。其對比情況如下：
4.2 尿素?zé)峤夂退獾慕?jīng)濟比較
5 結(jié)論
綜上所述，尿素?zé)峤鈿鈿鈸Q熱器方案初投資成本低，運行費用與尿素水解方案相當(dāng)，系統(tǒng)簡單，故障率低，具有良好的經(jīng)濟效益，可以作為尿素?zé)峤夥桨钢械氖紫确桨浮Ｄ蛩厮夥桨副饶蛩責(zé)峤夥桨竿顿Y費用略高，運行費用與熱解方案相當(dāng)，但其對水解反應(yīng)器的性能和運行控制水平要求較高，安全性要求較高，副產(chǎn)物對設(shè)備管道存在腐蝕和堵塞的問題，從技術(shù)上角度比尿素?zé)峤夥桨干圆钜恍?/p>
參考文獻：
[1]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社.
[2]陳鎮(zhèn)超，楊衛(wèi)娟，周俊虎等.尿素催化水解特性實驗研究[J].中國電機工程學(xué)報，2011，35（06）：41-46.
[3]李可夫，吳少華，李振中等.以尿素為還原劑的SNCR過程的中試試驗研究[J].中國電機工程學(xué)報，2006，21（05）：97-101.
[4]呂洪坤，楊衛(wèi)娟，周俊虎等.尿素溶液高溫?zé)岱纸馓匦缘膶嶒炑芯縖J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（17）：35-40.
[5]楊志忠，葉茂等.一種SCR脫硝還原劑尿素?zé)峤鉄嵩垂┙o裝置[P].實用新型專利號：201320179396.1.
