尿素煙道熱解制氨技術在火力發電廠脫硝工程中的應用

寇曉光

摘 要：根據火力發電廠大氣污染物排放標準，為達到火力發電廠脫硝超低排放標準，對火力發電廠脫硝系統進行升級改造，尿素煙道熱解制氨技術作為尿素熱解制氨的新技術，在火力發電廠中得到成功應用。

關鍵詞：脫硝；尿素；煙道熱解；制氨；節能

引言

隨著國家環保政策的日趨嚴格，新頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》也在排放總量和排放濃度兩方面提出更高的要求，針對當前傳統尿素熱解制氨技術電量消耗過大的技術弊端而開發的“尿素煙道熱解技術”在火力發電廠已取得良好節能效果。

1、尿素煙道熱解制氨技術的原理

在320℃時，尿素，縮二脲和三聚氰胺全部分解，快速加熱將完全分解為氨氣和二氧化碳。

尿素制氨技術作為脫硝還原劑，安全可靠。尿素熱解的化學反應式為：

CO（NH2）2= NH3 + HNCO （1）

HNCO + H2O = NH3 + CO2 （2）

煙道內尿素溶液熱解系統，在達到相同的脫硝效果的同時，無需建立單獨的尿素溶液熱解系統，同時無需外加燃料對尿素溶液加熱，利用煙氣的熱量使尿素溶液轉化為氨氣作為SCR反應的還原劑，減少了投資成本，節約了能源消耗，降低運行成本。該系統實現了安全、節能、經濟的脫硝反應過程。

2、尿素煙道熱解制氨技術的特點

與傳統尿素熱解制氨工藝相比，可利用鍋爐煙氣熱量對尿素溶液進行加熱分解，節省大量電耗。取消電加熱器、絕熱分解室設備，大大簡化了系統設備，大幅降低運行費用。

尿素煙道熱解技術，將尿素溶液直接噴射到SCR反應器入口煙道內，利用鍋爐煙氣的熱量對尿素溶液進行加熱分解，消除了傳統尿素熱解技術消耗大量高品質能源（電）的弊端。

取消用于尿素熱解的鍋爐一次熱風的消耗；替代原有爐外熱解制氨系統的爐區設備（電加熱器、熱解爐、熱風管道系統），大大簡化了系統設備。

以1025 t/h鍋爐脫硝系統為例，如采用傳統的爐外尿素熱解制氨技術，尿素需利用電能加熱熱風并在熱解爐中完成熱解，單臺機組采用電加熱消耗電能580kW，年運行按照8000小時計算，每千瓦0.4元。采用尿素煙道熱解制氨原理的SCR系統，取消電加熱器后，每年每臺機組節省約185萬元。并減少尿素熱解熱風消耗量4300m3/h，尿素消耗量基本保持不變。

3、尿素煙道熱解制氨技術的關鍵

在SCR反應器兩側入口煙道上進行開孔，尿素溶液通過噴槍直接在鍋爐高溫煙氣中加熱分解制氨。增設計量分配裝置2套，分別布置在SCR反應器入口兩側附近的平臺上。新系統尿素溶液從原有計量分配器前母管接入，采用獨立的電源和控制系統，不影響原系統的切換運行，不占用原系統IO模板。保留原系統，新熱解系統與原系統不交叉，可隨時方便的進行系統切換操作，新系統的供氨氣能力不能小于原系統的供氨能力，不能降低原SCR的各性能參數指標。

尿素煙道熱解制氨技術SCR煙氣脫硝工藝系統，包括以下步驟：在還原劑制備系統中，將尿素顆粒溶解成一定質量濃度的尿素溶液，通過尿素溶液供給裝置輸送到爐區的計量及分配裝置，尿素溶液經過計量和分配后送到布置在SCR反應器上游煙道的噴射裝置，在SCR反應器前的煙道內煙氣與尿素溶液噴射裝置噴出的尿素溶液液滴混合，混合之后煙氣的熱量加熱尿素溶液液滴，并使其逐步蒸發、分解，將尿素分解為分解成NH3、H2O、CO2。隨后，煙氣、水蒸氣、氨氣等混合氣體進入依次經過布置在鍋爐煙道內的氨氣/煙氣混合器、煙氣導流板、整流格柵，使得煙氣和氨氣混合更加充分，氣流更加平穩均勻，然后進入SCR反應器，混合氣體在SCR反應器里面催化劑的作用下有選擇性地將煙氣中的氮氧化物還原生成生氮氣和水來減少氮氧化物排放。

尿素溶液噴射裝置布置在煙氣溫度大于320℃的SCR反應器上游煙道內，當SCR反應器上游煙道內煙氣溫度低于320℃時，停止噴射尿素溶液。

尿素溶液噴出后，鍋爐SCR反應器上游煙道內的煙氣對尿素溶液直接進行加熱，尿素溶液分解成NH3、H2O、CO2。

煙氣和尿素溶液分解后的氣體混合物一起進入SCR反應器，煙氣中NOx在SCR反應器中催化劑的作用下有選擇性地發生還原反應，生成生氮氣和水。

4、尿素煙道熱解技術的工程案例

某鍋爐為雙鍋筒自然循環低壓鍋爐，該鍋爐裝有新型分層加煤斗及順轉的橫梁爐排燃燒設備，單側傳動。鍋爐為雙鍋筒橫向布置自然循環鍋爐，鋼架固定式結構，爐膛前部布置分層煤斗。 爐膛內四周布滿水冷壁管，后部水冷壁在爐膛出口處形成凝渣管，鍋爐尾部布置一級 鋼管式省煤器和一級空氣預熱器。鍋爐除爐膛兩側采用重型爐墻外，均用磚砌輕型護 板爐墻。除渣采用的是馬丁出渣機。

鍋爐外型尺寸如下（mm）：

上鍋筒中心標高 15000mm

鍋爐運轉層平臺標高 7000mm

鍋爐深度（ZZ～Z4 之間中心距） 13445mm

鍋爐寬度（左，右柱中心距離） 10950mm

為了與鍋爐運行匹配，尿素熱解制氨脫硝裝置必須保證在鍋爐負荷波動時應有良好的適應特性。脫硝裝置須滿足如下運行特性：

應能適應鍋爐 50%BMCR工況和110%BMCR工況之間的任何負荷，并能適應鍋 爐的負荷變化和鍋爐啟停次數的要求。裝置和所有輔助設備應能投入運行而對鍋爐負荷和鍋爐運行方式不能有任何干擾。而且脫硝裝置必須能夠在煙氣排放濃度為最小值和最大值之間任何點運行。

脫硝裝置采用尿素煙道熱解法制備氨氣。尿素煙道熱解法制氨系統包括卸料給料裝置、尿素溶解罐、尿素溶液輸送泵、尿素溶液儲罐、高流量循環模塊、背壓控制閥、計量和分配裝置、噴射器系統等。

尿素儲藏間的袋裝尿素送至溶解罐里。用軟化水將溶解罐內的干尿素溶解成 50%質量濃度的尿素溶液，通過尿素溶液輸送泵輸送到尿素溶液儲罐；尿素溶液經由高流量循環模塊、調節系統、霧化噴嘴霧化后進入鍋爐，生成 SCR 脫硝系統所需的還原劑 NH3，進而在催化劑的作用下達到脫硝效果。

鍋爐最低穩燃負荷20 ～ 100%BMCR負荷；脫硝裝置在投運前，脫硝系統入口煙氣中NOx含量 500mg/Nm3；脫硝裝置在投運后，NOx 脫除率不小于90%，NOx 出 口排放濃度不大于50mg/Nm3；氨的逃逸率小于 3ppm；脫硝系統的可用率在整個壽命期內不低于 95%。

脫硝裝置應能快速啟動投入，在負荷調整時有良好的適應性，在各種運行工況下能可靠和穩定地連續運行。整套設備于2016年投運至今，系統運行安全可靠，可達到火力發電廠超低排放標準，并對鍋爐受熱面（包括水冷壁/過熱器、再熱器、省煤器、空預器等）無不利影響。

5結論

尿素煙道熱解制氨技術作為火力發電廠脫硝系統的核心技術，與傳統尿素熱解制氨工藝相比，可利用鍋爐煙氣熱量對尿素溶液進行加熱分解，節省大量電耗。取消電加熱器、絕熱分解室設備，大大簡化了系統設備，大幅降低運行費用。而且在實際運行維護中，維護量小，設備投運率高，自動化程度高，提高勞動生產率。

尿素煙道熱解制氨技術可以使尿素制氨技術在保持原有的技術性能情況下，工程造價和運行費用大幅下降。所以尿素煙道熱解制氨技術在目前的火力發電廠脫硝行業中逐步的被接受使用。