SCR煙氣脫硝系統還原劑制備技術比較

唐小亮，何 川，呂 薇

(江蘇國信高郵熱電有限責任公司，江蘇 揚州 225600)

1 引言

截至2019年底，全國發電機組裝機容量201066萬kW，其中，火電機組裝機容量119055萬kW，占總裝機容量的59.2%[1]?；痣姍C組中95%以上采用SCR法脫硝，常用的還原劑制備工藝包括液氨氣化法、尿素水解法、尿素熱解法等3種工藝[2]。

《危險化學品重大危險源辨識》(GB 18218-2018)中規定，氨的貯存量超過10 t即為重大危險源[3]。《國家能源局綜合司關于切實加強電力行業危險化學品安全綜合治理工作的緊急通知》(國能綜函安全〔2019〕132號)中要求積極開展液氨罐區重大危險源治理，加快推進尿素替代升級改造進度，新建燃煤發電項目應當采用沒有重大危險源的技術路線[4]。用尿素替代液氨及氨水，消除液氨及氨水運輸和儲存過程中安全風險，已成為電廠脫硝系統還原劑制備的主流技術。

本文詳細介紹了尿素水解法、尿素熱解法對應的五種制氨工藝的反應機理、工藝特點和優缺點，對比分析了5種工藝的主要技術指標和安全經濟性，以期為電廠SCR脫硝系統還原劑制備技術的選擇提供一些參考。

2 主要技術現狀

2.1 尿素熱解法

尿素熱解法的化學反應方程式為：

CO(NH2)2→ NH3+HNCO

HNCO+H2O → NH3+CO2

綜合反應：

CO(NH2)2+H2O=CO2↑+ 2NH3↑

2.1.1 傳統熱解法

尿素顆粒用除鹽水配制成質量濃度為40%～55%的尿素溶液，通過給料泵輸送至尿素溶液儲罐；后經霧化噴嘴等進入熱解爐，在350～650 ℃分解生成NH3和CO2，分解產物經氨噴射系統進入SCR系統。

優點：10 s響應，反應快。

缺點：①尿素轉化率低(70%左右)；②不完全熱解產生的副產物在尾部易形成沉積，造成熱解爐停運，影響脫硝裝置的可靠性；③不完全熱解產生的副產物會引起催化劑中毒和失效；④不能多機組共用；⑤反應溫度高，多采用電加熱，能耗高，運行費用高[5]。

2.1.2 高溫換熱器熱解法

高溫換熱器熱解法由傳統熱解法改進而來，利用鍋爐高溫煙氣作為尿素熱解爐熱源，顯著降低了運行能耗。通過“煙氣-空氣換熱器系統”加熱一次熱風以滿足尿素熱解的需要，保證運行中熱解爐出口溫度不低于350 ℃，升溫后的一次風進入熱解爐對尿素溶液進行熱解[6]。

高溫換熱器熱解法包括外置式和內置式兩種。外置式由于占地大、成本高、對鍋爐構架設計影響較大、煙氣流速高、磨損大，環保性能差等因素，應用極少。內置式克服了外置式的一些缺點，技術方案簡單，對鍋爐的影響較小，易于實施，節能效果顯著，能夠滿足尿素熱解制氨系統安全穩定運行的需要，但在拓寬適用符合范圍方面仍有優化空間[7]。

2.1.3 高溫煙氣旁路直噴熱解法

將尿素溶液霧化成細小的顆粒直接噴入旁路煙道，利用高溫煙氣將尿素熱分解生成NH3和CO2。

優點：相較于其它熱解法，工藝系統簡單、投資較省，能夠較快響應脫硝系統日常運行和啟動需要。

缺點：①負荷變化對尿素利用率影響較大，尿素利用率較低，造成氨逃逸增加；②存在噴槍磨損、堵塞，擋板積灰卡澀問題；③需要足夠空間安裝旁路煙道，鍋爐為封閉形式時，施工難度加大。

2.2 尿素水解法

2.2.1 普通水解法

普通水解法的化學反應方程式為：

CO(NH2)2+H2O=NH2COONH4

NH2COONH4=2NH3↑+CO2↑

綜合反應：

CO(NH2)2+H2O=CO2↑+2NH3↑

尿素顆粒用除鹽水配制成質量濃度為40%～60%的尿素溶液輸送至尿素水解反應器內，飽和蒸汽通過水解反應器盤管對尿素溶液進行加熱。氣液兩相平衡體系的壓力約為0.4～0.6 MPa，溫度約為145～160 ℃[8]。

優點：①能耗較低；②尿素利用率高；③產生的氨氣純度高。

缺點：①反應壓力高；②制氨響應速度慢，無法滿足機組快速變負荷時的供氨需要；③腐蝕嚴重；④通過增大反應器體積可以增加氨氣緩存量、提高反應溫度可以提高反應速度，但進一步加劇了腐蝕、降低了尿素利用率、增加了占地面積。

2.2.2 催化水解法

催化水解法的化學反應方程式為：

CO(NH2)2+催化劑+H2O→中間產物+CO2↑

中間產物→2NH3↑+催化劑

綜合反應：CO(NH2)2+H2O=CO2↑+2NH3↑

尿素的水解反應為吸熱反應，催化劑裝在水解反應器內，可循環使用，主要作用是通過改變反應路徑，顯著降低反應的活化能，使反應更加容易進行，大大加快反應速率，降低響應時間，尿素轉化率可達99.0%以上。氣液兩相平衡體系的壓力約為0.35～0.55 MPa，溫度約為130～140 ℃。

優點：①在普通水解技術的基礎上，大幅度提高反應速度、有效降低腐蝕速率、減小體積、降低能耗、提高尿素利用率；②進一步提高了電廠煙氣脫硝的控制品質和整個尾部受熱面的運行可靠性；③能夠滿足快變負荷和脫硝快速控制要求。

缺點：反應壓力較高。

3 不同工藝比較

5種制氨技術的工藝參數、經濟與安全性比較如表1所示。

表1 5種制氨技術比較

由表1可以得出結論如下。

(1)五種制氨技術的尿素車間均需要尿素顆粒儲存、尿素溶液配制、溶液儲存及輸送等環節。高溫煙氣旁路直噴熱解法利用旁路煙道代替熱解爐，同時還省去了噴氨格柵和伴熱設備，工藝系統最簡單，投資最省。

(2)尿素熱解后分解出的異氰酸在熱解室中難以再分解為氨氣，因此，熱解法的尿素轉化率較水解法低，也是熱解爐結垢的原因。水解法雜質留在液相中，通過排污口排出，分解生成的氨氣較純凈。

(3)傳統熱解法和高溫換熱器熱解法運行溫度較高，為了保證物料場和溫度場的均勻分布，其反應能耗不能隨著鍋爐負荷(需氨量)的降低而降低，運行成本較高。高溫煙氣旁路直噴熱解法克服了傳統熱解法能耗高的不足，運行成本低于常規熱解法。水解法所需熱量靠輔助蒸汽加熱，運行成本相對較低。

(4)熱解法分解速度較快，系統的響應時間為10 s左右；普通水解法制氨響應速度慢，響應時間為1～2 min；催化水解法反應速度比普通水解提高9倍以上，10 s響應，能夠滿足快速變負荷和脫硝快速控制要求。

(5)熱解法只能單元制配置，水解法多采用母管制，可多機組公用，多機組時采用尿素水解技術更具有投資優勢。

4 結語與展望

五種制氨技術各有特點，基本都能夠滿足SCR煙氣脫硝系統還原劑供應要求。傳統熱解法和高溫換熱器熱解法由于能耗高、故障率高，正逐漸被高溫煙氣旁路直噴熱解法和尿素水解法取代。從技術、經濟及安全角度綜合考慮，催化水解法和高溫煙氣旁路直噴熱解法綜合性能最優，具有廣闊的應用前景。