技術前沿

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尿素制氨新技術在煙氣脫硫脫硝中的應用

隨著經濟的快速發展,以煤為主的能源結構使得我國燃煤煙氣的排放量大大增加,SO2和氮氧化物污染日益嚴重,并由此形成酸雨、霧霾等一系列環境問題。長期以來煙氣凈化技術主要集中在除塵和脫硫方面,但隨著人們對氮氧化物危害的逐步認識,脫除氮氧化物已成為當前緊迫的任務。當前國家對氮氧化物的排放要求越來越嚴,國內脫硝市場正在全面啟動。

煙氣脫硝需使用大量的氨,其氨來源一般為氨水、液氨、尿素。其中,尿素因易于運輸保存、無毒而被廣泛應用。目前,尿素制氨一般采用水解或熱解的辦法,將尿素分解為氨氣和CO2,氨氣用于脫硫脫硝,CO2放空排放?，F有的尿素水解或熱解制氨技術,只利用了占尿素質量50%的氨,造成了尿素資源的浪費。在減排二氧化硫和氮氧化物的同時,卻增加了CO2的排放,不利于節能減排。而且其用于加熱反應的成本比尿素原料成本還高。以電廠為例,若每天用于脫硝的尿素在15噸左右,將這些尿素熱解制氨需耗用6噸柴油,不僅生產成本高,每天還要排放30噸CO2。此外尿素熱解不完全時還會產生沉淀,容易引起管道和設備堵塞導致系統停車。

針對現有脫硝過程中液氨和尿素制氨的缺點,山東大學目前成功開發出用于煙氣脫硝工藝的尿素制氨新技術,使尿素全部轉化成了氨產品并得到了增值。該技術首先將尿素與助熔劑在高溫下進行縮合反應,尿素分子的兩個氨基都轉化為氨氣,反應過程同時得到高附加值的尿素衍生物。由此將煙氣脫硝氨氣的制備過程由一個單純尿素投入的過程,整合為產生氨氣的同時副產出三聚氰酸、縮二脲或縮三脲等高附加值產品尿素衍生物的盈利過程。

傳統尿素熱解制氨技術需要600℃左右的高溫,用燃油加熱或電加熱,耗能較高,運行成本高,并釋放大量CO2。而新技術制氨只需要200℃左右的反應溫度,用蒸汽加熱即可,節約大量能源。該過程既不排放CO2,同時還使尿素中的碳、氧元素得到充分利用,提高了尿素利用率,降低了煙氣脫硝所用氨的成本。

目前,采用尿素制氨新技術的示范裝置已投入運行。應用數據表明,在75t/h和220t/h循環硫化床鍋爐未進行改造的情況下,采用尿素制氨新技術煙氣脫硝后,氮氧化物排放濃度小于80mg/m3,優于國家氮氧化物排放濃度100mg/m3的標準。SO2脫除至45mg/m3,脫除率高達98.87%,能夠滿足國家環保部SO2控制在50mg/m3以下的排放要求。

新技術將脫硝用氨與尿素深加工生產結合起來,極大地提高了對環境的保護,既能滿足脫硝的需要,又能產生很好的經濟效益。尿素反應產生的氨可隨時用來脫硝,解決氨的存放和泄漏等問題,避免了尿素水解和熱解制氨技術中的CO2排放,減少了煙氣脫硝的同時對環境的污染。

與傳統工藝相比,新技術具有三大優勢：一是將尿素全部轉化成了氨產品并實現增值,而傳統尿素制氨中有50%的尿素轉化成了無用的CO2;二是整個反應溫度不到200℃,反應溫度低、能量消耗少,有利于節能減排,而傳統尿素制氨工藝需要600℃的高溫,用燃油加熱或電加熱,消耗大量能源并釋放CO2;三是新技術中產生的氨根據需要定時定量的產生,直接用于脫硫脫硝,且可根據脫硝用氨量隨時進行調節,不用儲存,降低了運輸、儲存和使用液氨所帶來的安全風險,極大地提高了生產裝置運行的穩定性和安全性。

此外,新技術實施起來也非常方便快捷,只需在現有尿素制氨或液氨氣化裝置上建一旁路,安裝上尿素制氨新工藝裝置,不影響現有發電及脫硝裝置的正常運行?，F階段液氨的市場價格為每噸3000元左右,尿素衍生物根據產品不同市場價格分別為每噸3000元和5800元左右。若以一個年耗氨氣的電廠規模初步估算,年消耗尿素14000噸,生產尿素衍生物7500噸。這樣電廠除每年省下購買液氨或尿素的巨額成本外,還可獲得純利潤將近1200萬元。

尿素是一種穩定、無毒的固體物料,作為脫硝用氨的理想來源,對人和環境均無害,可以被散裝運輸并長期儲存。不需要運輸和儲存方面的特殊程序,其使用不會對人員和周圍社區產生不良影響,不存在爆炸危險、毒性危害、重大危險源等因素,而尿素安全距離也大大降低,對運輸道路無特殊要求,安全成本低。因此,國家環評報告一般傾向于尿素方案。尿素制氨新技術在滿足脫硝用氨要求的同時,還可副產高附加值尿素衍生物,將尿素分子中的所有元素充分利用,降低了煙氣脫硫脫硝的成本,有望實現煙氣脫硫脫硝技術升級。尿素在脫硝裝置中作為還原劑廣泛應用,對于尿素生產企業來說,也是走出化肥拓展發展機遇,解決我國尿素產能過剩的問題的有效途徑。由此為化肥企業開辟新的應用市場,并使尿素生產企業有一定的利潤空間,經濟效益顯著。而國內目前開始全面啟動的脫硫脫硝市場,將為尿素生產企業帶來市場發展的新機遇。

(汪家銘)