脫硝尿素熱解系統熱源節能優化改造分析

路曉鋒 李明 張小慶 侯力強

摘 ? 要：尿素熱解制氨工藝是一種較為安全的脫硝還原劑制備方案，該技術以電加熱為熱源進行尿素熱解制氨，在使用過程中由于電加熱功率較大，很多項目都在考慮停用電加熱器，改用其他方式提供尿素熱解過程所需的熱源，文章就目前幾種主流技術進行對比分析。

關鍵詞：選擇性催化還原法;脫硝;尿素熱解;換熱器;節能

1 ? ?脫硝技術概述

目前在眾多的脫硝技術中，選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）和選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR），是應用最為廣泛的兩種技術，其脫硝原理為煙氣中的NOx與NH3反應，生成氮氣和水，化學方程式如下：

NO+ NO2 +2 NH3=2N2+3H2O

4NO+O2 +4 NH3=4N2+6H2O

4NO2+O2 +4 NH3=4N2+6H2O

脫硝還原劑主要來源有氨水、液氨和尿素3種，又以液氨和尿素的應用最為廣泛。由于尿素在運輸、儲存及電廠操作方面具有安全性的優勢，越來越多的火力發電廠選用尿素作為脫硝還原劑。尿素熱解制氨工藝成了煙氣脫硝裝置的核心技術之一。SCR還原劑氨氣可直接來源于液氨，也可通過氨水或者尿素間接制備。在選擇氨氣來源時，不僅要考慮投資和運行成本，還要考慮環保、安全以及系統穩定運行等因素。

2 ? ?SCR煙氣脫硝尿素熱解制氨工藝介紹

尿素熱解制氨工藝流程如圖1所示。尿素熱解法的氨氣間接來源于尿素間接制備，在尿素溶液制備罐中將尿素顆粒與除鹽水配制成40%～50%質量濃度的溶液后，輸送至尿素溶液儲存罐儲存，配制好的尿素溶液通過計量分配模塊將尿素溶液霧化并通過噴頭噴入熱解爐內，熱解爐利用高溫空氣或煙氣作為熱源，將霧化的尿素水溶液迅速分解為氨氣，低濃度的氨氣作為還原劑進入煙道與煙氣混合后進入SCR反應器，在催化劑的作用下將氮氧化物還原成無害的氮氣和水。

尿素熱解反應為：CO（NH2）2=NH3+HNCO（異氰酸）;HNCO+H2O=NH3+CO2。反應條件為：350～650 ℃的空氣或者煙氣。

3 ? ?尿素熱解熱源技術

3.1 ?電加熱熱源工藝

目前工程上常規的尿素熱解法采用鍋爐的熱一次風作為熱源，但即使采用熱一次風（300 ℃左右），也達不到尿素熱解的溫度（450～600 ℃）要求，因此在熱一次風離開空預器后，仍需對熱一次風進行二次加熱。早期是通過燃油加熱系統，通過燃燒燃油進行加熱。另一種是通過電加器進行加熱，因為該系統較為簡便，因此應用得較多。電加熱熱源工藝如圖2所示。

3.2 ?電加熱工藝存在的問題

利用鍋爐高溫熱一次風（280～320 ℃），由于鍋爐使用回轉式預熱器，鍋爐熱一次風中含塵量較高，在熱解爐改用鍋爐熱一次風后，熱解爐及噴氨管線出現了粉塵沉積、堵塞的問題。使用鍋爐熱風作為熱解爐稀釋風，可以降低運行成本，但由于尿素熱解不充分以及熱風攜帶的粉塵均會堵塞噴氨管線。特別是噴氨格柵的噴氨支管堵塞后，會導致SCR噴氨格柵氨氣/煙氣配比失衡，SCR反應器局部氨逃逸率增大，進而引起脫硝效率降低、脫硝物料消耗增加等負面影響。氨逃逸量增加還會使鍋爐煙氣系統硫酸氫銨生成量上升，甚至會造成預熱器堵塞、除塵器電場極板大量粘灰造成電場封閉等后果。加之電加熱器能耗過大（以某電廠 600 MW機組為例，電加熱功率約1 000 kW），運行不穩定，從節能和提高SCR運行安全性的角度，提出對尿素熱解爐熱源進行改造。

4 ? ?尿素熱解熱源改造工藝

4.1 ?煙氣換熱器工藝

引入鍋爐高溫煙氣約700 ℃左右，同時將一次風從原系統引出，兩管路與布置在熱解爐附近的高溫煙氣換熱器連接，在爐外進行熱交換。通過高溫煙氣將一次熱風加熱至熱解爐需要的工藝溫度450～650 ℃，保證熱解爐出口溫度≥350 ℃，從而實現替代電加熱的功能，流程如圖3所示。

煙氣從鍋爐引出來連接至換熱器走管程，從換熱器頂部進，經換熱器后從換熱器底部出，最后接入空預器前脫硝后的煙道。熱一次風從電加熱器前連接至換熱器走換熱器殼程，從換熱器下部側面進，經換熱后從換熱器上部側面出，最終進入熱解爐系統。

4.2 ?高溫煙氣過濾工藝

引用高溫煙氣加熱脫硝尿素的熱解系統，原理是將高溫煙氣引至熱解爐中，滿足尿素熱解反應熱量的要求，進而取消原熱解系統的電加熱器，不需將電能轉化為熱能。

該裝置將解決目前普遍存在的火力發電廠脫硝尿素熱解系統能耗高的問題，較多地降低煙氣脫硝的運行成本，節能減排，具有較強的實用性。

該方案引用高溫煙氣加熱脫硝尿素熱解裝置，主要包括以下部分：尿素制備系統、尿素溶液計量控制模塊、熱解爐、高溫除塵器、高溫風機、噴槍，具體如圖4所示。

引接鍋爐高溫（550～650 ℃）煙氣經高溫除塵器后（煙塵含量可降低至5 mg/m?）進入到熱解爐，并通過加入調節門滿足尿素熱解反應所需要的熱量。同時，尿素制備系統制備50%尿素溶液，通過尿素溶液計量控制模塊分配控制進入噴槍的尿素溶液，尿素溶液流經噴槍通過壓縮空氣霧化成小液滴后進入熱解爐內，在高溫環境下發生充分的熱解反應，生產的氨氣與煙氣混合氣流經風機后噴進煙道內，實現脫硝的目的。

4.3 ?高溫除塵器簡介

高溫除塵器的核心過濾元件由金屬纖維燒結制成的多孔介質組成，具有極好的耐高溫特性，遠遠超過普通濾袋的應用溫度，可以達到1 000 ℃的應用工況。

使用高溫除塵器能獲得最佳的粉塵過濾效果，經過高溫除塵器過濾后，粉塵的排放濃度可降低至10 mg/m?，甚至在5 mg/m?以內。即使對于0.5 μm的顆粒，過濾效率也可達到99.99%，并且具有運行阻力低、使用壽命長以及可回收處理等優點。

4.4 ?熱源改造工藝對比

以某電廠600 MW機組為例進行對比分析，具體分析如表1所示。

由上表可見，高溫煙氣過濾工藝投資費用為1 150萬元，比煙氣換熱器工藝投資費用低276萬元。因此，將高溫除塵器應用在SCR尿素熱解系統中具有投資小、節能等優點。

5 ? ?結語

隨著節能減排政策的實施，高溫煙氣過濾熱源工藝會更多地應用在SCR尿素熱解系統改造中。伴隨著高溫材料的發展和高溫除塵技術的創新應用，高溫過濾材料將更好的服務于各工業領域。