SCR煙氣脫硝工藝還原劑系統(tǒng)分類與應(yīng)用

李靖菀

摘? 要：SCR煙氣脫硝工藝常用的還原劑系統(tǒng)包括液氨系統(tǒng)、氨水系統(tǒng)、尿素?zé)峤饧八庀到y(tǒng)，而如何選擇最合適的還原劑系統(tǒng)一直是燃煤電廠、鋼廠、垃圾焚燒發(fā)電廠等最為關(guān)注的問題之一。該文通過對不同還原劑系統(tǒng)可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性這3個方面的對比分析發(fā)現(xiàn)，液氨與氨水系統(tǒng)可靠性高，但存在一定的安全風(fēng)險。而尿素?zé)峤夂退庀到y(tǒng)，如果設(shè)計不當(dāng)均可能會造成管道堵塞。尿素水解還需考慮中間產(chǎn)物腐蝕反應(yīng)器及定期排污等問題。因此，從系統(tǒng)可靠性來看，尿素?zé)峤庀到y(tǒng)高于水解系統(tǒng)。通過對以600 MW燃煤機(jī)組為例的各還原劑系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比可以得出，液氨系統(tǒng)占有絕對的優(yōu)勢，而氨水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最高。在中、大型機(jī)組上，尿素水解系統(tǒng)固定投資和運(yùn)行費(fèi)用都要低于尿素?zé)峤庀到y(tǒng)。然而，對于小型機(jī)組來說，熱解系統(tǒng)更有市場競爭力。以上結(jié)論可為電廠及非電行業(yè)SCR脫硝還原劑系統(tǒng)的選型提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SCR;尿素?zé)峤?尿素水解;液氨系統(tǒng)

中圖分類號：TQ610? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

SCR與SNCR技術(shù)是目前最為成熟且應(yīng)用最普遍的2種煙氣脫硝技術(shù)，其原理都是利用還原劑與煙氣中對環(huán)境有害的NOx反應(yīng)生成無害的N2和H2O。作為脫硝反應(yīng)中最大的消耗品，還原劑的選擇至關(guān)重要。常用的脫硝還原劑有液氨、氨水及尿素3種。

1 SCR脫硝還原劑系統(tǒng)對比

1.1 系統(tǒng)可靠性對比

對于系統(tǒng)可靠性來說，液氨系統(tǒng)與氨水系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢。原因是系統(tǒng)相對簡單，產(chǎn)生氨氣的過程僅是一個物理氣化過程，且系統(tǒng)響應(yīng)迅速。尿素?zé)峤馀c水解系統(tǒng)均涉及尿素分解的化學(xué)反應(yīng)。尿素?zé)峤廪D(zhuǎn)化率受熱解爐內(nèi)溫度流場的影響較大。如果熱解爐內(nèi)存在溫度相對冷點(diǎn)或由保溫不當(dāng)造成溫度偏低，會導(dǎo)致尿素分解不完全，生成三聚氰酸、三聚氰酸—酰胺、縮二脲等物質(zhì)[1]。上述物質(zhì)沉積在熱解爐出口，造成堵塞，嚴(yán)重時影響SCR脫硝催化劑表面活性及下游設(shè)備的安全運(yùn)行。為了解決該問題，一些公司對熱解系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行方面進(jìn)行了很多改善。首先，在熱解爐入口安裝旋流裝置，既提高了熱解爐自噴槍以下的流場和溫度的均勻度，又增加了尿素溶液在爐內(nèi)的停留時間，使尿素分解完全。其次，在計量分配模塊上設(shè)置壓縮空氣流量及尿素溶液流量報警裝置，一旦壓縮空氣流量低于限值或尿素溶液流量高于限值，系統(tǒng)自動報警且自動停止尿素溶液噴射器，從而避免因霧化效果差造成尿素分解不完全。最后，設(shè)置自動沖洗裝置，一旦出現(xiàn)噴射器堵塞，立即啟動沖洗。

另外，近年來隨著非電行業(yè)（如鋼廠燒結(jié)機(jī)、垃圾焚燒爐）煙氣脫硝項目的增加，一些采用尿素?zé)峤獾捻椖吭赟CR反應(yīng)器中出現(xiàn)了結(jié)晶。出現(xiàn)該問題的原因是燒結(jié)機(jī)、垃圾焚燒爐正常運(yùn)行的煙溫低于220 ℃，比燃煤電廠300℃～420℃的煙溫要低得多。尿素?zé)峤膺^程中，絕大多數(shù)尿素均能完成反應(yīng)（1）和（2），僅有極少量的尿素只進(jìn)行反應(yīng)（1）。反應(yīng)（1）的產(chǎn)物異氰酸在溫度高于300 ℃時，與煙氣中的氮氧化物也能進(jìn)行反應(yīng)（3），對脫硝系統(tǒng)功能無影響。然而，當(dāng)溫度低于220 ℃時，異氰酸會通過反應(yīng)（1）的逆反應(yīng)重新生成尿素，反應(yīng)器內(nèi)有結(jié)晶的風(fēng)險。為了降低該風(fēng)險，可以在熱解爐出口增設(shè)防逆反裝置，內(nèi)部布置將異氰酸轉(zhuǎn)化成氨氣的催化劑。

尿素?zé)峤夤に嚨闹饕磻?yīng)：

與尿素?zé)峤庀嗨?，在尿素水解過程中，如果溫度過低，會產(chǎn)生三聚氰胺與縮二脲等物質(zhì)。與熱解不同的是尿素中的雜質(zhì)在水解過程中會不斷濃縮。為防止設(shè)備及管道堵塞，需要定期排污。因排污水中含有對環(huán)境有害的縮二脲和微量的Cr6+，因此污水需經(jīng)過處理后才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[2]。

尿素水解系統(tǒng)除了上述問題外，還需考慮中間產(chǎn)物（氨基甲酸銨）的腐蝕性。該物質(zhì)可破壞不銹鋼表面的氧化膜，且隨溫度升高破壞性加劇。當(dāng)超過190 ℃時，普通不銹鋼材料會被腐蝕，如果繼續(xù)升溫到220 ℃，反應(yīng)器必須采用耐腐蝕的鈦和鋯內(nèi)襯。然而，水解反應(yīng)器內(nèi)的溫度也不可過低，如果低于140 ℃，氨基甲酸銨易在反應(yīng)器壁上結(jié)晶。因此，項目實(shí)際運(yùn)行過程中必須控制水解反應(yīng)器內(nèi)的溫度在一個適宜的窗口內(nèi)。

1.2 安全性對比

近年來，各地氨氣泄漏事故不斷發(fā)生[3]，國家對液氨等危險品的管控也日益嚴(yán)格。越來越多的新建SCR脫硝項目選擇尿素制氨，也有不少已建項目開始進(jìn)行液氨改尿素的工程改造。氨水系統(tǒng)盡管比液氨系統(tǒng)安全得多，但是氨水揮發(fā)出的氨氣達(dá)到一定濃度時會對人體造成傷害。若達(dá)到爆炸極限，也會造成嚴(yán)重的安全事故。因此， 與液氨系統(tǒng)相同，氨水系統(tǒng)也需要考慮防爆、防腐、泄漏監(jiān)測及事故應(yīng)急救援預(yù)案。與液氨、氨水相比，尿素?zé)o疑是最安全的SCR脫硝還原劑。其中，尿素?zé)峤庀到y(tǒng)不需要壓力容器，比尿素水解系統(tǒng)更安全。

1.3 經(jīng)濟(jì)性對比

液氨系統(tǒng)工藝簡單、設(shè)備數(shù)量少、容量小，因此固定投資是上述4種還原劑系統(tǒng)中最低的。由于氨水濃度不高，在相同氨需量的前提下，氨水系統(tǒng)所需的設(shè)備容量大，因此固定投資稍高于液氨系統(tǒng)。尿素?zé)峤馀c水解系統(tǒng)相對復(fù)雜，設(shè)備較多，投資成本也較高。尿素水解反應(yīng)器需一用一備及防爆設(shè)計，對于氨需量較小的單機(jī)組項目來說，其投資成本往往會高于熱解系統(tǒng)。相反，對于氨需量較大的機(jī)組或多機(jī)組項目來說，尿素?zé)峤庖蛐枰娂訜崞骰驘煔鈸Q熱器，投資及運(yùn)行成本會超過水解系統(tǒng)。

以600 MW燃煤機(jī)組為例，氨需量按450 kg/h，年運(yùn)行小時數(shù)按 8 000 h計算。假設(shè)尿素?zé)峤獠捎?00 ℃的熱一次風(fēng)作為稀釋風(fēng)，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度考慮，液氨系統(tǒng)是最優(yōu)選擇，而氨水系統(tǒng)是最后的選擇，其主要原因是產(chǎn)生同等的氨氣所需的各還原劑的比例為1∶4∶1.78∶1.96（液氨系統(tǒng)∶25%濃度的氨水系統(tǒng)∶尿素?zé)峤庀到y(tǒng)∶尿素水解系統(tǒng)）。而氨水系統(tǒng)僅還原劑費(fèi)用就超過了其他系統(tǒng)各項運(yùn)行費(fèi)用的總和。尿素?zé)峤庀到y(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用稍高于尿素水解系統(tǒng)是因為熱解電耗遠(yuǎn)高于水解，見表1。各還原劑系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用分項對比如圖1所示。

2 對比情況分析

近年來，在新建SCR煙氣脫硝項目中，采用尿素?zé)峤獾捻椖勘壤忻黠@增加的趨勢，并且也出現(xiàn)了不少液氨改尿素的項目。一方面反映了企業(yè)對國家加強(qiáng)安全生產(chǎn)政策的積極響應(yīng)，另一方面也說明了隨著愈來愈多的項目采用尿素?zé)峤庀到y(tǒng)，其系統(tǒng)可靠性在不斷改進(jìn)，運(yùn)行能耗也隨著設(shè)計的改進(jìn)而降低。例如，早期的尿素?zé)峤忭椖肯♂岋L(fēng)多采用經(jīng)電加熱器加熱后的環(huán)境空氣或熱一次風(fēng)，其較高的運(yùn)行能耗令一些企業(yè)望而卻步。而近年來對于能耗較大的項目，業(yè)主更傾向于采用煙氣換熱的方式將稀釋風(fēng)直接換熱升溫至尿素?zé)峤馑璧臏囟取Ρ纫训玫綇V泛應(yīng)用的熱解系統(tǒng)，水解系統(tǒng)在SCR煙氣脫硝上應(yīng)用的時間較短，仍存在不少技術(shù)問題。首先，水解產(chǎn)物在溫度低于140 ℃時可形成冷凝物，腐蝕316 L不銹鋼管道和閥門，造成氨氣泄漏。其次，水解反應(yīng)器屬于壓力容器，與屬于常壓容器的熱解爐相比，安全性要低。另外，多數(shù)業(yè)主要求水解系統(tǒng)上的電氣設(shè)備采用防爆產(chǎn)品，這就增加了投資成本。

3 結(jié)語

在SCR煙氣脫硝還原劑系統(tǒng)的選擇問題上，一直沒有較明確的參考準(zhǔn)則。該文通過從系統(tǒng)可靠性、安全性及經(jīng)濟(jì)性3個方面對比4種SCR煙氣脫硝還原劑系統(tǒng)，綜合分析了近年來新建及改造的項目，得出以下3個結(jié)論。1）液氨系統(tǒng)。系統(tǒng)可靠性及固定投資占優(yōu)，安全性一般，其應(yīng)用需考慮液氨易燃易爆的安全性風(fēng)險，以及因政策改變而必須進(jìn)行液氨改尿素所造成的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。2）氨水系統(tǒng)。系統(tǒng)安全性略高于液氨系統(tǒng)，但經(jīng)濟(jì)性處于劣勢。3）尿素系統(tǒng)。分為熱解系統(tǒng)和水解系統(tǒng)。就系統(tǒng)可靠性來看，兩者都有管道堵塞的風(fēng)險，但是尿素?zé)峤庀到y(tǒng)經(jīng)過多年來的大量應(yīng)用，得到了不斷改善，發(fā)生上述風(fēng)險的可能性要比水解系統(tǒng)低得多。另外，在水解過程中，尿素中的雜質(zhì)不會同熱解反應(yīng)一樣在高溫下氣化后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器，而是會在水解反應(yīng)器內(nèi)不斷濃縮，因此必須設(shè)置定期排污和進(jìn)行污水處理。就目前來看，尿素?zé)峤庀到y(tǒng)的可靠性高于水解系統(tǒng)。然而，尿素水解系統(tǒng)在運(yùn)行費(fèi)用上要優(yōu)于熱解系統(tǒng)。從固定投資方面考慮，選擇熱解還是水解視項目規(guī)模而定。由于水解反應(yīng)器需要一用一備及電氣設(shè)備防爆，對于單臺小機(jī)組來說，水解系統(tǒng)的固定投資往往高于熱解系統(tǒng)。對于中、大型或者多臺機(jī)組的項目來說，熱解系統(tǒng)中的電加熱器或換熱器是造成其投資成本高于水解系統(tǒng)的主要因素。如果企業(yè)傾向于采用能耗較低的尿素水解系統(tǒng)，需重點(diǎn)考察設(shè)計公司如何處理水解上的技術(shù)問題。對于氨需量較低的小機(jī)組來說，采用尿素?zé)峤饣蛩庠谀芎纳系牟町惒淮?，但是熱解系統(tǒng)的固定投資低于水解系統(tǒng)，建議采用比較成熟的熱解系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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