煙道尿素熱解制氨方法經(jīng)濟性分析

河北大唐國際王灘發(fā)電有限責任公司 馬杰

隨著國家環(huán)保要求的提高，國家對環(huán)保治理愈發(fā)嚴苛，對節(jié)能減排工作不斷深入，目前機組進行近零超低排放改造，發(fā)電廠燃燒煤炭的鍋爐出口NOx、粉塵和二氧化硫的超低排放標準分別為50mg/Nm3、5mg/Nm3、35mg/Nm3。

在燃煤大氣排放的污染物中，氮氧化物（NOx）是非常重要的污染物之一，當前氮氧化物的治理技術(shù)主要為選擇性催化還原技術(shù)（SCR），就是采用氨還原劑在催化劑的作用下有選擇性地與煙氣中的氮氧化物反應并生成無毒無污染的氮氣(N2)和水（H2O），達到脫硝的排放標準。脫硝系統(tǒng)常選擇的還原劑為含氨物質(zhì)，包括尿素、氨水、碳酸銨等，還原劑經(jīng)過熱解、蒸發(fā)等一系列制氨裝置將含氨物質(zhì)在反應器外制成氨氣送至SCR反應器入口煙道的氨氣噴射格柵，利用氨氣與煙氣中的NOx反應，實現(xiàn)脫硝環(huán)保的目的。

其主要反應式為[1]：

4NH3+4NO+O2—4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2—3N2+6H2O

在實際工程應用中，尿素由于運輸儲存方便、購買便捷、安全無爆炸隱患等優(yōu)點而被各工程作為選擇性催化還原脫硝技術(shù)中的還原劑[2]。

尿素作為選擇性催化還原技術(shù)脫硝還原劑就要求把尿素制成氨氣，制成的氨氣與煙氣進入SCR脫硝反應器經(jīng)過脫硝催化劑進行脫硝反應。尿素制成氨氣的技術(shù)主要有尿素熱解和尿素水解兩種方法。

一、尿素水解制氨

尿素水解制成氨氣的技術(shù)主要是采用蒸汽或者電等作為熱源，將尿素溶解的液體在水解反應器內(nèi)產(chǎn)生氨氣，國際上幾種典型的尿素水解技術(shù)主要有AOD、U2A、Ammogen及SafeDeNOx等[3]，此技術(shù)主要核心設備為水解反應器，各技術(shù)的工藝參數(shù)略有差別。其反應方程式如下：

NH2CONH2+H2O—NH4COONH2

NH4COONH2—2NH3+CO2

因為尿素水解制氨氣技術(shù)反應產(chǎn)生的中間物質(zhì)具有腐蝕設備從而產(chǎn)生泄漏的危險、反應遲緩啟動慢、水解器為壓力容器、存在高濃度氨氣有爆炸危險等一系列問題，因此水解在工程應用中受到限制。

二、尿素熱解制氨

尿素熱解制氨技術(shù)是指尿素在高溫的情況下具有不穩(wěn)定性,在高溫時會發(fā)生熱分解反應產(chǎn)生氨氣和二氧化碳。當溫度大于320℃時,尿素產(chǎn)生以下分解反應：

CO(NH2)2—NH3+HNCO

HNCO+H2O—NH3+CO2

與尿素溶液水解技術(shù)相比，尿素熱解技術(shù)運行穩(wěn)定、無腐蝕、性響應時間短、無高濃度氨氣、安全可靠，因此在工程中得到廣泛應用。

（一）爐外尿素熱解制氨

爐外尿素熱解制氨流程為：冷風或者高溫約320℃的熱風經(jīng)過熱風爐或電加熱器或燃油加熱器后，將熱風溫度加熱到500℃以上，500℃以上的熱風經(jīng)過熱解設備，溶解的尿素通過噴槍霧化噴入熱解設備內(nèi)，在高溫條件下生成氨氣和二氧化碳。

爐外尿素熱解制氨技術(shù)存在以下問題：1.運行費用高，加熱冷風或者熱風需要大量的能源（電能、天然氣或者燃油）；2.工程造價高，需要加熱器、熱解爐、計量分配裝置，噴氨格柵等設備；3.熱解爐對溫度霧化要求高，容易堵塞結(jié)晶，導致脫硝超標。

為了解決上述問題，爐內(nèi)高溫尿素熱解技術(shù)應運而生。

（二）爐內(nèi)高溫尿素熱解制氨

爐內(nèi)轉(zhuǎn)向室高溫煙氣尿素熱解制氨技術(shù)流程為，在尿素溶解過程中制取尿素溶液，制取的尿素溶液通過高流量循環(huán)裝置輸送到位于鍋爐豎井煙道內(nèi)的多噴嘴尿素溶液噴槍中，多噴嘴尿素溶液噴槍經(jīng)霧化后將尿素溶液噴出與高溫煙氣接觸混合，在豎井煙道中利用高溫煙氣的熱量分解成氨氣。

為了保證尿素熱解的氨氣與煙氣充分混合，設置多噴嘴長噴槍，保證噴入的尿素溶液與煙氣混合均勻。此技術(shù)具有以下優(yōu)點：

（1）在豎井煙道內(nèi)直接利用高溫煙氣的熱量進行尿素熱解，節(jié)約了常規(guī)的熱解中大量消耗電能的弊端，大大降低運行費用；

（2）節(jié)省了常規(guī)熱解加熱器、熱解爐、噴氨設備，簡化了系統(tǒng)設備，可以在同樣的脫硝效果下大幅度降低工程建筑費用和運行費用；

（3）不消耗額外的熱一次風；

（4）解決了爐外熱解爐和噴氨格柵尿素結(jié)晶堵塞的危險。

但是，隨著此技術(shù)的應用，發(fā)現(xiàn)如下缺點：

（1）多噴嘴噴槍霧化效果不能保證，當一個噴嘴出現(xiàn)霧化不良時，不能及時發(fā)現(xiàn)，霧化效果差分解不完全，導致下游鍋爐受熱面腐蝕爆管，鍋爐停運；

（2）鍋爐高溫部分鍋爐尺寸大，雖然采用多噴嘴長噴槍，也不能保證氨氣與煙氣的充分混合，氨逃逸大，尿素耗量高；

（3）多噴嘴長噴槍設備維護費用大。

由于運行時造成鍋爐受熱面腐蝕，爆管停運問題較大，因此此技術(shù)市場前景堪憂，為了解決此問題，發(fā)明了煙道尿素熱解制氨技術(shù)。

（三）煙道尿素熱解制氨

煙道尿素熱解制氨工藝的流程如下：煙道熱解制氨的噴槍設置在省煤器灰斗后的煙道上，此處煙溫大約320℃，尿素溶液經(jīng)過此處噴槍霧化后噴入煙道內(nèi)，利用煙道內(nèi)煙氣的熱量對尿素溶液進行熱解制成NH3和CO2，熱解后的還原劑與煙氣充分混合后進入裝有催化劑的SCR反應器內(nèi)進行脫硝反應，生成氮氣和水，從而達標排放。

此技術(shù)具有以下優(yōu)點：

（1）在省煤器灰斗后的道內(nèi)直接利用煙氣的熱量進行尿素熱解，節(jié)約了常規(guī)熱解中大量消耗電能的弊端，大大降低運行費用；

（2）節(jié)省了常規(guī)熱解加熱器、熱解爐、噴氨設備，簡化了系統(tǒng)設備，可以在同樣的脫硝效果下大幅度降低工程建筑費用和運行費用；

（3）不消耗額外的熱一次風；

（4）解決了爐外熱解爐和噴氨格柵尿素結(jié)晶堵塞的危險；

（5）尿素熱解噴槍布置省煤器灰斗后的煙道內(nèi)，不會出現(xiàn)腐蝕受熱面的風險；

（6）省煤器灰斗后SCR入口煙道尺寸較小，可以保證尿素溶液與煙氣的充分混合。

由此可見，煙道尿素熱解制氨技術(shù)不但解決了爐熱解爐制氨的技術(shù)缺陷，還解決了爐外尿素熱解制氨技術(shù)的缺陷。

三、煙道尿素熱解制氨經(jīng)濟性分析

某鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司按照從美國CE公司引進技術(shù)進行設計和制造的亞臨界壓力，一次中間再熱，控制循環(huán)汽包爐，單爐膛，P型布置，全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)，半緊身封閉。鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為2030t/h，機組電負荷為600MW。

本工程建造時采用尿電加熱熱解爐制備脫硝所需氨氣，兩臺鍋爐建造一個尿素溶解、儲存區(qū)，鍋爐原始氮氧化物濃度為300mg/Nm3，脫硝按83.4%的脫硝效率進行設計建造。

其工藝流程為：尿素顆粒存放在房間內(nèi)，由斗提升機提升到尿素溶解罐里進行溶解，制成50%左右濃度的尿素溶液，通過輸送泵運輸?shù)饺芤簝蕖拗械娜芤航?jīng)由高流量循環(huán)泵輸送到計量與分配裝置內(nèi)進行計量分配，計量好的尿素溶液通過噴槍霧化噴入熱解爐內(nèi)進行熱解，在高溫熱風作用下生成NH3和CO2，分解產(chǎn)生的氨氣與熱風一起經(jīng)過噴氨格柵噴入脫硝入口煙道內(nèi)進行反應。

此工程熱解爐電加熱制氨系統(tǒng)的電加熱器功率為770KW，熱解爐為六支槍熱解爐。常規(guī)運行電加熱700KW左右，運行費用較高，另外，運行過程中熱解爐尾部經(jīng)常結(jié)晶，導致脫硝超標停運。

為了減少運行費用，保證鍋爐脫硝的穩(wěn)定運行，對鍋爐進行煙道尿素熱解改造，在省煤器灰斗出口煙道設置6支煙道熱解噴槍，每個反應器入口增加3支噴槍，每個噴槍6個噴嘴，左右各3個，保證煙氣與霧化噴射的尿素溶液充分混合。運行畫面如圖1。

圖1 尿素煙道熱解運行畫面

由運行畫面可知，運行煙道尿素熱解制氨出口NOx濃度完全達標，尿素耗量與爐外熱解制氨相當。

煙道尿素熱解制氨改造后的經(jīng)濟效益分析如下：

煙道熱解制氨工藝運行以后，熱解爐電加熱器等原制氨設備可以停止運行，而原爐外尿素熱解制氨電能為700KW/h，按年運行7500h、電費0.4元/KW計算，爐外尿素熱解每年運行電費約為210萬元，煙道尿素熱解制氨運行后，爐外熱解電加熱器停運，每年節(jié)省電費約210萬元，另外煙道尿素熱解制氨不會出現(xiàn)熱解爐電加熱制氨中導致尿素分解不完全的尾部結(jié)晶現(xiàn)象，從而導致脫硝不能達標排放，此部分的經(jīng)濟效益及環(huán)境效益巨大，還可以保證鍋爐穩(wěn)定運行。

四、結(jié)論

（1）由煙道尿素熱解制氨工藝應用可知，此技術(shù)可以實現(xiàn)鍋爐SCR脫硝的穩(wěn)定運行。

（2）煙道尿素熱解制氨技術(shù)投運后，爐外電加熱器停運可以節(jié)省大量的能源和運行費用。

（3）煙道尿素熱解制氨技術(shù)可以消除電加熱器熱解爐制氨技術(shù)中熱解爐尾部結(jié)晶堵塞導致脫硝停運煙氣排放超標的問題，有很好的環(huán)境效益和社會效益。

（4）煙道尿素熱解制氨技術(shù)解決了爐內(nèi)高溫尿素熱解制氨技術(shù)的腐蝕受熱面，影響鍋爐穩(wěn)定運行的缺點。

綜上，煙道尿素熱解制氨技術(shù)是一種日常維護運行節(jié)約、工程造價低、調(diào)節(jié)性能好保證脫硝穩(wěn)定運行的制氨技術(shù)，具有很好的市場前景。