脫硝尿素制氨氣氣管式換熱器熱解方案的應用

侯明勝 郝建宏 神華國華九江發(fā)電有限責任公司

1 脫銷還原劑制備現(xiàn)狀及方式對比

目前在 SCR 脫硝技術(shù)領(lǐng)域，常用的還原劑有3種，其中包括液氨、尿素和氨水。液氨作為還原劑在前些年的工程中應用的較多，其原因是液氨的運輸成本較低和制氨系統(tǒng)相對要簡單。其他兩種還原劑中，氨水使用頻率是最低的，其運輸成本較大，使其運行成本費用提高，而尿素則在制備系統(tǒng)中略為復雜一些，但也在許多工程得到了廣泛應用。隨著國家環(huán)保要求的日益提高以及電廠積極發(fā)展清潔能源的初衷，使選用液氨和氨水作為還原劑越來越受到考驗和制約。因為液氨和氨水均為乙類物質(zhì)，均是有毒有害物質(zhì)，且都需要一定的壓力儲存，尤其是液氨的壓力儲存要求更高，加之氨水本身的運行成本就居高不下。另外，根據(jù)我國《危險化學物品名表》（GB12268-90）和《重大危險源辨識》（GB18218-2000）的有關(guān)規(guī)定，液氨在生產(chǎn)場所超過40 t、儲存場所超過100 t時構(gòu)成重大危險源，需報相關(guān)安全生產(chǎn)部門審批。液氨的儲存和制備系統(tǒng)在安全、消防和環(huán)保等方面的要求也越來越嚴格， 對電廠的日常運行和管理要求也越來越高。因此，選用尿素制氨的方式無論從安全、消防和環(huán)保方面還是公司的日常運行和管理來說都是最合適的選擇。

2 尿素制氨熱解與水解方式對比

尿素制氨的常規(guī)方式一般有兩種，一種尿素熱解制氨法，一種尿素水解制氨法。

（1）尿素水解與尿素熱解響應時間比較

水解法是將尿素以水溶液的形式加以分解，跟蹤機組負荷變化的速度稍慢，而熱解屬于直接快速加熱霧化后的尿素溶液進行分解，跟蹤機組負荷變化的速度較快。水解的響應時間約為5～15 min，而熱解的響應時間為5～10 s。

（2）尿素水解與熱解有關(guān)污染物產(chǎn)生及污染物對設(shè)備的影響比較

尿素水解產(chǎn)生的“污染物”是聯(lián)二脲，1、3二-氨基甲酰尿素、氰尿酸等聚合物，這些污染物會和飛灰一起形成大堵塞，沉積的飛灰和尿素水解產(chǎn)生污染物造成的嚴重堵塞會直接影響鍋爐以及SCR的正常運行。比如造成SCR壓降增大，引風機出力受限，鍋爐負荷不可避免的受到限制，更加嚴重的就是機組被迫停運出力堵塞問題。

尿素熱解方法原則上不會產(chǎn)生造成SCR設(shè)備堵塞的“污染物”。

（3）尿素水解存在的問題

1）腐蝕問題。氨溶液造成水解反應器的腐蝕。由于水解反應器是高壓設(shè)備，容器內(nèi)又儲存著危險的物品氨氣，腐蝕造成的泄露是一個嚴重的安全隱患。

2）運行問題。當系統(tǒng)發(fā)生意外停運時，尿素水解系統(tǒng)必須由冷態(tài)啟動，每次冷態(tài)啟動的時間長達數(shù)小時，在此期間，SCR系統(tǒng)就無法投入運行。運行中對NOx濃度變化的時間較長，約5～15 min。

因此，尿素熱解技術(shù)比水解技術(shù)具有一定的優(yōu)越性，尤其是響應時間和腐蝕方面的可靠性更高，且不易造成系統(tǒng)腐蝕而引起泄漏氨氣，在安全性方面對于尿素水解制氨來說應該是更勝一籌。

3 尿素熱解方案比較

目前工程上較為常規(guī)的尿素熱解法是采用鍋爐的熱一次風作為熱解風源。但即使采用熱一次風（300℃左右），也達不到尿素熱解的溫度（600℃左右）要求，因此在熱一次風離開空預器后，仍需對熱一次風進行第二次加熱，其常規(guī)的手段主要有兩種：一是通過電加熱器進行加熱，二是通過燃燒燃油進行加熱。采用電加熱器因為系統(tǒng)較為簡單而應用得較多。但是此二者都具有能耗過大、運行成本高的缺點。以1000 MW機組為例，其電加熱的功率大約在1200 kW～1500 kW，長期運行，其運行費用不可小視，另外，采用熱一次風還受到因空預器漏風而帶來煙塵問題。采用氣-氣管式換熱器加熱冷（熱）一次風的方式相比于電加熱及燃燒燃油加熱能夠最大限度的降低能耗過大、運行成本高的缺點（技術(shù)經(jīng)濟性分析見表1和表2）。

4 脫銷系統(tǒng)尿素熱風熱解技術(shù)方案

采用管式換熱器對冷（熱）一次風進行加熱，其原理是根據(jù)冷（熱）一次風自身的壓力，將冷（熱）一次風送達到鍋爐低過區(qū)域，在鍋爐低過區(qū)域布置若干的蛇形管道，將冷（熱）一次風加熱到尿素熱解所需要的溫度，熱一次風再離開鍋爐區(qū)域，到達尿素熱解裝置，對尿素溶液實施熱解產(chǎn)生氨氣。將鍋爐與脫硝作為一個整體考慮，通過相關(guān)的計算、研究以及管式換熱器合理的位置布局，對鍋爐不會產(chǎn)生負面影響。

（1）系統(tǒng)流程及原理

爐內(nèi)煙氣加熱冷（熱）一次風方案的實施工藝流程如圖1。

圖1 氣-氣管式換熱器熱解工藝流程圖

表1 技術(shù)經(jīng)濟性分析比較

表2 技術(shù)經(jīng)濟性分析比較

尿素熱解空氣管道21接引空氣預熱器3的冷（熱）一次風（溫度0-350℃、壓力10 kPa左右 ），經(jīng)過氣-氣管式換熱器入口管道22進入氣-氣管式換熱器23，通過鍋爐煙氣11加熱，氣-氣管式換熱器23內(nèi)的空氣被加熱到與煙氣溫度相當?shù)臏囟?，加熱后的空氣?jīng)由氣-氣管式換熱器出口管道25、尿素熱解反應器入口管道26進入尿素熱解反應器4，在尿素熱解反應器4內(nèi)，尿素溶液被熱解生成氨氣混合氣體，氨氣混合氣體通過尿素溶液熱解產(chǎn)物管道41進入脫硝反應裝置5進行脫硝。

氣-氣管式換熱器23布置于鍋爐省煤器13上游的如低溫過熱器或低溫再熱器等煙氣溫度600℃-900℃的煙氣區(qū)域12內(nèi)。氣-氣管式換熱器23設(shè)置旁路管道24，部分空氣不經(jīng)過氣-氣管式換熱器直接由旁路管道24進入尿素熱解反應器入口管道26，與氣-氣管式換熱器出口管道25的加熱后的空氣混合后進入尿素熱解反應器4。在尿素熱解空氣管道21、氣-氣管式換熱器入口管道22、旁路管道24上分別設(shè)置可調(diào)節(jié)風門211、221、241。

尿素熱解反應器入口管道26設(shè)置溫度監(jiān)測27，用于檢測進入尿素熱解反應器4的熱解空氣溫度和連鎖控制。當進入尿素熱解反應器4的熱解空氣溫度超過或低于設(shè)定溫度（如650℃），可通過減?。ɑ蛟龃螅?氣管式換熱器入口管道22上的可調(diào)節(jié)風門221開度、并增大（或減?。┡月饭艿?4上的可調(diào)節(jié)風門241的開度，通過摻混加熱空氣比例，使熱解空氣溫度達到設(shè)定溫度。尿素熱解空氣管道21上的可調(diào)節(jié)風門211用于調(diào)節(jié)尿素熱解隨鍋爐負荷變化所需要的總的一次風量和熱源。

由于冷一次風較熱一次風壓力更高，且熱一次風含有飛灰等雜質(zhì)，冷一次風相較于熱一次風更為純凈，尿素熱解空氣氣源東鍋推薦采用冷一次風。

當尿素熱解空氣不是引接的壓力10 kPa左右的冷（熱）一次風時，可增設(shè)風機以達到尿素熱解系統(tǒng)所需要的壓力。

（2）設(shè)計數(shù)據(jù)

氣-氣換熱器設(shè)計數(shù)據(jù)見表3。

表3 氣-氣換熱器設(shè)計數(shù)據(jù)表（BMCR 工況）

對于鍋爐低負荷時，由于整體溫度水平降低，熱風溫度和煙氣溫度均有所降低，通過調(diào)節(jié)旁路風量，達到提高系統(tǒng)出口溫度。另，由于低負荷時，相應的還原劑消耗量減小，需要的熱源減小，系統(tǒng)出口溫度也相應減小。

本工程氣-氣管式換熱器計算結(jié)果匯總于表4。

根據(jù)計算結(jié)果分析，采用氣-氣 管式換熱器，對鍋爐整體結(jié)構(gòu)及 性能影響很小，基本可以忽略不計。

綜上所述，采用管式換熱器或采用管式換熱器+電加熱器的方式加熱冷一次風，然后利用熱一次風進行尿素熱解的方案是可行的，在工程上是可以實施的。并且通過技術(shù)經(jīng)濟性比較后發(fā)現(xiàn)，在技術(shù)是可以完全代替電熱器加熱熱解風的傳統(tǒng)做法，并不會對鍋爐造成任何負面影響。另外在運行費用管式換熱器方案也大大低于電加熱器方案。因此，采用管式換熱器方案不僅能夠為用戶降低運行成本，在技術(shù)上也完全能夠滿足工程的實際需要。

表4 氣-氣管式換熱器計算結(jié)果匯總