淺談尿素?zé)峤饧夹g(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

孫劍

摘 要：經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，促使電力需求持續(xù)增加，但日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題促使國家和各級(jí)政府出臺(tái)一系列政策措施，降低燃煤鍋爐煙氣污染物排放值，為了有效去除煙氣中的NOx，降低對(duì)環(huán)境的污染，目前大型火力發(fā)電機(jī)組都采用煙氣脫硝技術(shù)，其中尿素?zé)峤饷撓跫夹g(shù)便是這里最典型的一種。本文將對(duì)尿素?zé)峤饷撓跫夹g(shù)的發(fā)展路線進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：尿素?zé)峤?煙氣脫硝 發(fā)展及現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的進(jìn)步，電力資源生產(chǎn)與供應(yīng)已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源之一。在我國的電能結(jié)構(gòu)中，基于燃煤的火力發(fā)電是主要發(fā)電方式，可占據(jù)整個(gè)電能裝機(jī)容量的百分之七十以上。但是在提升能源供給的同時(shí)，如果不及時(shí)采取有效的技術(shù)和方法對(duì)燃煤電廠的氮氧化物排放進(jìn)行控制則會(huì)對(duì)我們的生活環(huán)境帶來的巨大的負(fù)面影響。為消除這種影響必須采用更加高效的煤燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)來降低發(fā)電過程中生成的氮氧化物。尿素?zé)峤饷撓跫夹g(shù)便是應(yīng)用最廣泛的一種。

1.尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)簡(jiǎn)介

國際上應(yīng)用的是由美國FuelTech公司設(shè)計(jì)的NOxOUT ULTRA尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)。其工藝流程為：先將尿素放入溶解罐內(nèi)，用除鹽水混合溶解，并制成50%濃度的尿素溶液，然后通過計(jì)量分配裝置和壓縮空氣霧化系統(tǒng)噴入熱解爐內(nèi)，其中熱解爐內(nèi)的稀釋風(fēng)來自空預(yù)器出口熱一次風(fēng)管，稀釋風(fēng)經(jīng)過電加熱器加熱后送入熱解爐內(nèi)，熱解爐內(nèi)的尿素溶液在高溫下進(jìn)行分解產(chǎn)生NH3和CO2，最后經(jīng)過噴氨格柵進(jìn)入鍋爐尾部煙道與煙氣中的NOx進(jìn)行充分的混合，在催化劑的作用下反應(yīng)生成N2和H2O并排入大氣。

1.1尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)反應(yīng)原理

尿素?zé)峤獾幕瘜W(xué)反應(yīng)式為：

CO（NH2）2 = NH3 + HNCO （1）

HNCO + H2O = NH3 + CO2 （2）

1.2尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)在國外的歷史

上個(gè)世紀(jì)70年代被使用在石油開采技術(shù)，上個(gè)世紀(jì)末開始被研究使用在柴油機(jī)卡車的SCR，現(xiàn)已在很多國家（包括中國的一些大城市）廣泛使用。本世紀(jì)初，F(xiàn)uel Tech開始將尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)應(yīng)用于鍋爐煙氣SCR技術(shù)，歷經(jīng)幾個(gè)項(xiàng)目的失敗后，掌握了尿素?zé)峤饧夹g(shù)的機(jī)理和工藝，成功地使用在煙氣SCR項(xiàng)目中，用來替代危險(xiǎn)的液氨；繼而，F(xiàn)uel Tech在美國實(shí)施了13臺(tái)機(jī)組（最大540MW，300MW以上機(jī)組僅4臺(tái)）、韓國1臺(tái)180T/h鍋爐、法國2臺(tái)垃圾焚燒爐、意大利2臺(tái)小鍋爐，全部采用天燃?xì)饧訜崂淇諝庾鳛槟蛩責(zé)峤庵瓢惫に嚨臒嵩础?/p>

1.3尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)在中國的發(fā)展和進(jìn)步

2007年，尿素?zé)峤饧夹g(shù)首次應(yīng)用：由Fuel Tech的美國工程師設(shè)計(jì)、中國工程師配合實(shí)施完成，采用柴油燃燒器作為熱源，替代在美國的天然氣，直接用柴油燃燒器加熱冷空氣，油耗量大（200MW機(jī)組的油耗量70～120kg/h）采用一體化熱解室結(jié)構(gòu)。2009年，尿素?zé)峤饧夹g(shù)應(yīng)用于玉環(huán)1000MW：由中國工程師提出并實(shí)施首次采用中國工程師設(shè)計(jì)制造的電加熱器作為熱源，徹底摒棄了柴油加熱方式首次采用熱一次風(fēng)作為電加熱器入口風(fēng)源，節(jié)約高品質(zhì)能源采用熱解室與加熱器分體結(jié)構(gòu)，使熱解室的設(shè)計(jì)和制造簡(jiǎn)單化。洛卡環(huán)保、重慶遠(yuǎn)達(dá)、同方環(huán)境等公司對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了不同程度的研發(fā)，并先后得到國家專利局授權(quán)批準(zhǔn)的相關(guān)發(fā)明專利或?qū)嵱眯滦蛯＠?。尿素?zé)峤饧夹g(shù)在煙氣SCR工程項(xiàng)目中，得到越來越多的應(yīng)用，同時(shí)也成就了“中國工程師”對(duì)該技術(shù)更深刻的理解和更多經(jīng)驗(yàn)的積累，“中國工程師”在工藝設(shè)計(jì)、熱源組合選擇、設(shè)備的設(shè)計(jì)/制造、系統(tǒng)運(yùn)行/優(yōu)化等方面有更好的認(rèn)識(shí)、建議和經(jīng)驗(yàn)。

2.尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)的弊端

1）溫度控制問題

為保證尿素溶液在熱解爐內(nèi)能完全分解成NH3和CO2，需要將進(jìn)入熱解爐內(nèi)的稀釋風(fēng)加熱到650℃左右，并控制熱解爐出口溫度在320～420℃的范圍，以保障SCR系統(tǒng)中催化劑的使用壽命。熱解爐出口溫度過低，會(huì)導(dǎo)致尿素溶液不能完全分解而凝結(jié)成塊，長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)使熱解爐出口通流量減少，影響脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行；熱解爐出口溫度過高，則會(huì)損壞SCR系統(tǒng)中的催化劑，使催化劑的使用周期縮短。

2）電加熱器耗量大、運(yùn)行費(fèi)用高

尿素?zé)峤庋b置在運(yùn)行過程中，由于稀釋風(fēng)溫度低、流量大，同時(shí)系統(tǒng)需氨量大，尿素?zé)峤馕蛰^大的熱量，需要電加熱器提供的熱量就越多；

3）低負(fù)荷階段適用性差

尿素脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行受到機(jī)組負(fù)荷的限制，在負(fù)荷300MW以下，脫硝入口煙溫低于320℃時(shí)，由于催化劑效率低，NH3的逃逸率升高，并會(huì)產(chǎn)生硫酸氫氨而造成空預(yù)器積灰堵塞。

3.尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)的研發(fā)及技術(shù)對(duì)比

針對(duì)現(xiàn)行尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)能耗過高的問題，目前有四種新的技術(shù)解決方案：鍋爐內(nèi)煙氣-空氣加熱器方案，鍋爐外煙氣-空氣加熱器方案，鍋爐煙氣直接作為熱源的方案，鍋爐內(nèi)直接噴射尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)，鍋爐內(nèi)煙氣-空氣加熱器方案。

1）鍋爐內(nèi)煙氣-空氣加熱器方案：

技術(shù)障礙：采用一次熱風(fēng)，沿程阻力大，需增設(shè)高溫增壓風(fēng)機(jī)。換熱器體積較大，影響鍋爐內(nèi)部其它受熱面的布置。一次熱風(fēng)-鍋爐水平煙道（轉(zhuǎn)向室）-熱解室，管道直徑500mm以上，布置有一定的困難。換熱器材料的選擇有一定的困難。運(yùn)行時(shí)，熱解室熱風(fēng)溫度及流量控制復(fù)雜，存在熱解結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

2）鍋爐外煙氣-空氣加熱器方案

技術(shù)障礙：換熱器體積非常大，在現(xiàn)有的SCR鋼架內(nèi)很難做改造布置。管道布置有相當(dāng)?shù)睦щy。換熱器為雙側(cè)低流速設(shè)計(jì)，煙氣側(cè)靠鍋爐煙氣系統(tǒng)的壓差作為動(dòng)力，在低負(fù)荷時(shí)易發(fā)生積灰；一次風(fēng)側(cè)也存在積灰風(fēng)險(xiǎn)。一次熱風(fēng)溫升不足，需要電加熱器進(jìn)行輔助加熱。換熱器沒有檢修更換換熱元件的空間及手段。

3）鍋爐直接作為熱源的方案

技術(shù)障礙：煙氣中存在的化學(xué)成分，對(duì)尿素分解的化學(xué)機(jī)理的影響。煙氣中高粉塵顆粒，對(duì)尿素溶液液滴會(huì)發(fā)生吸附，可能對(duì)尿素?zé)峤獍l(fā)生負(fù)面影響。需增設(shè)耐高溫、耐磨損的增壓風(fēng)機(jī)。熱煙氣管道：鍋爐-增壓風(fēng)機(jī)-熱解室，管道直徑500mm以上，布置較前兩個(gè)方案容易。由于熱解室出口氨氣混合氣體中存在粉塵，需考慮AIG噴嘴的抗磨性和防堵塞。抽出的煙氣仍回到SCR裝置，參與脫硝反應(yīng)。

4）鍋爐內(nèi)直接噴射尿素制氨技術(shù)方案

技術(shù)障礙：原SCR入口均流裝置需要改造，可能會(huì)導(dǎo)致不均勻加重，但也提供了進(jìn)一步改善的機(jī)會(huì)。直接在鍋爐內(nèi)噴射尿素溶液，可能會(huì)發(fā)生尿素分解率下降，甚至在受熱面表面結(jié)晶。受到鍋爐內(nèi)部空間的限制。噴射器材料的選擇。噴射器的運(yùn)行、檢修維護(hù)的考慮。

針對(duì)以上四種技術(shù)的對(duì)比，鍋爐內(nèi)直接噴射尿素制氨技術(shù)方案最容易得到解決，該技術(shù)已經(jīng)過了工業(yè)化試驗(yàn)、CFD/CKM模擬計(jì)算，基本不存在風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語

尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全，投用率高，各項(xiàng)指標(biāo)基本能滿足SCR脫硝技術(shù)的要求。隨著2015年三部委發(fā)布關(guān)于印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知，對(duì)于尿素?zé)峤庀到y(tǒng)調(diào)節(jié)與控制不便和運(yùn)行費(fèi)用較高等問題，還需進(jìn)行不斷研究，以便提出更優(yōu)化的節(jié)能改造方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]張強(qiáng).燃煤電站SCR煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：1-5.