尿素催化水解制氨工藝在火電廠SCR 脫硝工程中的應(yīng)用

彭偉 曹東

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097)

2015年12月環(huán)境保護(hù)部、發(fā)展改革委、能源局印發(fā)的全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案中提出將東部地區(qū)原計(jì)劃2020年前完成的超低排放改造任務(wù)提前至2017年前總體完成，燃煤機(jī)組必須安裝高效脫硝除塵設(shè)施，以推動(dòng)實(shí)施煙氣脫硝全工況運(yùn)行，脫硝還原劑將被大量使用。當(dāng)前火電廠SCR脫硝還原劑主要有液氨、氨水和尿素三種。脫硝還原劑的選擇和使用應(yīng)綜合考慮技術(shù)、安全和經(jīng)濟(jì)等因素，為規(guī)范脫硝還原劑的選擇和使用，國家、行業(yè)及部分地方政府出臺(tái)了相應(yīng)規(guī)范和指導(dǎo)意見，對(duì)其安全、合理使用提出了要求。GB 50660—2011大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范提出，位于大中城市及近郊區(qū)的電廠，宜選擇尿素作為還原劑。環(huán)發(fā)［2010］10號(hào)《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》通知，還原劑的選擇應(yīng)綜合考慮安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等多方面因素，位于人口稠密區(qū)的煙氣脫硝設(shè)施，宜選用尿素作為還原劑。

1 尿素催化水解技術(shù)原理

尿素催化水解制氨流程為:配制尿素溶液時(shí)，將儲(chǔ)存于尿素儲(chǔ)存間的袋裝尿素人工拆包，拆包后的尿素經(jīng)斗提機(jī)輸送到溶解罐里，或者將尿素罐車運(yùn)輸來的尿素顆粒通過氣力輸送至溶解罐里。用除鹽水將干尿素溶解成50%質(zhì)量濃度的尿素溶液，通過尿素溶解泵輸送到尿素溶液儲(chǔ)罐。尿素溶液儲(chǔ)存罐里的尿素溶液利用蒸汽加熱對(duì)其進(jìn)行保溫，溫度維持在40℃ ～50℃。通過尿素溶液輸送泵輸送至尿素水解反應(yīng)器，水解生成NH3，H2O和CO2，分解產(chǎn)物與煙氣混合均勻而后噴入脫硝系統(tǒng)，見圖1。

圖1 尿素催化水解制氨系統(tǒng)示意圖

2 尿素催化水解與尿素?zé)峤夤に噷?duì)比

尿素?zé)峤夥ㄖ瓢毕到y(tǒng)一般包括尿素制備間、斗提機(jī)、尿素溶劑罐和儲(chǔ)罐、給料泵、尿素溶液循環(huán)傳輸裝置、電加熱器、絕熱分解室(內(nèi)含噴射器)、控制裝置等設(shè)備。采用螺旋給料機(jī)將儲(chǔ)存于儲(chǔ)倉的尿素顆粒輸送到溶解罐，用除鹽水將尿素顆粒溶解成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%的尿素溶液，再利用給料泵輸送到儲(chǔ)罐;將尿素溶液經(jīng)由計(jì)量與分配裝置、霧化噴嘴等進(jìn)入絕熱分解器內(nèi)分解，生成NH3，H2O和CO2，分解產(chǎn)物與稀釋空氣混合均勻產(chǎn)生氨氣濃度小于5%的混合氣并噴入脫硝系統(tǒng)。

2.1 尿素?zé)峤夥ㄖ瓢碑a(chǎn)生的問題

尿素?zé)峤鉅t及加熱器必須考慮熱一次風(fēng)含塵對(duì)裝置的影響，并采取有效措施。電加熱器要能根據(jù)熱負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱功率。并能保證出口溫度不高于650℃。電加熱器底部需設(shè)置清灰口，能將內(nèi)部沉積的飛灰排出。

尿素?zé)峤怆娂訜岱紤]到電加熱片的易損特性，電加熱方式的綜合運(yùn)行維護(hù)成本比煙氣換熱方式要高得多;同時(shí)由于電加熱片的易損特性導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降。

如果負(fù)荷降低將導(dǎo)致熱風(fēng)溫度較低，造成熱解爐內(nèi)結(jié)晶。

2.2 尿素催化水解優(yōu)勢(shì)

1)運(yùn)行成本低:由于反應(yīng)溫度低，尿素催化水解系統(tǒng)可以利用電廠低品質(zhì)蒸汽作為加熱熱源，使電廠制氨運(yùn)行成本大幅度降低。根據(jù)已經(jīng)投運(yùn)項(xiàng)目對(duì)比，尿素催化水解單位能耗成本僅為熱解技術(shù)的14%;

2)反應(yīng)速度快:與傳統(tǒng)尿素水解相比，由于采用了催化手段，使水解反應(yīng)速度提高10倍左右，更好地滿足電站鍋爐負(fù)荷調(diào)整及脫硝用氨量變化需求;

3)系統(tǒng)可靠性高:由于尿素催化水解制氨技術(shù)取消了高溫電加熱設(shè)備，避免了設(shè)備可能出現(xiàn)的超溫隱患，提高了煙氣脫硝系統(tǒng)的整體可靠性;

4)設(shè)備布置靈活:尿素催化水解系統(tǒng)采用蒸汽作為加熱熱源，與熱解技術(shù)相比，沒有熱風(fēng)輸送距離的限制，使尿素催化水解設(shè)備可以根據(jù)現(xiàn)場條件靈活布置;

5)設(shè)備運(yùn)行靈活性高:采用蒸汽加熱方式，使尿素制氨系統(tǒng)可以避免受到鍋爐運(yùn)行工況的影響，實(shí)現(xiàn)制氨系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，在鍋爐未達(dá)到特定工況的情況下，提前啟動(dòng)制氨設(shè)備，實(shí)現(xiàn)制氨系統(tǒng)快速投用。

3 尿素普通水解和尿素催化水解制氨

1)催化水解制氨能力與氨氣需求之間的響應(yīng)時(shí)間可以縮短為1min，比普通水解提高10倍以上，可以避免脫硝系統(tǒng)氮氧化物由于制氨系統(tǒng)反應(yīng)滯后導(dǎo)致的超標(biāo)問題，滿足電廠機(jī)組靈活性調(diào)峰需要。

2)尿素催化水解反應(yīng)溫度比普通水解溫度降低20℃左右，能耗較普通水解能耗降低17%，從全生命周期考慮具有更好的成本優(yōu)勢(shì)由于溫度低，腐蝕物質(zhì)大幅度下降。

3)尿素水解工藝可能由于溫度原因產(chǎn)生氨基甲酸銨，氨基甲酸銨屬于強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)，水解反應(yīng)器采用316L等材質(zhì)可避免腐蝕，同時(shí)可通過控制產(chǎn)品氣輸送溫度避免腐蝕。

現(xiàn)就尿素水解、尿素催化水解技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)論證。表1分析對(duì)比了這兩種SCR脫硝還原劑制備工藝。

表1 尿素普通水解和尿素催化水解制氨比較

4 工程應(yīng)用

廣東某2×100 MW+2×60 MW燃煤機(jī)組采用SCR技術(shù)進(jìn)行全煙氣脫硝，采用SCR技術(shù)進(jìn)行全煙氣脫硝，液氨作為還原劑，入口 NOX按照 350 mg/Nm3(標(biāo)干，6%O2)，出口按照 NOX≤40 mg/Nm3(標(biāo)干，6%O2)設(shè)計(jì)，3層催化劑條件下在性能考核期間脫硝效率88.6%，氨逃逸不大于3 ppm，SO2/SO3轉(zhuǎn)換率不大于1%。2018年該廠4臺(tái)機(jī)組改造采用尿素催化水解制氨工藝。根據(jù)1號(hào)～4號(hào)機(jī)組超低排放改造參數(shù)及多次性能試驗(yàn)結(jié)果，改造后的尿素催化水解制氨工藝主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語

現(xiàn)有成功的尿素水解、尿素催化水解運(yùn)行案例表明，均能滿足脫硝還原劑供給的要求。目前集團(tuán)公司提出氮氧化物控制在經(jīng)濟(jì)水平下，控制水平距離排放限值較近時(shí)，如果制氨系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，很容易導(dǎo)致氮氧化物超標(biāo)問題，催化水解的快速響應(yīng)對(duì)實(shí)現(xiàn)氮氧化物的經(jīng)濟(jì)控制提供了技術(shù)保障。

通過技術(shù)上的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，尿素催化水解運(yùn)行成本低、反應(yīng)速度快、運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品氣品質(zhì)更穩(wěn)定，有利于后續(xù)SCR脫硝裝置的高效穩(wěn)定運(yùn)行。