淺談尿素水解制氨工藝中稀釋風(fēng)系統(tǒng)配置

王麗娟（航天環(huán)境工程有限公司，天津300000）

隨著環(huán)保要求的不斷提高，大氣污染物排放濃度要求達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，氮氧化物的處理效率一般要求在90%左右，因此選擇性催化還原法（SCR）成為脫硝最常用的工藝。SCR工藝中的還原劑由有三種，液氨、尿素和氨水。其中，液氨法的脫硝運行成本最低，尿素次之，氨水最貴[1]。目前國內(nèi)SCR煙氣脫硝中85%以上采用液氨作為還原劑。但是，液氨是乙類危險化學(xué)品，存在嚴(yán)重的安全隱患，國能安全[2017]65 號要求2017 年-2019 年全面強化危險化學(xué)品安全監(jiān)管[2]，國家限令整改。氨水風(fēng)險低于液氨，但運輸成本大。還原劑采用尿素分解，安全無毒，且易于儲存。因此，國內(nèi)SCR 脫硝中液氨改尿素水解的工程越來越多[3]。

尿素水解制氨工藝是利用蒸汽通過蒸汽盤管間接加熱40%～60%的尿素溶液使之發(fā)生反應(yīng)，尿素可以水解為氨氣、二氧化碳和水蒸氣[4]。水解反應(yīng)器出口的產(chǎn)品氣為三種氣體混合氣，溫度為140～160℃，而混合氣溫度在133℃以下水蒸氣會產(chǎn)生回凝，發(fā)生逆反應(yīng)，生成氨基甲酸銨[5]。生成的氨基甲酸銨是白色晶體，會堵塞管道或設(shè)備，因此與產(chǎn)品氣混合的稀釋風(fēng)溫度不低于200℃，為高溫氣體。稀釋風(fēng)系統(tǒng)可以采取不同的配置。

1 不同稀釋風(fēng)系統(tǒng)介紹

1.1 熱一次風(fēng)+旋風(fēng)除塵器

鍋爐型式不同，空預(yù)器出口的熱一次風(fēng)的溫度不同，但一般在300-400℃之間，滿足尿素水解后產(chǎn)品氣對稀釋風(fēng)溫度的要求。且稀釋風(fēng)需要的風(fēng)量一般小于熱一次風(fēng)風(fēng)量的2%，對鍋爐系統(tǒng)的影響可忽略不計。風(fēng)壓在大于8kpa，滿足稀釋風(fēng)風(fēng)壓要求。但一次風(fēng)含塵較高，容易導(dǎo)致噴氨管道堵塞和噴嘴磨損，需在一次風(fēng)管路上設(shè)置旋風(fēng)除塵系統(tǒng)。旋風(fēng)除塵器一般布置于SCR脫硝的原有平臺上，不需要新增鋼架和平臺。旋風(fēng)除塵器借助于離心力將塵粒從氣流中分離并捕集于器壁，再借助重力作用使塵粒落入灰斗，不需要配電，不增加電負(fù)荷。其結(jié)構(gòu)簡單，易于制造、安裝和維護(hù)管理，設(shè)備投資和操作費用都較低。稀釋風(fēng)的熱量來源于鍋爐煙氣，運行成本較低。這種稀釋風(fēng)系統(tǒng)的配置只適用于有鍋爐的脫硝系統(tǒng)，其他設(shè)備如燒結(jié)機、球團(tuán)、工業(yè)窯爐等沒有高溫的熱一次風(fēng)。

1.2 冷風(fēng)+蒸汽暖風(fēng)器

暖風(fēng)器主要由熱交換器、軸流風(fēng)機等組成。熱交換器根據(jù)通入熱媒的不同可以采用多種形式的換熱排管。軸流風(fēng)機配用低噪音、高效率葉片、風(fēng)量大、風(fēng)速均勻穩(wěn)定。軸流風(fēng)機或一次風(fēng)機抽取常溫空氣，將空氣送入蒸汽交換器進(jìn)行加熱。蒸汽交換器為管式換熱器，殼程通入溫度高于250℃的蒸汽，管程通入冷空氣。根據(jù)換熱管的型式不同分為翅片管和光管換熱器。當(dāng)系統(tǒng)利舊一次風(fēng)機時，這種稀釋風(fēng)系統(tǒng)不需要配電，不增加電負(fù)荷，只消耗蒸汽。當(dāng)系統(tǒng)新增稀釋風(fēng)機時，需要配電，同時消耗電和蒸汽。暖風(fēng)器可以布置于SCR 脫硝的原有平臺上或地面，不需要新增鋼架和平臺。稀釋風(fēng)的熱量來源于蒸汽，運行成本較高。這種稀釋風(fēng)系統(tǒng)的配置適用于任何有蒸汽的脫硝系統(tǒng)，如鍋爐、燒結(jié)機、球團(tuán)、工業(yè)窯爐等。

1.3 冷風(fēng)+煙氣換熱器

第三種稀釋風(fēng)系統(tǒng)與1.2 中介紹的稀釋風(fēng)系統(tǒng)類似，稀釋風(fēng)由一次風(fēng)機出口或者獨立的稀釋風(fēng)機提供，初始風(fēng)溫同環(huán)境溫度，大氣基本不含塵，且均增加一個換熱器。區(qū)別是煙氣換熱器是干凈稀釋風(fēng)和煙氣的換熱，煙氣換熱器可以布置于煙道內(nèi)，也可以布置于SCR脫硝的原有平臺上。當(dāng)煙氣換熱器布置于煙道內(nèi)時，需要煙道有一定距離的水平或者豎直段，換熱器的布置不對煙道內(nèi)流場產(chǎn)生影響，不會增加煙氣的阻力。這種布置的設(shè)備安裝周期較長，主機停機時間長。當(dāng)煙氣換熱器布置于SCR 脫硝的原有平臺上時，需要平臺有空間安裝換熱器，且從煙道引出的煙氣進(jìn)入換熱器后阻力不能太大，引出的煙氣量較小，對原有系統(tǒng)不能造成影響。這種布置的主機停機時間短，只需要停機進(jìn)行煙道開孔和管道對接。稀釋風(fēng)的熱量來源于煙氣，運行成本較低。這種稀釋風(fēng)系統(tǒng)的配置適用于任何煙氣溫度高于250℃且布置容許的脫硝系統(tǒng)，如鍋爐、燒結(jié)機、球團(tuán)、工業(yè)窯爐等。

1.4 冷風(fēng)+電加熱器

第四種稀釋風(fēng)系統(tǒng)與1.2 和1.3 中介紹的稀釋風(fēng)系統(tǒng)有相同部分，即冷的稀釋風(fēng)提供方式相同，由一次風(fēng)機出口或者獨立的稀釋風(fēng)機提供，初始風(fēng)溫同環(huán)境溫度。當(dāng)工程現(xiàn)場沒有蒸汽或者蒸汽溫度不夠，采用中低溫脫硝煙氣溫度不夠或現(xiàn)場布置不容許時，新增電加熱器將稀釋風(fēng)從室溫加熱到180℃或更高。新增的電加熱器布置于SCR脫硝的原有平臺上或地面，不需要新增鋼架和平臺。稀釋風(fēng)的熱量來源于電的轉(zhuǎn)換，運行成本最高。這種稀釋風(fēng)系統(tǒng)的配置適用于任何脫硝系統(tǒng)，當(dāng)前三種配置都無法實現(xiàn)時，采用這種稀釋風(fēng)系統(tǒng)。

2 工程概況及方案比較

2.1 工程概況

遼寧某發(fā)電廠裝備4×300MW 機組，采用哈爾濱鍋爐廠設(shè)計制造的亞臨界壓力、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐。原有SCR脫硝還原劑采用液氨，響應(yīng)國家政策將氨氣制備工藝改造為尿素水解制氨工藝。四臺機組負(fù)荷相同，單爐煙氣量為1015413Nm3/h（標(biāo)干，6%O2），SCR脫硝入口NOx濃度為400mg/Nm3（標(biāo)干，6%O2），脫硝出口NOx 濃度為50mg/Nm3（標(biāo)干，6%O2），消耗的氨氣為145.9kg/h，將氨氣稀釋到5%以下并考慮10%的余量，需要的稀釋風(fēng)量為4020Nm3/h。

2.2 具體方案

四臺機組一次熱風(fēng)風(fēng)量為232770 Nm3/h，溫度為351-375℃，一次風(fēng)壓在10-12kpa。經(jīng)分析，稀釋風(fēng)量為一次熱風(fēng)的1.73%，風(fēng)溫和風(fēng)壓均滿足要求，可以采用第一種稀釋風(fēng)配置。新增旋風(fēng)除塵器，布置于SCR脫硝鋼架平臺上。

采用第二種稀釋風(fēng)系統(tǒng)配置，利舊原有冷風(fēng)稀釋風(fēng)機（原有稀釋風(fēng)機壓頭余量較大，可以克服暖風(fēng)器新增的阻力），新增蒸汽暖風(fēng)器。所用蒸汽取自鍋爐吹灰器用氣，品質(zhì)為3.11MPa、332℃。將稀釋風(fēng)溫度從-5℃升到200℃，蒸汽耗量為0.72t/h。蒸汽暖風(fēng)器布置于脫硝鋼架平臺上。

采用第三種稀釋風(fēng)系統(tǒng)配置，利舊原有冷風(fēng)稀釋風(fēng)機（原有稀釋風(fēng)機壓頭余量較大，可以克服加熱器新增的阻力），新增換熱器。將稀釋風(fēng)溫度從-5℃升到200℃，換熱量為380kw，換熱面積約為125m2，換熱器尺寸約為5.6m×4.3m×1.6m（h），尺寸較大，沒有可以安裝換熱器的平臺。因此采用煙道內(nèi)放置換熱器。

采用第四種稀釋風(fēng)系統(tǒng)配置，利舊原有冷風(fēng)稀釋風(fēng)機（原有稀釋風(fēng)機壓頭余量較大，可以克服電加熱器新增的阻力），新增電加熱器。電加熱器的功率為396kw，尺寸約為1.0m×6.0m×1.6m（h），可以布置于脫硝鋼架平臺上。

2.3 方案對比

四種配置方案從新增設(shè)備、初始投資、適應(yīng)負(fù)荷變化能力、施工停爐周期、熱源來源、存在隱患和運行維護(hù)費用進(jìn)行對比，見表2-1：

表2-1 四種配置方案對比表（按照年運行7200h計）

注：蒸汽按照180元/t估算，電費按照0.78元/kw·h估算。

從對比結(jié)果可以看出，初始投資相差不多，運行費用相差較大，主要是蒸汽加熱器需要耗費蒸汽，電加熱器需要消耗電能。四種配置方案基本都能適應(yīng)機組負(fù)荷變化。冷風(fēng)+煙氣換熱器的配置方案停爐時間較長，需要將換熱器分段安裝在煙道內(nèi)。由于旋風(fēng)除塵器除塵效率最高約為70%，熱風(fēng)中還是有顆粒物，存在堵塞噴氨格柵的隱患。

3 結(jié)語

冷風(fēng)+煙氣加熱器配置沒有動設(shè)備，只增加換熱器一個靜設(shè)備，初始投資較低，且能適應(yīng)機組負(fù)荷變化。在運行過程中檢修維護(hù)簡單，運行費用較低，且無任何隱患。因此，當(dāng)氨氣制備采用尿素水解工藝時，其稀釋風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)采用冷風(fēng)+煙氣加熱器配置。