SCR煙氣脫硝工藝還原劑系統(tǒng)分類與應用

李靖菀

摘? 要：SCR煙氣脫硝工藝常用的還原劑系統(tǒng)包括液氨系統(tǒng)、氨水系統(tǒng)、尿素熱解及水解系統(tǒng)，而如何選擇最合適的還原劑系統(tǒng)一直是燃煤電廠、鋼廠、垃圾焚燒發(fā)電廠等最為關注的問題之一。該文通過對不同還原劑系統(tǒng)可靠性、安全性和經濟性這3個方面的對比分析發(fā)現(xiàn)，液氨與氨水系統(tǒng)可靠性高，但存在一定的安全風險。而尿素熱解和水解系統(tǒng)，如果設計不當均可能會造成管道堵塞。尿素水解還需考慮中間產物腐蝕反應器及定期排污等問題。因此，從系統(tǒng)可靠性來看，尿素熱解系統(tǒng)高于水解系統(tǒng)。通過對以600 MW燃煤機組為例的各還原劑系統(tǒng)的經濟性進行對比可以得出，液氨系統(tǒng)占有絕對的優(yōu)勢，而氨水系統(tǒng)的運行費用最高。在中、大型機組上，尿素水解系統(tǒng)固定投資和運行費用都要低于尿素熱解系統(tǒng)。然而，對于小型機組來說，熱解系統(tǒng)更有市場競爭力。以上結論可為電廠及非電行業(yè)SCR脫硝還原劑系統(tǒng)的選型提供參考依據(jù)。

關鍵詞：SCR;尿素熱解;尿素水解;液氨系統(tǒng)

中圖分類號：TQ610? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

SCR與SNCR技術是目前最為成熟且應用最普遍的2種煙氣脫硝技術，其原理都是利用還原劑與煙氣中對環(huán)境有害的NOx反應生成無害的N2和H2O。作為脫硝反應中最大的消耗品，還原劑的選擇至關重要。常用的脫硝還原劑有液氨、氨水及尿素3種。

1 SCR脫硝還原劑系統(tǒng)對比

1.1 系統(tǒng)可靠性對比

對于系統(tǒng)可靠性來說，液氨系統(tǒng)與氨水系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢。原因是系統(tǒng)相對簡單，產生氨氣的過程僅是一個物理氣化過程，且系統(tǒng)響應迅速。尿素熱解與水解系統(tǒng)均涉及尿素分解的化學反應。尿素熱解轉化率受熱解爐內溫度流場的影響較大。如果熱解爐內存在溫度相對冷點或由保溫不當造成溫度偏低，會導致尿素分解不完全，生成三聚氰酸、三聚氰酸—酰胺、縮二脲等物質[1]。上述物質沉積在熱解爐出口，造成堵塞，嚴重時影響SCR脫硝催化劑表面活性及下游設備的安全運行。為了解決該問題，一些公司對熱解系統(tǒng)的設計和運行方面進行了很多改善。首先，在熱解爐入口安裝旋流裝置，既提高了熱解爐自噴槍以下的流場和溫度的均勻度，又增加了尿素溶液在爐內的停留時間，使尿素分解完全。其次，在計量分配模塊上設置壓縮空氣流量及尿素溶液流量報警裝置，一旦壓縮空氣流量低于限值或尿素溶液流量高于限值，系統(tǒng)自動報警且自動停止尿素溶液噴射器，從而避免因霧化效果差造成尿素分解不完全。最后，設置自動沖洗裝置，一旦出現(xiàn)噴射器堵塞，立即啟動沖洗。

另外，近年來隨著非電行業(yè)（如鋼廠燒結機、垃圾焚燒爐）煙氣脫硝項目的增加，一些采用尿素熱解的項目在SCR反應器中出現(xiàn)了結晶。出現(xiàn)該問題的原因是燒結機、垃圾焚燒爐正常運行的煙溫低于220 ℃，比燃煤電廠300℃～420℃的煙溫要低得多。尿素熱解過程中，絕大多數(shù)尿素均能完成反應（1）和（2），僅有極少量的尿素只進行反應（1）。反應（1）的產物異氰酸在溫度高于300 ℃時，與煙氣中的氮氧化物也能進行反應（3），對脫硝系統(tǒng)功能無影響。然而，當溫度低于220 ℃時，異氰酸會通過反應（1）的逆反應重新生成尿素，反應器內有結晶的風險。為了降低該風險，可以在熱解爐出口增設防逆反裝置，內部布置將異氰酸轉化成氨氣的催化劑。

尿素熱解工藝的主要反應：

與尿素熱解相似，在尿素水解過程中，如果溫度過低，會產生三聚氰胺與縮二脲等物質。與熱解不同的是尿素中的雜質在水解過程中會不斷濃縮。為防止設備及管道堵塞，需要定期排污。因排污水中含有對環(huán)境有害的縮二脲和微量的Cr6+，因此污水需經過處理后才能達到排放標準[2]。

尿素水解系統(tǒng)除了上述問題外，還需考慮中間產物（氨基甲酸銨）的腐蝕性。該物質可破壞不銹鋼表面的氧化膜，且隨溫度升高破壞性加劇。當超過190 ℃時，普通不銹鋼材料會被腐蝕，如果繼續(xù)升溫到220 ℃，反應器必須采用耐腐蝕的鈦和鋯內襯。然而，水解反應器內的溫度也不可過低，如果低于140 ℃，氨基甲酸銨易在反應器壁上結晶。因此，項目實際運行過程中必須控制水解反應器內的溫度在一個適宜的窗口內。

1.2 安全性對比

近年來，各地氨氣泄漏事故不斷發(fā)生[3]，國家對液氨等危險品的管控也日益嚴格。越來越多的新建SCR脫硝項目選擇尿素制氨，也有不少已建項目開始進行液氨改尿素的工程改造。氨水系統(tǒng)盡管比液氨系統(tǒng)安全得多，但是氨水揮發(fā)出的氨氣達到一定濃度時會對人體造成傷害。若達到爆炸極限，也會造成嚴重的安全事故。因此， 與液氨系統(tǒng)相同，氨水系統(tǒng)也需要考慮防爆、防腐、泄漏監(jiān)測及事故應急救援預案。與液氨、氨水相比，尿素無疑是最安全的SCR脫硝還原劑。其中，尿素熱解系統(tǒng)不需要壓力容器，比尿素水解系統(tǒng)更安全。

1.3 經濟性對比

液氨系統(tǒng)工藝簡單、設備數(shù)量少、容量小，因此固定投資是上述4種還原劑系統(tǒng)中最低的。由于氨水濃度不高，在相同氨需量的前提下，氨水系統(tǒng)所需的設備容量大，因此固定投資稍高于液氨系統(tǒng)。尿素熱解與水解系統(tǒng)相對復雜，設備較多，投資成本也較高。尿素水解反應器需一用一備及防爆設計，對于氨需量較小的單機組項目來說，其投資成本往往會高于熱解系統(tǒng)。相反，對于氨需量較大的機組或多機組項目來說，尿素熱解因需要電加熱器或煙氣換熱器，投資及運行成本會超過水解系統(tǒng)。

以600 MW燃煤機組為例，氨需量按450 kg/h，年運行小時數(shù)按 8 000 h計算。假設尿素熱解采用300 ℃的熱一次風作為稀釋風，從運行經濟性角度考慮，液氨系統(tǒng)是最優(yōu)選擇，而氨水系統(tǒng)是最后的選擇，其主要原因是產生同等的氨氣所需的各還原劑的比例為1∶4∶1.78∶1.96（液氨系統(tǒng)∶25%濃度的氨水系統(tǒng)∶尿素熱解系統(tǒng)∶尿素水解系統(tǒng)）。而氨水系統(tǒng)僅還原劑費用就超過了其他系統(tǒng)各項運行費用的總和。尿素熱解系統(tǒng)的運行費用稍高于尿素水解系統(tǒng)是因為熱解電耗遠高于水解，見表1。各還原劑系統(tǒng)運行費用分項對比如圖1所示。

2 對比情況分析

近年來，在新建SCR煙氣脫硝項目中，采用尿素熱解的項目比例有明顯增加的趨勢，并且也出現(xiàn)了不少液氨改尿素的項目。一方面反映了企業(yè)對國家加強安全生產政策的積極響應，另一方面也說明了隨著愈來愈多的項目采用尿素熱解系統(tǒng)，其系統(tǒng)可靠性在不斷改進，運行能耗也隨著設計的改進而降低。例如，早期的尿素熱解項目稀釋風多采用經電加熱器加熱后的環(huán)境空氣或熱一次風，其較高的運行能耗令一些企業(yè)望而卻步。而近年來對于能耗較大的項目，業(yè)主更傾向于采用煙氣換熱的方式將稀釋風直接換熱升溫至尿素熱解所需的溫度。對比已得到廣泛應用的熱解系統(tǒng)，水解系統(tǒng)在SCR煙氣脫硝上應用的時間較短，仍存在不少技術問題。首先，水解產物在溫度低于140 ℃時可形成冷凝物，腐蝕316 L不銹鋼管道和閥門，造成氨氣泄漏。其次，水解反應器屬于壓力容器，與屬于常壓容器的熱解爐相比，安全性要低。另外，多數(shù)業(yè)主要求水解系統(tǒng)上的電氣設備采用防爆產品，這就增加了投資成本。

3 結語

在SCR煙氣脫硝還原劑系統(tǒng)的選擇問題上，一直沒有較明確的參考準則。該文通過從系統(tǒng)可靠性、安全性及經濟性3個方面對比4種SCR煙氣脫硝還原劑系統(tǒng)，綜合分析了近年來新建及改造的項目，得出以下3個結論。1）液氨系統(tǒng)。系統(tǒng)可靠性及固定投資占優(yōu)，安全性一般，其應用需考慮液氨易燃易爆的安全性風險，以及因政策改變而必須進行液氨改尿素所造成的經濟風險。2）氨水系統(tǒng)。系統(tǒng)安全性略高于液氨系統(tǒng)，但經濟性處于劣勢。3）尿素系統(tǒng)。分為熱解系統(tǒng)和水解系統(tǒng)。就系統(tǒng)可靠性來看，兩者都有管道堵塞的風險，但是尿素熱解系統(tǒng)經過多年來的大量應用，得到了不斷改善，發(fā)生上述風險的可能性要比水解系統(tǒng)低得多。另外，在水解過程中，尿素中的雜質不會同熱解反應一樣在高溫下氣化后進入脫硝反應器，而是會在水解反應器內不斷濃縮，因此必須設置定期排污和進行污水處理。就目前來看，尿素熱解系統(tǒng)的可靠性高于水解系統(tǒng)。然而，尿素水解系統(tǒng)在運行費用上要優(yōu)于熱解系統(tǒng)。從固定投資方面考慮，選擇熱解還是水解視項目規(guī)模而定。由于水解反應器需要一用一備及電氣設備防爆，對于單臺小機組來說，水解系統(tǒng)的固定投資往往高于熱解系統(tǒng)。對于中、大型或者多臺機組的項目來說，熱解系統(tǒng)中的電加熱器或換熱器是造成其投資成本高于水解系統(tǒng)的主要因素。如果企業(yè)傾向于采用能耗較低的尿素水解系統(tǒng)，需重點考察設計公司如何處理水解上的技術問題。對于氨需量較低的小機組來說，采用尿素熱解或水解在能耗上的差異不大，但是熱解系統(tǒng)的固定投資低于水解系統(tǒng)，建議采用比較成熟的熱解系統(tǒng)。

參考文獻

[1]劉成武，劉政修，王力彪，等.脫硝尿素熱解系統(tǒng)沉積物形成原因分析及對策[J].熱力發(fā)電，2013，42（3）：53-57，62.

[2]陳曦，王軍麗.尿素水解制氨工藝廢液處理方法討論[J].環(huán)境與發(fā)展，2018，30（3）：88-90.

[3]楊濤，王旭炎，李艷輝，等.氨氣泄漏事故的統(tǒng)計及后果分析[J].計算機與應用化學，2011，28（10）：1285-1288.