煙道尿素?zé)峤庵瓢狈椒ń?jīng)濟(jì)性分析

河北大唐國際王灘發(fā)電有限責(zé)任公司 馬杰

隨著國家環(huán)保要求的提高，國家對環(huán)保治理愈發(fā)嚴(yán)苛，對節(jié)能減排工作不斷深入，目前機(jī)組進(jìn)行近零超低排放改造，發(fā)電廠燃燒煤炭的鍋爐出口NOx、粉塵和二氧化硫的超低排放標(biāo)準(zhǔn)分別為50mg/Nm3、5mg/Nm3、35mg/Nm3。

在燃煤大氣排放的污染物中，氮氧化物（NOx）是非常重要的污染物之一，當(dāng)前氮氧化物的治理技術(shù)主要為選擇性催化還原技術(shù)（SCR），就是采用氨還原劑在催化劑的作用下有選擇性地與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)并生成無毒無污染的氮?dú)?N2)和水（H2O），達(dá)到脫硝的排放標(biāo)準(zhǔn)。脫硝系統(tǒng)常選擇的還原劑為含氨物質(zhì)，包括尿素、氨水、碳酸銨等，還原劑經(jīng)過熱解、蒸發(fā)等一系列制氨裝置將含氨物質(zhì)在反應(yīng)器外制成氨氣送至SCR反應(yīng)器入口煙道的氨氣噴射格柵，利用氨氣與煙氣中的NOx反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫硝環(huán)保的目的。

其主要反應(yīng)式為[1]：

4NH3+4NO+O2—4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2—3N2+6H2O

在實(shí)際工程應(yīng)用中，尿素由于運(yùn)輸儲存方便、購買便捷、安全無爆炸隱患等優(yōu)點(diǎn)而被各工程作為選擇性催化還原脫硝技術(shù)中的還原劑[2]。

尿素作為選擇性催化還原技術(shù)脫硝還原劑就要求把尿素制成氨氣，制成的氨氣與煙氣進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器經(jīng)過脫硝催化劑進(jìn)行脫硝反應(yīng)。尿素制成氨氣的技術(shù)主要有尿素?zé)峤夂湍蛩厮鈨煞N方法。

一、尿素水解制氨

尿素水解制成氨氣的技術(shù)主要是采用蒸汽或者電等作為熱源，將尿素溶解的液體在水解反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生氨氣，國際上幾種典型的尿素水解技術(shù)主要有AOD、U2A、Ammogen及SafeDeNOx等[3]，此技術(shù)主要核心設(shè)備為水解反應(yīng)器，各技術(shù)的工藝參數(shù)略有差別。其反應(yīng)方程式如下：

NH2CONH2+H2O—NH4COONH2

NH4COONH2—2NH3+CO2

因?yàn)槟蛩厮庵瓢睔饧夹g(shù)反應(yīng)產(chǎn)生的中間物質(zhì)具有腐蝕設(shè)備從而產(chǎn)生泄漏的危險(xiǎn)、反應(yīng)遲緩啟動(dòng)慢、水解器為壓力容器、存在高濃度氨氣有爆炸危險(xiǎn)等一系列問題，因此水解在工程應(yīng)用中受到限制。

二、尿素?zé)峤庵瓢?/h2>

尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)是指尿素在高溫的情況下具有不穩(wěn)定性,在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)產(chǎn)生氨氣和二氧化碳。當(dāng)溫度大于320℃時(shí),尿素產(chǎn)生以下分解反應(yīng)：

CO(NH2)2—NH3+HNCO

HNCO+H2O—NH3+CO2

與尿素溶液水解技術(shù)相比，尿素?zé)峤饧夹g(shù)運(yùn)行穩(wěn)定、無腐蝕、性響應(yīng)時(shí)間短、無高濃度氨氣、安全可靠，因此在工程中得到廣泛應(yīng)用。

（一）爐外尿素?zé)峤庵瓢?/h3>

爐外尿素?zé)峤庵瓢绷鞒虨椋豪滹L(fēng)或者高溫約320℃的熱風(fēng)經(jīng)過熱風(fēng)爐或電加熱器或燃油加熱器后，將熱風(fēng)溫度加熱到500℃以上，500℃以上的熱風(fēng)經(jīng)過熱解設(shè)備，溶解的尿素通過噴槍霧化噴入熱解設(shè)備內(nèi)，在高溫條件下生成氨氣和二氧化碳。

爐外尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)存在以下問題：1.運(yùn)行費(fèi)用高，加熱冷風(fēng)或者熱風(fēng)需要大量的能源（電能、天然氣或者燃油）；2.工程造價(jià)高，需要加熱器、熱解爐、計(jì)量分配裝置，噴氨格柵等設(shè)備；3.熱解爐對溫度霧化要求高，容易堵塞結(jié)晶，導(dǎo)致脫硝超標(biāo)。

為了解決上述問題，爐內(nèi)高溫尿素?zé)峤饧夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

（二）爐內(nèi)高溫尿素?zé)峤庵瓢?/h3>

爐內(nèi)轉(zhuǎn)向室高溫?zé)煔饽蛩責(zé)峤庵瓢奔夹g(shù)流程為，在尿素溶解過程中制取尿素溶液，制取的尿素溶液通過高流量循環(huán)裝置輸送到位于鍋爐豎井煙道內(nèi)的多噴嘴尿素溶液噴槍中，多噴嘴尿素溶液噴槍經(jīng)霧化后將尿素溶液噴出與高溫?zé)煔饨佑|混合，在豎井煙道中利用高溫?zé)煔獾臒崃糠纸獬砂睔狻?/p>

為了保證尿素?zé)峤獾陌睔馀c煙氣充分混合，設(shè)置多噴嘴長噴槍，保證噴入的尿素溶液與煙氣混合均勻。此技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在豎井煙道內(nèi)直接利用高溫?zé)煔獾臒崃窟M(jìn)行尿素?zé)峤?，?jié)約了常規(guī)的熱解中大量消耗電能的弊端，大大降低運(yùn)行費(fèi)用；

（2）節(jié)省了常規(guī)熱解加熱器、熱解爐、噴氨設(shè)備，簡化了系統(tǒng)設(shè)備，可以在同樣的脫硝效果下大幅度降低工程建筑費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用；

（3）不消耗額外的熱一次風(fēng)；

（4）解決了爐外熱解爐和噴氨格柵尿素結(jié)晶堵塞的危險(xiǎn)。

但是，隨著此技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)如下缺點(diǎn)：

（1）多噴嘴噴槍霧化效果不能保證，當(dāng)一個(gè)噴嘴出現(xiàn)霧化不良時(shí)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，霧化效果差分解不完全，導(dǎo)致下游鍋爐受熱面腐蝕爆管，鍋爐停運(yùn)；

（2）鍋爐高溫部分鍋爐尺寸大，雖然采用多噴嘴長噴槍，也不能保證氨氣與煙氣的充分混合，氨逃逸大，尿素耗量高；

（3）多噴嘴長噴槍設(shè)備維護(hù)費(fèi)用大。

由于運(yùn)行時(shí)造成鍋爐受熱面腐蝕，爆管停運(yùn)問題較大，因此此技術(shù)市場前景堪憂，為了解決此問題，發(fā)明了煙道尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)。

（三）煙道尿素?zé)峤庵瓢?/h3>

煙道尿素?zé)峤庵瓢惫に嚨牧鞒倘缦拢簾煹罒峤庵瓢钡膰姌屧O(shè)置在省煤器灰斗后的煙道上，此處煙溫大約320℃，尿素溶液經(jīng)過此處噴槍霧化后噴入煙道內(nèi)，利用煙道內(nèi)煙氣的熱量對尿素溶液進(jìn)行熱解制成NH3和CO2，熱解后的還原劑與煙氣充分混合后進(jìn)入裝有催化劑的SCR反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行脫硝反應(yīng)，生成氮?dú)夂退瑥亩_(dá)標(biāo)排放。

此技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在省煤器灰斗后的道內(nèi)直接利用煙氣的熱量進(jìn)行尿素?zé)峤猓?jié)約了常規(guī)熱解中大量消耗電能的弊端，大大降低運(yùn)行費(fèi)用；

（2）節(jié)省了常規(guī)熱解加熱器、熱解爐、噴氨設(shè)備，簡化了系統(tǒng)設(shè)備，可以在同樣的脫硝效果下大幅度降低工程建筑費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用；

（3）不消耗額外的熱一次風(fēng)；

（4）解決了爐外熱解爐和噴氨格柵尿素結(jié)晶堵塞的危險(xiǎn)；

（5）尿素?zé)峤鈬姌尣贾檬∶浩骰叶泛蟮臒煹纼?nèi)，不會(huì)出現(xiàn)腐蝕受熱面的風(fēng)險(xiǎn)；

（6）省煤器灰斗后SCR入口煙道尺寸較小，可以保證尿素溶液與煙氣的充分混合。

由此可見，煙道尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)不但解決了爐熱解爐制氨的技術(shù)缺陷，還解決了爐外尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)的缺陷。

三、煙道尿素?zé)峤庵瓢苯?jīng)濟(jì)性分析

某鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司按照從美國CE公司引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的亞臨界壓力，一次中間再熱，控制循環(huán)汽包爐，單爐膛，P型布置，全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)，半緊身封閉。鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為2030t/h，機(jī)組電負(fù)荷為600MW。

本工程建造時(shí)采用尿電加熱熱解爐制備脫硝所需氨氣，兩臺鍋爐建造一個(gè)尿素溶解、儲存區(qū)，鍋爐原始氮氧化物濃度為300mg/Nm3，脫硝按83.4%的脫硝效率進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。

其工藝流程為：尿素顆粒存放在房間內(nèi)，由斗提升機(jī)提升到尿素溶解罐里進(jìn)行溶解，制成50%左右濃度的尿素溶液，通過輸送泵運(yùn)輸?shù)饺芤簝?。儲罐中的溶液?jīng)由高流量循環(huán)泵輸送到計(jì)量與分配裝置內(nèi)進(jìn)行計(jì)量分配，計(jì)量好的尿素溶液通過噴槍霧化噴入熱解爐內(nèi)進(jìn)行熱解，在高溫?zé)犸L(fēng)作用下生成NH3和CO2，分解產(chǎn)生的氨氣與熱風(fēng)一起經(jīng)過噴氨格柵噴入脫硝入口煙道內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。

此工程熱解爐電加熱制氨系統(tǒng)的電加熱器功率為770KW，熱解爐為六支槍熱解爐。常規(guī)運(yùn)行電加熱700KW左右，運(yùn)行費(fèi)用較高，另外，運(yùn)行過程中熱解爐尾部經(jīng)常結(jié)晶，導(dǎo)致脫硝超標(biāo)停運(yùn)。

為了減少運(yùn)行費(fèi)用，保證鍋爐脫硝的穩(wěn)定運(yùn)行，對鍋爐進(jìn)行煙道尿素?zé)峤飧脑欤谑∶浩骰叶烦隹跓煹涝O(shè)置6支煙道熱解噴槍，每個(gè)反應(yīng)器入口增加3支噴槍，每個(gè)噴槍6個(gè)噴嘴，左右各3個(gè)，保證煙氣與霧化噴射的尿素溶液充分混合。運(yùn)行畫面如圖1。

圖1 尿素?zé)煹罒峤膺\(yùn)行畫面

由運(yùn)行畫面可知，運(yùn)行煙道尿素?zé)峤庵瓢背隹贜Ox濃度完全達(dá)標(biāo)，尿素耗量與爐外熱解制氨相當(dāng)。

煙道尿素?zé)峤庵瓢备脑旌蟮慕?jīng)濟(jì)效益分析如下：

煙道熱解制氨工藝運(yùn)行以后，熱解爐電加熱器等原制氨設(shè)備可以停止運(yùn)行，而原爐外尿素?zé)峤庵瓢彪娔転?00KW/h，按年運(yùn)行7500h、電費(fèi)0.4元/KW計(jì)算，爐外尿素?zé)峤饷磕赀\(yùn)行電費(fèi)約為210萬元，煙道尿素?zé)峤庵瓢边\(yùn)行后，爐外熱解電加熱器停運(yùn)，每年節(jié)省電費(fèi)約210萬元，另外煙道尿素?zé)峤庵瓢辈粫?huì)出現(xiàn)熱解爐電加熱制氨中導(dǎo)致尿素分解不完全的尾部結(jié)晶現(xiàn)象，從而導(dǎo)致脫硝不能達(dá)標(biāo)排放，此部分的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益巨大，還可以保證鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行。

四、結(jié)論

（1）由煙道尿素?zé)峤庵瓢惫に噾?yīng)用可知，此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鍋爐SCR脫硝的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）煙道尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)投運(yùn)后，爐外電加熱器停運(yùn)可以節(jié)省大量的能源和運(yùn)行費(fèi)用。

（3）煙道尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)可以消除電加熱器熱解爐制氨技術(shù)中熱解爐尾部結(jié)晶堵塞導(dǎo)致脫硝停運(yùn)煙氣排放超標(biāo)的問題，有很好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

（4）煙道尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)解決了爐內(nèi)高溫尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)的腐蝕受熱面，影響鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的缺點(diǎn)。

綜上，煙道尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)是一種日常維護(hù)運(yùn)行節(jié)約、工程造價(jià)低、調(diào)節(jié)性能好保證脫硝穩(wěn)定運(yùn)行的制氨技術(shù)，具有很好的市場前景。