尿素熱解法SCR煙氣脫硝中節(jié)能改造的技術及應用

孫劍

摘要：國內外火電廠煙氣的主要脫硝技術為尿素熱解法SCR（選擇性催化還原法）技術。由于其技術要點為利用熱空氣作為熱源，并且需要電加熱器等大功率設備，本文重點分析尿素熱解法節(jié)能改造的技術及應用。

關鍵詞：SCR；熱源；節(jié)能

引言

2015年三部委發(fā)布關于印發(fā)《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知。到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米）。全國新建燃煤發(fā)電項目原則上要采用60萬千瓦及以上超超臨界機組，平均供電煤耗低于300克標準煤/千瓦時（以下簡稱克/千瓦時），到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后平均供電煤耗低于310克/千瓦時。隨著國家環(huán)保法規(guī)的不斷完善，NOX作為燃煤鍋爐主要的污染物之一正逐漸引起社會和企業(yè)的高度重視。因此分析煙氣脫硝技術應用情況，對我國相關節(jié)能改造項目技術選擇具有一定的指導意義。

1.關于脫硝還原劑的選擇

目前最常用的還原劑制備方法一般有3？種：液氨法、氨水法、尿素法。出于安全性和實用性的考慮，尿素法得到更為廣泛的應用。

尿素制氨一般分為水解法和熱解法。水解法是將尿素以水溶液的形式進行分解，熱解法是直接快速加熱霧化后的尿素溶液。

1.1水解法

尿素有水解作用，在一定的溫度條件下能水解成氨氣和二氧化碳。通過控制反應溫度的升降來控制產(chǎn)生氨氣混合氣體的數(shù)量，從而適應不同鍋爐負荷的變化。尿素水解技術主要有AOD法、U2A法及SafeDeNOx？法三種。

其不足主要表現(xiàn)為：尿素水解過程中會生成一些酸性中間體（如氨基甲酸銨等），氨基甲酸銨會嚴重破壞不銹鋼表面的氧化膜，使系統(tǒng)的腐蝕速度加快，超過190℃時，一般的不銹鋼材料（如304SS）會遭受嚴重腐蝕，當超過220℃時，即使采用鈦等耐腐蝕材料，系統(tǒng)也會遭受腐蝕。管道堵塞高濃度的尿素水溶液受熱容易生成難溶于水的縮二脲及其他縮合物，這是造成尿素水解系統(tǒng)易產(chǎn)生堵塞的原因。

1.2熱解法

尿素熱解制氨技術利用高溫空氣或煙氣作為熱源，將霧化的尿素水溶液迅速的分解為氨氣，低濃度的氨氣作為還原劑進入煙道與煙氣混合后進入SCR反應器，在催化劑的作用下將氮氧化物還原成無害的氮氣和水。

其缺點和容易出現(xiàn)的故障現(xiàn)象有：

1）電加熱器耗量大、運行費用高。尿素熱解裝置在運行過程中，由于稀釋風溫度低、流量大，同時系統(tǒng)需氨量大，尿素熱解吸收較大的熱量，需要電加熱器提供的熱量就越多；

2）熱解爐尾部積物較快。熱解爐工作溫度過高（450-600℃），在使用過程中發(fā)生由于底部尾管處尿素存積過多，導致出口風量減少，系統(tǒng)供氨量不夠，直接造成熱解爐停運清理，影響脫硝裝置的可靠性。如果熱解爐內熱空氣的流量低或溫度低，都會造成尿素溶液得不到完全熱解而在尾部形成沉積。

全面對比尿素水解和熱解技術后發(fā)現(xiàn)，熱解技術比水解技術具有一定的優(yōu)越性，尤其在運行響應時間和腐蝕方面。但是也存在比如耗熱，耗電，熱解爐尾部易堵塞等現(xiàn)象，因此，下面著重對爐膛內尿素直噴技術進行介紹，這項技術很好的解決了尿素熱解制氨工藝系統(tǒng)的這些缺點。

2.爐膛內尿素直噴技術的介紹

鍋爐內尿素直接噴射制氨工藝，包括鍋爐外的尿素溶液制備系統(tǒng)、尿素溶液供給及控制裝置、以及位于鍋爐轉向室內的尿素溶液噴射器組，噴射器組與尿素供給及控制裝置以輸送管道連接，噴射器組布置在鍋爐轉向室內。

在尿素溶液制備系統(tǒng)中制備尿素溶液，尿素溶液通過供給及控制裝置通過尿素溶液輸送管道將其輸送到設置與鍋爐轉向室內的尿素溶液噴射器組，尿素溶液噴射器組噴出的尿素液滴與煙氣混合，在轉向室中被加熱并分解成氨氣。氨氣與煙氣的混合物依次穿過鍋爐省煤器、靜態(tài)混合器、煙氣導流板和整流格柵，進入裝有催化劑的SCR反應器。在催化劑作用下，氨氣與煙氣中的氮氧化物發(fā)生反應，生成無害的氮氣和水。

尿素直噴技術特點

1）對鍋爐內部結構和運行參數(shù)特性進行深入研究，通過鍋爐轉向室的流場模擬，對鍋爐變工況、變煤種、變燃燒方式進行綜合分析，尋找適合尿素溶液分解的區(qū)域。同時滿足溫度、流動方向、流動時間等各項尿素溶液分解的環(huán)境因素。利用鍋爐尾部轉向室內高溫煙氣將尿素熱解成NH₃、H₂O和CO₂，取代原有熱解爐系統(tǒng)。

2）獨特的多噴嘴噴射器結構。

3）噴射器用伸縮機構：伸縮機構可以實現(xiàn)噴槍自動退出和進入。另外噴槍噴嘴噴射長度一般為4-5m，當鍋爐內部空間較大，噴射長度要求較大時，自動伸縮機構可以滿足其要求。

4）SCR入口均流裝置改造

由于尿素直噴氨與煙氣混合程度比原熱解系統(tǒng)差，原SCR入口均流裝置需要改造，需要增加渦流混合器，對煙氣與氨氣混合提供了進一步改善的機會，保證混合均勻性。

5）在鍋爐內直接進行尿素溶液的噴射，可以利用鍋爐煙氣熱量對尿素溶液進行加熱分解，減少了傳統(tǒng)技術消耗大量高品質能源的弊端；

6）取消了傳統(tǒng)技術采用電加熱器、絕熱分解室設備，大大簡化了系統(tǒng)設備，可以使尿素制氨技術在保持原有的技術性能情況下，工程造價和運行費用大幅下降。

7）取消用于尿素熱解的鍋爐一次熱風的消耗；

8）簡化熱解系統(tǒng)，取消原有熱解制氨系統(tǒng)的爐區(qū)設備（電加熱器、熱解爐、熱風管道系統(tǒng)、AIG設備；

9）消除尿素分解不完全或低溫結晶而導致AIG結晶堵塞的風險。

3.結語

該技術的最大特點是節(jié)能降耗，降低能耗、消除由于尿素熱解熱源發(fā)生故障后的巨大損失，可以大大降低脫硝運行成本，加強火電企業(yè)脫硝的積極性。該技術具有脫硝效率高、工藝技術成熟、裝置運行穩(wěn)定、對各種煙氣適應性好等特點，且尾氣排放濃度低于50mg/m³，可以適應國家環(huán)保政策的日益嚴格和節(jié)能減排工作的需要，廣泛地應用在電力、化工、建材、造紙、印染、冶金等工業(yè)行業(yè)鍋爐煙氣、廢棄物焚燒廢氣和工業(yè)用氣等脫硝設施中，在大氣環(huán)境污染NOx的治理中發(fā)揮重要的作用。