摘要： 近年來,由于尿素制氨比液氨法具有更高的安全性,在SCR脫硝新建或改造項(xiàng)目中,液氨站越來越多地被尿素制氨系統(tǒng)取代.本文以遼寧某電廠為例,探討與對(duì)比了尿素?zé)峤馀c尿素催化水解兩種尿素制氨技術(shù).從電廠長(zhǎng)期運(yùn)行角度來說,尿素催化水解制氨法更具有經(jīng)濟(jì)性.
選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)是目前脫硝最常用的技術(shù)手段，它應(yīng)用廣泛、效率高、技術(shù)成熟。SCR常用的還原劑有三種，液氨、尿素和氨水。其中，氨水投資成本最高，液氨最低，且液氨法的脫硝運(yùn)行成本也最低。因此，目前燃煤電廠投運(yùn)的SCR煙氣脫硝中常采用液氨作為還原劑。但是，隨著科技與社會(huì)的發(fā)展，安全生產(chǎn)更受重視，液氨泄露的危險(xiǎn)因素逐漸成為還原劑選擇時(shí)的重要考慮因素。而尿素作為無危險(xiǎn)的制氨原料，可以被方便地運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用。相應(yīng)的，尿素?zé)峤庵瓢焙湍蛩厮庵瓢奔夹g(shù)就得到了更多的推廣和應(yīng)用。
由于國(guó)家要求在2020年之前對(duì)燃煤電廠全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，其中氮氧化物排放濃度需滿足不超過50mg/Nm3，各燃煤電廠先后進(jìn)行了超低排放改造。遼寧某電廠于2013年為3#、4#機(jī)組（2×350MW）配置了煙氣脫硝系統(tǒng)，采用液氨作為SCR工藝還原劑。借此超低排放改造的契機(jī)，也為了進(jìn)一步滿足工廠安全生產(chǎn)的要求，該電廠決定將原液氨站拆除，改造為尿素制氨系統(tǒng)，為3#、4#機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)提供所需的還原劑氨。
1 工藝介紹
1.1 尿素?zé)峤庵瓢惫に?/p>
尿素?zé)峤庵瓢惫に?，是從空預(yù)器處引出約1%總風(fēng)量的鍋爐一次風(fēng)或二次風(fēng)(約300℃)。在一次風(fēng)或二次風(fēng)壓力低的情況下，需用高溫風(fēng)機(jī)輸送。由于熱解需要在約350～650℃下進(jìn)行，一次風(fēng)或二次風(fēng)需再次經(jīng)過電加熱器的加熱。經(jīng)過加熱后的熱風(fēng)溫度達(dá)到熱解需要的溫度后，50%質(zhì)量濃度的尿素溶液被噴入熱解室進(jìn)行熱解。
尿素?zé)峤庵瓢惫に嚨姆磻?yīng)如下：
CO (NH2)2→NH3+HNCO
HNCO+ H2O→NH3+CO2
其基本原理如圖1所示。
1.2 尿素催化水解制氨工藝
尿素催化水解技術(shù)是在傳統(tǒng)尿素水解工藝的基礎(chǔ)上，提出的一種改進(jìn)型尿素制氨技術(shù)。在催化劑的作用下，水解反應(yīng)速率大幅提高。
尿素催化水解制氨工藝反應(yīng)如下：
CO(NH2)2 +2H2O→CO2+2NH4OH （1）
2NH4OH +催化劑→中間產(chǎn)物+ +2H2O （2）
中間產(chǎn)物→2NH3+催化劑（3）
綜合反應(yīng)：CO(NH2)2 + H2O→CO2+ 2NH3
其基本原理如圖2所示：
在溫度135~160℃、壓力約0.4~0.9MPa時(shí)，熔融狀態(tài)的尿素在催化劑的催化作用下進(jìn)行快速水解反應(yīng)，生成氨氣（NH3）、CO2和水蒸氣的混合氣。其中NH3體積分?jǐn)?shù)為37.5%，反應(yīng)器出口氨氣濃度較高，需要將其稀釋至5%后供脫硝系統(tǒng)使用。稀釋風(fēng)為鍋爐一次風(fēng)或加熱后的空氣。近年來，該系統(tǒng)已越來越多地應(yīng)用于大型機(jī)組，安全、穩(wěn)定，技術(shù)成熟先進(jìn)。
1.3 尿素?zé)峤馀c催化水解工藝比較
2 工程概況及改造方案比較
遼寧某電廠3#和4#機(jī)組BMCR 工況脫硝系統(tǒng)入口煙氣NOx濃度為400mg/Nm3（標(biāo)、干、6%O2），脫硝裝置的設(shè)計(jì)效率>87.5%，SCR出口濃度為50mg/Nm3（標(biāo)、干、6%O2）。脫硝超低排放改造設(shè)計(jì)需氨量為每臺(tái)爐160kg/h，兩臺(tái)鍋爐共用一個(gè)還原劑儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)。
2.1 尿素溶液制備和儲(chǔ)存系統(tǒng)
遼寧某電廠于2014年進(jìn)行了1#、2#機(jī)組（容量2×670t/h）SNCR脫硝改造，已配套建設(shè)了一套尿素溶液制備和儲(chǔ)存系統(tǒng)。廠區(qū)現(xiàn)有尿素溶液配制罐1個(gè)，V=10m3。如仍然需要按照1次/天的要求配制尿素溶液，則尿素配制罐容積要求V=31m3。廠區(qū)現(xiàn)有尿素儲(chǔ)存罐，2個(gè)，單個(gè)儲(chǔ)罐V=40.5 m3，總?cè)莘e81m3，原設(shè)計(jì)按6.4天用量考慮。如果加上3#、4#爐尿素用量，若不擴(kuò)容，僅能存儲(chǔ)2.1天尿素用量；若仍需按照7天的尿素儲(chǔ)存量考慮，則需尿素儲(chǔ)存罐總?cè)莘e216m3。
根據(jù)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷情況綜合考慮，電廠為3#和4#鍋爐新建一套尿素配制及儲(chǔ)存系統(tǒng)，并在新尿素車間統(tǒng)一考慮4臺(tái)鍋爐的尿素堆料場(chǎng)。
2.2 尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)
設(shè)置2臺(tái)熱解爐（每臺(tái)機(jī)組各一臺(tái)），每臺(tái)熱解爐配置1套計(jì)量分配裝置。經(jīng)過計(jì)量和分配裝置的尿素溶液由噴射器噴入熱解爐。
該廠鍋爐的一次風(fēng)溫度為300～330°C，壓力為10～17kPa，可直接作為尿素?zé)峤夥磻?yīng)的稀釋風(fēng)來源。設(shè)置2臺(tái)電加熱器（每臺(tái)機(jī)組各1臺(tái)），功率約700kW。高溫風(fēng)機(jī)將鍋爐一次風(fēng)加壓后，送至電加熱器進(jìn)行加熱，使其溫度提升并維持適當(dāng)?shù)哪蛩責(zé)峤夥磻?yīng)溫度。
熱解爐出口氨氣濃度<5%，可直接由噴氨系統(tǒng)進(jìn)入煙道與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)。
2.3 尿素催化水解制氨系統(tǒng)
每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1套尿素催化水解模塊，單臺(tái)水解器最大制氨能力按單臺(tái)機(jī)組需氨量的1.5 倍設(shè)計(jì)，即最大制氨能力為240kg/h。兩臺(tái)水解器中間設(shè)有聯(lián)絡(luò)管線，可以實(shí)現(xiàn)熱備用。稀釋風(fēng)系統(tǒng)利舊，另設(shè)置一套催化劑供給料系統(tǒng)、減溫減壓系統(tǒng)、尿素催化水解反應(yīng)器用廢水系統(tǒng)和疏水系統(tǒng)。
每臺(tái)機(jī)組設(shè)置2套氨氣空氣混合器，給鍋爐兩個(gè)煙道提供脫硝用氨氣。
設(shè)置1套氨氣計(jì)量模塊對(duì)進(jìn)入SCR反應(yīng)器的氨氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足脫硝裝置在鍋爐50%BMCR～100%BMCR之間任何負(fù)荷運(yùn)行的要求。
2.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
對(duì)該電廠脫硝超低排放改造采用尿素?zé)峤庵瓢惫に嚺c采用催化水解制氨工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)果如表2所示。
就公用系統(tǒng)而言，尿素水解與熱解的尿素車間大致相同。尿素催化水解車間一般考慮與尿素車間合建，而熱解爐則布置于爐區(qū)SCR附近。從占地來說，尿素?zé)峤庵瓢辈贾酶鼮榫o湊。但對(duì)該電廠來說，廠區(qū)有足夠空地，且為3#、4#鍋爐新建的尿素車間可與催化水解反應(yīng)區(qū)合建，整體布置更為協(xié)調(diào)。因此，占地并不是該廠主要考慮的因素。
從項(xiàng)目投資來看，尿素催化水解工藝系統(tǒng)造價(jià)與熱解系統(tǒng)相比略低（或相當(dāng)），但其能耗明顯低于熱解方案，其運(yùn)行費(fèi)用也明顯低于熱解方案。而經(jīng)濟(jì)效益是電廠更為關(guān)注的內(nèi)容，因此，從長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性角度來說，尿素催化水解工藝系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。
3 結(jié)論
尿素水解制氨系統(tǒng)因其工藝穩(wěn)定可靠、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為尿素制氨系統(tǒng)的主流技術(shù)。目前，考慮到能耗成本及實(shí)際運(yùn)行效果，也有已配置熱解系統(tǒng)的電廠進(jìn)行催化水解系統(tǒng)改造的例子。因此，綜合考慮各項(xiàng)因素，遼寧某電廠3#、4#機(jī)組（2×350MW）脫硝超低排放改造中，將液氨站改造為尿素催化水解制氨系統(tǒng)，可滿足電廠運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。
