尿素為還原劑燃煤煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用與分析

摘要：隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，能源的消耗量越來(lái)越大，環(huán)境污染問題也隨之越來(lái)越嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變與污染的控制逐漸受到國(guó)家與社會(huì)的廣泛關(guān)注，因此燃煤電廠鍋爐的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格。為減少大氣中的氮氧化物和酸雨問題，燃煤煙氣的脫硝就顯得尤為重要。因尿素的運(yùn)輸、儲(chǔ)存安全性高，作為還原劑進(jìn)行脫硝備受關(guān)注。本文基于對(duì)采用尿素為還原劑的選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）和噴淋洗滌法三種脫硝方法的分析，探究不同技術(shù)應(yīng)用過程存在的問題，并提出相應(yīng)解決措施，以期各位同行參考。

關(guān)鍵詞：尿素;還原劑;燃煤技術(shù);脫硝

依據(jù)火電容量的預(yù)測(cè)與燃煤增量的估計(jì)，十二五期間我國(guó)的火電電廠NO。x的排放總量將由2010年的l050X104 t增至1200 X104t左右。這將極大地危害人身健康和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。鑒于NOx對(duì)大氣環(huán)境的不利影響以及目前火電廠NOx排放控制的嚴(yán)峻形勢(shì)， 根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，自2012年1月1日起新建的火力發(fā)電廠二氧化硫的排放限值為≤100mg/Nm3，特別排放限值為≤50mg/Nm3。另根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局三部委聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020）》【發(fā)改能源[2014]2093號(hào)文】通知中的要求，東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物中氮氧化物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，氮氧化物排放濃度不高于50mg/Nm3），中部地區(qū)新建機(jī)組原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，鼓勵(lì)西部地區(qū)新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。由此可知，控制燃煤電廠NOx排放量是電力企業(yè)污染重點(diǎn)治理工作之一。

一、尿素制氨SCR脫硝技術(shù)

SCR由于其反應(yīng)溫度較低、脫硝效率高（其脫硝效率可達(dá)到90%以上）、運(yùn)行可靠及二次污染小等優(yōu)點(diǎn)，成為控制煙氣中NOx的首選方法。在SCR技術(shù)中，催化劑是核心，其成本約占SCR系統(tǒng)總成本的20%～40%，催化劑的性能直接影響NOx的脫除效果。還原劑的來(lái)源主要有液氨、氨氣和尿素三種。出于安全性及實(shí)用性的考慮，尿素—氨轉(zhuǎn)化系統(tǒng)生成NH，得到了更為廣泛的應(yīng)用與關(guān)注[1]。

（一）工藝原理

尿素制氨工藝一般采用水解法或熱解法。水解法是將尿素以水溶液的形式加以分解，熱解法是直接快速加熱霧化后的尿溶液，得到固態(tài)或熔化態(tài)尿素，純尿素在加熱條件下分解，為SCR提供氨。

1.水解法

尿素水解法制氨的工藝原料為干態(tài)顆粒尿素，使用高溫、高壓蒸汽對(duì)尿素溶液進(jìn)行水解，得到最終產(chǎn)物為NH3、CO2和H20的混合物，減壓后直接進(jìn)入SCR系統(tǒng)噴氨裝置。反應(yīng)為分兩步進(jìn)行的吸熱反應(yīng)，在一定的壓力和溫度條件下反應(yīng)達(dá)到平衡，通過控制反應(yīng)溫度的升高和降低來(lái)控制產(chǎn)生氨氣混合氣體的數(shù)量，從而適應(yīng)不同鍋爐負(fù)荷的變化。水解反應(yīng)器在一個(gè)較高溫度及壓力接近平衡的工況條件下運(yùn)行，利用蒸汽間接換熱，反應(yīng)器維持一個(gè)閉合的物料平衡。在反應(yīng)過程中，要使尿素的水溶液水解成NH3，需要一定的條件和時(shí)間，因此其跟蹤機(jī)組負(fù)荷變化的速度稍慢，響應(yīng)時(shí)間約5—15min。

2.熱解法

其反應(yīng)過程是將高濃度的尿素溶液噴入熱解室，在溫度300—650℃熱煙氣或熱風(fēng)條件下，液滴蒸發(fā)，得到固態(tài)或者熔化態(tài)的尿素。純尿素在加熱條件下分解，為SCR反應(yīng)提供氨氣。但是，尿素在150℃條件下不穩(wěn)定，分解生成HNCO和NH3。HNCO在水蒸汽存在的條件下發(fā)生水解，生成NH3和CO2。NH3作為SCR還原劑，在催化劑作用下將NO還原成N2和H2O。熱解法屬于直接快速加熱霧化后的尿素溶液進(jìn)行分解，跟蹤機(jī)組負(fù)荷變化的速度較快，響應(yīng)時(shí)間僅為5～10 s。由于控制反應(yīng)條件不同，這兩種方法產(chǎn)生的污染物也不一樣。熱解法原則上不會(huì)產(chǎn)生造成SCR設(shè)備堵塞的聚合物。由于水解法是在高壓條件下進(jìn)行，水解反應(yīng)器內(nèi)又儲(chǔ)存著NH，這樣氨溶液造成設(shè)備腐蝕導(dǎo)致泄漏[2]。全面比較尿素水解和熱解技術(shù)后發(fā)現(xiàn)，熱解技術(shù)比水解技術(shù)具有一定的優(yōu)越性，尤其在運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間和腐蝕方面。

（二）系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

尿素?zé)峤庵瓢盨CR與液氨SCR工藝具有同等的脫硝性能。首先，在溶解系統(tǒng)中將尿素配制成質(zhì)量濃度為40%～50%的尿素溶液，然后將其輸送到儲(chǔ)罐，尿素溶液經(jīng)過大流量循環(huán)裝置后，一部分輸送到計(jì)量和分配裝置，由噴射器噴入絕熱分解室。熱解室利用天然氣或柴油燃燒后的煙氣進(jìn)行加熱，助燃空氣為冷空氣或者空氣預(yù)熱器的出口熱風(fēng)（也可直接采用電加熱，稀釋空氣采用空氣預(yù)熱器的出口熱風(fēng)）。霧化的尿素溶液在熱解室完全分解，分解產(chǎn)物NH，與稀釋空氣混合后進(jìn)入SCR噴氨系統(tǒng)。尿素?zé)峤夥ㄖ瓢惫に嚲哂幸韵绿攸c(diǎn)：操作簡(jiǎn)單可靠，基本不需要人力和維護(hù);跟蹤機(jī)組負(fù)荷變化能力較強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間短;沒有高壓容器，不產(chǎn)生中間聚合物，無(wú)氨泄漏，不存在安全隱患;尿素系統(tǒng)不需防火和安全間距，占地面積小。

二、尿素為還原劑的SNCR脫硝技術(shù)

（一）工藝原理

以NH尿素等為還原劑，霧化后注入鍋爐或者靠爐內(nèi)的熱量蒸發(fā)霧化。在適宜的溫度范圍內(nèi)，氣相的氨或尿素分解為自由基NH3和NH2。在特定的爐膛溫度（900—1150 ℃）和氧存在的條件下，還原劑與NOx的反應(yīng)優(yōu)于其他反應(yīng)。因此，可以認(rèn)為是選擇性化學(xué)過程。煙氣所含NOx中90%為NO，所以脫硝過程以脫除NO為主，對(duì)于大型電站鍋爐，其脫硝效率控制在20～40%之間。

（二）系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

由于SNCR是利用爐膛高溫獲得較高的活化能，所以，它不需要催化劑。SNCR系統(tǒng)主要由尿素溶液儲(chǔ)存與制備系統(tǒng)、尿素溶液稀釋模塊、尿素溶液傳輸模塊、尿素溶液計(jì)量模塊以及尿素溶液噴射系統(tǒng)組成。由于尿素以固體形式運(yùn)輸，需要先將其溶解制備成質(zhì)量濃度為～50%的尿素溶液，尿素溶液經(jīng)尿素溶液輸送泵輸送至計(jì)量分配模塊之前，與稀釋水模塊輸送過來(lái)的水混合，尿素溶液被稀釋為10%的尿素溶液，然后在噴入爐膛之前，再經(jīng)過計(jì)量分配裝置的精確計(jì)量分配至每個(gè)噴槍，然后經(jīng)噴槍噴入爐膛，進(jìn)行脫硝還原反應(yīng)。SNCR技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要改變現(xiàn)有鍋爐的設(shè)備設(shè)置，而只需在現(xiàn)有的燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上增加氨或尿素儲(chǔ)槽，氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可;系統(tǒng)投資小;阻力小;對(duì)鍋爐的正常運(yùn)行影響較小;占地面積小。

三、尿素噴淋洗滌技術(shù)

（一）反應(yīng)機(jī)理

尿素法煙氣噴淋洗滌技術(shù)可同時(shí)脫硫、脫硝、除塵，煙氣經(jīng)過尿素吸收劑與添加劑混合液一次性洗滌。煙氣與尿素溶液接觸，其中的NO。被還原生成N2，尿素反應(yīng)生成CO2和H2O;SO2則與尿素反應(yīng)生成硫酸銨，凈化后的煙氣由煙囪直接排放，反應(yīng)溶液可制成肥料綜合利用，其脫硝效率控制在"""" %之間。請(qǐng)作者核實(shí)后填上

（二）工藝系統(tǒng)

燃煤電廠鍋爐煙氣經(jīng)除塵器除塵后，從塔底進(jìn)入吸收塔，煙氣在吸收塔內(nèi)完成脫硫、脫硝，凈煙氣經(jīng)除霧器除霧后進(jìn)入煙囪排入大氣。吸收液由循環(huán)水池經(jīng)水泵增壓后自塔頂噴淋而下。氣液兩相在塔內(nèi)完成洗滌、吸收。吸收后尾液流向塔底進(jìn)入循環(huán)池沉淀池中沉淀分離。分離后上部尾液泵入蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)。沉淀分離池底部的灰渣泵去灰渣池進(jìn)一步分離，分離液回循環(huán)池。煙氣經(jīng)過吸收劑與添加劑混合液一次性洗滌，煙氣中SO2、NOx，同時(shí)被吸收凈化，副產(chǎn)物為銨肥可以回收利用。該技術(shù)工藝流程、設(shè)備簡(jiǎn)單，操作人員少、易操作維護(hù)，投資和運(yùn)行費(fèi)用低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[3]。

四、存在問題及解決措施

（一）尿素運(yùn)輸進(jìn)料問題

采用尿素作為還原劑的優(yōu)點(diǎn)是流程簡(jiǎn)捷、安全可靠。但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)尿素都采用袋裝形式，無(wú)散裝尿素，且沒有專門用來(lái)運(yùn)送散裝尿素的罐車，無(wú)法解決尿素在運(yùn)輸過程中的吸潮現(xiàn)象。在國(guó)內(nèi)SNCR或SCR技術(shù)運(yùn)用的過程中解決途徑：將尿素存放車間，當(dāng)配制尿素溶液時(shí)，采用人工作業(yè)的方式，用起重機(jī)將尿素運(yùn)至卸料平臺(tái)，通過人工將尿素倒進(jìn)卸料斗內(nèi)，進(jìn)入尿素配制罐。其特點(diǎn)是：投資少，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，布置容易，但工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，尿素配料濃度準(zhǔn)確度不高。

（二）尿素在運(yùn)輸過程中結(jié)晶問題

由于尿素溶解過程是吸熱反應(yīng)，其溶解熱高達(dá)～241.8 J/g。因此，尿素溶液在輸送的過程中容易結(jié)晶。在尿素溶液的配制過程中需配置功率強(qiáng)大的熱源，最經(jīng)濟(jì)的就是利用電廠的蒸汽進(jìn)行加熱。在尿素溶液的管道輸送過程中，可以采用蒸汽管道伴熱方式，即在尿素管道旁邊伴隨1根蒸汽管道，然后把兩根管道做整體保溫處理。

（三）尿素管路結(jié)垢問題

在整個(gè)尿素脫硝工藝中，尿素溶液總是處于被加熱狀態(tài)。若尿素的溶解水和稀釋水的硬度過高，在加熱過程中水中的鈣、鎂離子會(huì)造成脫硝系統(tǒng)的管路結(jié)垢、堵塞，可在尿素中添加阻垢劑或采用除鹽水作為脫硝工藝水。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙冬賢，劉紹培.尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)在SCR脫硝中的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2009，38（8）：65—67.

[2]彭代軍.鍋爐煙氣脫硝尿素?zé)峤馀c水解制氨技術(shù)對(duì)比[J].能源與節(jié)能，2014，7（1）：185-187.

[3]孫藝心.尿素?zé)峤庵苽溥€原劑系統(tǒng)在脫硝改造項(xiàng)目上的應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2013，5（7）：12-14.