SCR脫硝尿素?zé)峤庵瓢睙峤怙L(fēng)制備工藝

姚海明，周 萍，高月容（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

SCR脫硝尿素?zé)峤庵瓢睙峤怙L(fēng)制備工藝

姚海明，周 萍，高月容
（江蘇科行環(huán)?？萍加邢薰荆K 鹽城 224051）

工業(yè)煙氣SCR法脫硝被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)窯爐。氨是SCR脫硝工藝中普遍使用的還原劑，其制取的工藝主要有液氨制取、氨水制取、尿素制取等。安全性要求高的系統(tǒng)一般采用尿素制氨法。尿素?zé)峤庵瓢笔菓?yīng)用較多的一種工藝，其熱解風(fēng)的制取也有多種方式。文章介紹了尿素?zé)峤庵瓢惫に囍袩峤怙L(fēng)的制取方式。

SCR脫硝；還原劑；尿素?zé)峤?；熱解風(fēng)制取

1　前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)、社會的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們越來越重視生活環(huán)境質(zhì)量。尤其是不斷出現(xiàn)的“霧霾”天氣，使人們對燃煤鍋爐的粉塵、SO2和NOx的排放治理更為關(guān)注。當(dāng)前，工業(yè)窯爐煙氣NOx的脫除是環(huán)境治理的重點(diǎn)之一。NOx治理通俗地稱為脫硝，就是將煙氣中已經(jīng)生成的NOx通過一定的工藝方式轉(zhuǎn)化成無害的N2和H2O等物質(zhì)而脫除。目前已有工業(yè)應(yīng)用的脫硝工藝主要有：選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）、氧化吸收法、吸附法等，其中SCR法是脫硝效率最高、技術(shù)最成熟，在大、中型火電鍋爐中應(yīng)用最普遍的技術(shù)。采用SCR法脫硝的總體工藝布置相似，只在脫硝還原劑的制備工藝上有所區(qū)別。

SCR脫硝所用的還原劑主要以含氨基為主的原料，常用的原料有液氨、氨水、尿素等。液氨（液化的，含氨＞50%）屬于《聯(lián)合國危險品編號》規(guī)定之23003號危險品，其運(yùn)輸與儲存都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2006）及《石油化工企業(yè)防火設(shè)計規(guī)范》（GB50160-2006）的相關(guān)規(guī)定，液氨儲罐與周圍的工廠、道路和建筑等有嚴(yán)格的安全距離要求。含氨10%～35%的氨水為82503號危險品，《聯(lián)合國危險品編號》規(guī)定之2672，與液氨相比，其安全性有很大的提高，氨水的濃度一般為20%左右，運(yùn)輸成本較高，因而應(yīng)用受到局限。隨著國家對環(huán)境、生產(chǎn)和生活等安全的日益重視，火電廠使用氨時在審批、工期、占地等諸多方面也受到越來越多的制約。尿素?zé)峤猓ɑ蛩猓┑漠a(chǎn)物為NH3，具有與氨相同的脫硝性能，但是尿素是性質(zhì)較穩(wěn)定的固體，運(yùn)輸、儲存和使用沒有其他法規(guī)的限制。

在脫硝還原劑原料的選擇上，企業(yè)可根據(jù)所處的地理位置、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、交通運(yùn)輸、物料來源等各項因素綜合考慮。在人居集中區(qū)，考慮到安全性一般選用尿素作為制備還原劑-氨的原料。尿素制氨主要有尿素水解和尿素?zé)峤庵瓢眱煞N工藝，本文主要討論尿素?zé)峤庵瓢?，其尿素?zé)峤怙L(fēng)的來源與制備是關(guān)鍵工藝點(diǎn)之一。

2　尿素?zé)峤怙L(fēng)制取工藝

利用尿素?zé)峤夥ㄖ瓢弊鳛镾CR脫硝還原劑的工藝，一般用在燃煤電站鍋爐、垃圾焚燒鍋爐、熔爐等工業(yè)窯爐煙氣SCR脫硝系統(tǒng)中。尿素?zé)峤庵瓢惫に囀菍①|(zhì)量濃度為50%左右的尿素溶液霧化后，經(jīng)高溫（450℃～650℃）熱解生成氨（NH3）、水（H2O）和二氧化碳（CO2），其中的氨即為SCR脫硝系統(tǒng)所需的還原劑。從熱解爐出來的含氨混合氣體通過特定管路和分配模塊進(jìn)入到SCR反應(yīng)器進(jìn)口煙道的氨噴射格柵噴入到煙氣中并與煙氣充分混合，混合后的煙氣在流經(jīng)反應(yīng)器中催化劑的表面時，氨將NOx還原為N2和H2O，達(dá)到脫除煙氣中的氮氧化物（NOx）的目的。

尿素?zé)峤夤に嚨闹饕瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

CO（NH2）2→NH3+ HNCO（尿素 → 氨 + 異氰酸）

HNCO + H2O →NH3+ CO2（異氰酸 + 水 → 氨 + 二氧化碳）

尿素在溫度高時不穩(wěn)定，會分解成NH3（氨）和HNCO（異氰酸），HNCO再與水發(fā)生反應(yīng)生成NH3（氨）和CO2（二氧化碳）。上述反應(yīng)可以綜合為：

CO（NH2）2+ H2O → 2NH3+ CO2（尿素 + 水 → 氨 +二氧化碳）

2.1引鍋爐一次風(fēng)（或二次風(fēng)）尿素?zé)峤夥?/p>

尿素溶液熱解制氨的溫度約在600℃～650℃，進(jìn)入熱解爐的常溫尿素溶液需要吸收一部分熱量，工藝上通常將熱解風(fēng)作為尿素?zé)峤膺^程中熱量的來源。熱解風(fēng)只提供熱量，并不參與熱解反應(yīng)過程，因此，其來源可以有多種渠道，如：用天燃?xì)狻⒉裼?、丙烷等燃料在空氣中燃燒使空氣加熱，然后將熱空氣供給熱解系統(tǒng)作為熱源。

在實(shí)際工程實(shí)踐中，為了節(jié)約能源、降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，最常采用的做法是：通過一個高溫引風(fēng)機(jī)，從鍋爐尾部的空預(yù)器引出一部分熱一次風(fēng)或二次風(fēng)（熱風(fēng)溫度在280℃～320℃），通過電加熱器將其溫度再次提升到熱解室所需的溫度（600℃～650℃）后，送入熱解爐內(nèi)。計量后的尿素溶液和霧化壓縮空氣通過噴槍噴入到熱解室合適溫度段內(nèi)，霧滴受熱汽化并發(fā)生熱解。

尿素?zé)峤庵瓢惫に囘^程具體見圖1。

圖1　引空預(yù)器一、二次風(fēng)制取氨熱解風(fēng)工藝

尿素分子的熱解過程理論上只需零點(diǎn)幾秒鐘的時間，但在實(shí)際工藝過程中，受霧化粒徑大小的影響，熱風(fēng)需要在熱解室內(nèi)停留較長時間。這是因為，尿素溶液霧滴受熱解爐內(nèi)熱風(fēng)的熱傳導(dǎo)，霧滴最外層的尿素溶液升溫，水分首先蒸發(fā)并發(fā)生尿素分子的熱解，然后才是霧滴次外層尿素溶液的水分蒸發(fā)和分子的熱解。這個過程一直持續(xù)到尿素溶液霧滴蒸發(fā)和熱解完全完成為止。

尿素溶液霧滴粒徑大小與熱解完成時間的關(guān)系見下表。

尿素溶液霧滴粒徑與蒸發(fā)熱解時間的關(guān)系表

采用此種尿素?zé)峤夤に嚂r，必須注意：1）引用的一次風(fēng)必須是不含硫、低含塵性質(zhì)的熱風(fēng)；2）因所需的稀釋熱解風(fēng)量一般為2000～3000m3/h，對于460t/h以上的鍋爐，所用一次風(fēng)量只占到鍋爐一次風(fēng)量的1%以下，對鍋爐用風(fēng)影響甚微，對于效能要求不苛刻的鍋爐來說，可以應(yīng)用此法，這樣可大幅減少熱解系統(tǒng)的能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用；3）對于沒有預(yù)留一次風(fēng)或二次風(fēng)風(fēng)量的鍋爐，采用此法時會受到限制，改造難度較大，且會增加改造費(fèi)用。

2.2鍋爐煙氣預(yù)加熱潔凈空氣制尿素?zé)峤怙L(fēng)工藝

一般中大型鍋爐采用的都是回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的換熱元件圍繞主軸做連續(xù)圓周轉(zhuǎn)動，在熱煙氣流經(jīng)空預(yù)器的蓄熱式換熱元件時，將換熱元件加熱；加熱后的換熱元件旋轉(zhuǎn)到冷空氣側(cè)時，蓄積在換熱元件上的熱量將接觸的冷空氣加熱，換熱元件自身溫度降低，完成一個圓周的轉(zhuǎn)動；當(dāng)換熱元件繼續(xù)進(jìn)行第二個圓周的轉(zhuǎn)動時，重復(fù)從熱煙氣中吸熱、冷空氣中放熱的過程。由于熱煙氣、冷空氣與換熱元件直接接觸，因而在一、二次風(fēng)中不可避免會滲進(jìn)煙氣中的飛灰，影響一、二次風(fēng)的質(zhì)量。

同樣，對燃燒劣質(zhì)煤的煤粉鍋爐，一、二次風(fēng)中的飛灰濃度會更高。當(dāng)引用一、二次風(fēng)作為尿素?zé)峤怙L(fēng)時，長期運(yùn)行后會造成噴氨格柵（AIG）上噴嘴的堵塞，這是非常不好和麻煩的事情，必須要增設(shè)“噴氨管道壓縮空氣定期吹掃裝置”，因而會增加工藝的復(fù)雜性和運(yùn)行成本。

因此，在不便引用鍋爐一、二次風(fēng)作為熱解風(fēng)的情況下，可采用將干凈冷空氣預(yù)加熱后作為熱解風(fēng)來源的工藝。即增加離心風(fēng)機(jī)，將干凈空氣輸送到預(yù)設(shè)在SCR反應(yīng)器系統(tǒng)中的盤管式熱交換器。盤管式熱交換器一般設(shè)置在反應(yīng)器灰斗、出口煙道等部位。熱煙氣將換熱器盤管管壁加熱，盤管管壁再將熱量傳遞給流經(jīng)內(nèi)部的冷空氣。使冷空氣在換熱器內(nèi)預(yù)加熱到300℃左右溫度后，再通過熱解爐前電加熱器的再加熱，將溫度提升到600℃～650℃后送入熱解爐。具體工藝過程見圖2。

圖2　潔凈空氣預(yù)熱尿素?zé)峤怙L(fēng)系統(tǒng)工藝

此種工藝是通過熱交換管的管壁來傳導(dǎo)熱量，鍋爐熱煙氣從管道外壁流過，空氣從熱交換管道內(nèi)流過。因為是直穿流過，空氣流動順暢，但空氣在管內(nèi)停留時間較短，加熱效果相對不太理想。另外，因熱交換管是固定在反應(yīng)器灰斗的兩側(cè)壁板上，管外的熱煙氣溫度高于管內(nèi)的冷空氣，會引起熱交換管的熱膨脹，這要求管道兩端或一端需設(shè)置吸收膨脹的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并易損壞、不利于密封。

2.3優(yōu)化型鍋爐煙氣預(yù)加熱潔凈空氣制尿素?zé)峤怙L(fēng)工藝

針對上述尿素?zé)峤怙L(fēng)制取工藝的缺點(diǎn)，設(shè)計出一種優(yōu)化型的結(jié)構(gòu)（見圖3），運(yùn)用引風(fēng)機(jī)引一定量的純凈空氣到SCR反應(yīng)器的預(yù)加熱器，初始預(yù)加熱到300℃左右，再經(jīng)過熱解爐前的電加熱器將熱空氣加熱提升到600℃～650℃后送入熱解爐。從圖3可以看出，空氣從SCR反應(yīng)器灰斗一側(cè)的進(jìn)風(fēng)箱進(jìn)入內(nèi)部的熱交換管道，空氣經(jīng)過半圓弧彎轉(zhuǎn)向后回到灰斗同側(cè)的出風(fēng)箱，熱空氣從出風(fēng)箱出來后送去熱解爐前的加熱裝置（一般用電加熱）加熱達(dá)到預(yù)定溫度（600℃左右）后送入熱解爐。

圖3　優(yōu)化型鍋爐煙氣預(yù)加熱潔凈空氣制氨氣熱解風(fēng)工藝示意

此種工藝的優(yōu)點(diǎn)是通過轉(zhuǎn)向半圓弧彎來消除熱膨脹，無需在管道兩端設(shè)立吸收膨脹裝置，延長了煙氣在熱交換管道內(nèi)的停留時間，加熱效果好，結(jié)構(gòu)工藝性、適用性優(yōu)勢明顯。缺點(diǎn)是熱交換管是懸臂型布置，受其自身重力影響，遠(yuǎn)端會向下彎垂，并且反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過灰斗的煙氣流速達(dá)6～10m/s，對熱交換管道也有一定的向下作用力，所以需要給每根熱交換管設(shè)置吊掛、固定裝置，保證設(shè)備的牢固性。這需要給其足夠強(qiáng)度著力點(diǎn)，通常是在SCR反應(yīng)器灰斗的入口處布置吊掛支撐梁。

不管運(yùn)用哪種熱解風(fēng)工藝，從熱解爐出來的還原劑煙氣需保持在320℃以上，因為熱解爐內(nèi)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風(fēng)道內(nèi)形成結(jié)晶，久之就會形成沉積物堵塞熱解爐出口。為防止尿素在熱解爐底部結(jié)晶沉積，就必須保證尿素?zé)峤鉅t內(nèi)有合適流量的熱解風(fēng)和合適的溫度，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時，為防止高溫氨氣混合氣體中的水冷凝，需要對熱解爐出口到噴氨AIG這段系統(tǒng)上的管道和設(shè)備保溫處理，防止熱的混合氣體中的水蒸汽冷凝后，吸收氨氣生成氨水腐蝕設(shè)備。

3　工程實(shí)例

內(nèi)蒙古國華準(zhǔn)格爾發(fā)電有限責(zé)任公司#1、#2、#3、#4機(jī)組脫硝改造工程，采用了優(yōu)化型潔凈空氣預(yù)熱尿素?zé)峤怙L(fēng)工藝，現(xiàn)均已投運(yùn)。采用的潔凈空氣預(yù)熱尿素?zé)峤怙L(fēng)工藝系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，SCR脫硝系統(tǒng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。

北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司烏海熱電廠2×200MW機(jī)組煙氣脫硝改造工程，采用了優(yōu)化型潔凈空氣預(yù)熱尿素?zé)峤怙L(fēng)工藝，目前系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試結(jié)束。采用的潔凈空氣預(yù)熱尿素?zé)峤怙L(fēng)工藝系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，SCR脫硝系統(tǒng)性能指標(biāo)都能達(dá)到設(shè)計要求。

4　結(jié)語

以上三種尿素?zé)峤怙L(fēng)制取的工藝方案都是在工程實(shí)踐中經(jīng)常使用的型式，在實(shí)際應(yīng)用中各有其優(yōu)缺點(diǎn)，這需要結(jié)合應(yīng)用單位自身的情況來選用。社會工業(yè)的發(fā)展總伴隨著工業(yè)技術(shù)的改進(jìn)和革新，目前的工藝雖然是有效的，但并不是完美無缺的，尚有待在實(shí)踐中探索出更加先進(jìn)優(yōu)異的方案。

［1］ 盧承政.燃機(jī)過渡煙道尿素?zé)峤庵瓢惫に嚨难芯浚踆］.西安熱工院蘇州分院，2011.

［2］ 汪建光.燃煤電站SCR脫硝技術(shù)中尿素?zé)峤夂退庵瓢奔夹g(shù)對比［J］.環(huán)保技術(shù)，2008.

［3］ 段傳和，夏懷祥.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術(shù)［M］.北京：北京電力出版社，2009 .

Preparation Technology of Pyrolysis Wind of Preparation Ammonia of Pyrolysis in SCR Denitration Urea

YAO Hai-ming， ZHOU Ping， GAO Yue-rong
（Jiangsu Cohen Environmental Protection Science and Technology Co.， Ltd， Jiangsu Yancheng 224051， China）

The method of SCR denitration of industrial flue gas is widely used in various industrial kilns and boilers. Am?monia， as reducing agent， is widely used in SCR denitration technology. Usually， the preparation of ammonia from urea is adopted in high security system. This paper mainly introduces the preparation method in the preparation of ammonia process of urea pyrolysis.

SCR denitration； reducing agent； urea pyrolysis； manufacturing of pyr olysis wind

X701

A

1006-5377（2016）08-0065-04