淺談尿素爐內(nèi)直噴熱解脫硝技術(shù)

李賓賓

摘要：簡要介紹了尿素爐內(nèi)直噴熱解技術(shù)及其工藝特點，并通過實際工程經(jīng)驗分析影響尿素直噴技術(shù)脫硝效果的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：尿素?zé)峤?；脫硝；爐內(nèi)直噴；SCR

引言

尿素?zé)峤夥⊿CR是當(dāng)今主流的安全脫硝技術(shù)，越來越多的脫硝項目采用安全的尿素替代傳統(tǒng)的液氨作為脫硝還原劑。但相對于采用液氨作為還原劑的脫硝裝置，尿素?zé)峤夤に囋O(shè)備復(fù)雜，前期投資較大，且熱解工藝所需的電耗較大已經(jīng)成為尿素?zé)峤夤に噺V泛普及應(yīng)用的主要障礙。為了突破上述技術(shù)瓶頸，洛卡環(huán)保在2014年成功研發(fā)尿素爐內(nèi)直接噴射制氨工藝技，并于次年在王灘電廠投運成功。憑借著顯著的節(jié)能降耗性能，該技術(shù)一經(jīng)推出便迅速獲得了火電企業(yè)的青睞。目前已在國內(nèi)多家火電企業(yè)成功改造運行。

1尿素直噴的工藝特點

尿素?zé)峤鉅t內(nèi)直噴技術(shù)將尿素溶液通過安裝在鍋爐轉(zhuǎn)向室內(nèi)的特殊的噴射器，直接噴射在溫度為500～700℃的鍋爐轉(zhuǎn)向室高溫?zé)煔庵校酶邷責(zé)煔獾臒崃糠纸饽蛩刂瓢?。其整個脫硝原理如下圖：

尿素爐內(nèi)直噴熱解制氨脫硝原理圖

首先，在尿素溶液制備系統(tǒng)中制備尿素溶液，尿素溶液經(jīng)由循環(huán)泵、計量裝置、分配裝置輸送到設(shè)置于鍋爐轉(zhuǎn)向室內(nèi)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(zhuǎn)向室中迅速被加熱并分解出氨氣。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(dǎo)流板和整流格柵等，進入裝有催化劑的SCR反應(yīng)器。在催化劑作用下，氨氣與煙氣中的氮氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，生成無害的氮氣和水。

與傳統(tǒng)熱解技術(shù)相比較，尿素爐內(nèi)直噴技術(shù)簡化了熱解系統(tǒng)，取消了原有熱解制氨系統(tǒng)的爐區(qū)設(shè)備（電加熱器、熱解爐、熱風(fēng)管道系統(tǒng)以及AIG系統(tǒng)），減少了電耗以及熱量消耗。具有以下工藝特點：

1）爐內(nèi)直噴是在鍋爐轉(zhuǎn)向室內(nèi)直接進行尿素溶液的噴射，利用鍋爐高溫?zé)煔獾臒崃繉δ蛩厝芤哼M行加熱分解，從而獲得SCR所需要的氨氣；而傳統(tǒng)的熱解需要消耗電能把一次風(fēng)加熱到尿素?zé)峤馑枰臏囟?。這樣爐內(nèi)直噴熱解技術(shù)就減少了傳統(tǒng)熱解技術(shù)消耗大量高品質(zhì)能源的弊端；

2）爐內(nèi)直噴取消了傳統(tǒng)熱解技術(shù)所需的電加熱器、絕熱分解室、熱風(fēng)管道系統(tǒng)以及AIG系統(tǒng)等設(shè)備，大大簡化了系統(tǒng)，且消除尿素分解不完全或低溫結(jié)晶而導(dǎo)致AIG結(jié)晶堵塞的風(fēng)險?？梢允鼓蛩刂瓢奔夹g(shù)在保持原有的技術(shù)性能情況下，工程造價和運行費用大幅下降。

3）爐內(nèi)直噴取消了用于尿素?zé)峤獾腻仩t一次風(fēng)的耗量，也不需要再消耗電能給一次風(fēng)加熱升溫，節(jié)約了運行成本。

4）由于簡化了熱解系統(tǒng)，取消了一些設(shè)備的使用，便于制定高效合理的檢修，維護計劃，從而降低檢修人員檢修維護工作量，同時降低了檢修成本。

由于爐內(nèi)直噴技術(shù)符合國內(nèi)電站煙氣脫硝技術(shù)發(fā)展趨勢和國家產(chǎn)業(yè)鼓勵政策，有利于降低能耗、消除由于尿素?zé)峤鉄嵩窗l(fā)生故障后的巨大損失。越來越多的火電企業(yè)開始將原有的尿素爐外熱解改造成爐內(nèi)直噴熱解制氨

2關(guān)鍵因素

爐內(nèi)直噴技術(shù)簡化了尿素制氨的過程，減少了傳統(tǒng)熱解所需的各種設(shè)備。為了更好的保證整個SCR系統(tǒng)效率，利用尿素爐內(nèi)直噴熱解脫硝需要解決以下幾點關(guān)鍵因素。

1）要對鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)特性進行深入研究，對鍋爐變工況、變煤種、變?nèi)紵绞竭M行綜合分析，通過對鍋爐轉(zhuǎn)向室的流場進行CFD模擬，尋找滿足溫度、流動方向、等流動時間適合尿素溶液分解的最佳區(qū)域。保證能利用鍋爐尾部轉(zhuǎn)向室內(nèi)高溫?zé)煔忭樌麑⒛蛩責(zé)峤獬蒒H3、H20和C02，取代原有熱解爐系統(tǒng)。

2）采用獨特的多噴嘴噴射器結(jié)構(gòu)，使噴射器冷卻管路從后端至前端壁厚逐漸變薄，減輕噴射器前端重量，從而能夠使其固定于煙爐中時重心后移，減少由于噴射器自身重力原因產(chǎn)生的形變。而噴射器采用伸縮機構(gòu)的做法，則能夠精確地控制噴射器運動的距離和預(yù)期深入爐膛內(nèi)的位置，在鍋爐內(nèi)復(fù)雜流場下，做到對尿素?zé)峤饪焖俜磻?yīng)的控制。

3）確定噴射器的合理噴射速度。在溶液流量一定的前提下，液滴噴射速度的增大可以加速液滴蒸發(fā)，增大液滴的有效貫穿距離，有利于不同氣體組分的混合，但是強烈的擴散降低了反應(yīng)物濃度不利于化學(xué)反應(yīng)的進行，產(chǎn)生的回流抑制了氨氣向下方的流動；液滴粒徑的增大可以延長蒸發(fā)時間但降低了蒸發(fā)速率。隨液滴粒徑的增大，液滴穿透距離增大，液滴軌跡延長至反應(yīng)區(qū)域中心，增強了混合的均勻性，但是蒸發(fā)速率的降低延緩了化學(xué)反應(yīng)的進行，降低了氨氣的產(chǎn)量。那么就需要根據(jù)計算機的模擬結(jié)果，確定噴射器的合理噴射速度，選擇一個使尿素溶液霧化以及液滴與煙氣混合的最佳范圍值。

4）選擇合理的尾部煙氣的流速，保證足夠的反應(yīng)停留時間，讓尿素可以完全熱解，不會對下游設(shè)備造成腐蝕和損害。

5）由于爐內(nèi)尿素直噴氨取消了噴氨格柵，氨氣與煙氣混合程度比原熱解系統(tǒng)差，原有SCR入口均流裝置需要改造，需要增加波紋板混合器，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。波紋板混合器是洛卡公司研發(fā)的一種用于脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)氨氣和煙氣，氮氧化物和煙氣充分混合的一種混合器裝置，它可以使?jié)舛雀叩囊粋?cè)氨氣或氮氧化物經(jīng)過波紋板混合器交叉混合后，流向濃度低的一側(cè)煙道，從而使氨氣或是氮氧化物在煙道內(nèi)得到均勻分布。經(jīng)驗證波紋板混合器阻力相對其它導(dǎo)流板阻力也是很小的，對于尿素爐內(nèi)直噴改造項目而言，波紋板混合器不失為一種優(yōu)先考慮的混合系統(tǒng)，它可以大幅度改善催化劑上方NOX/NH3濃度均勻性，減少氨逃逸。

結(jié)語

過量的尿素溶液會對爐膛內(nèi)部造成一定的腐蝕，這也是大部分火電企業(yè)對尿素爐內(nèi)直噴技術(shù)一直持觀望態(tài)度的原因，洛卡公司通過大量精密的計算，對各種工況科學(xué)的模擬，已基本解決這個問題。相信尿素爐內(nèi)直噴作為一項高效、清潔的熱解技術(shù)，會為實現(xiàn)國內(nèi)NOX超低排放做出應(yīng)有的貢獻。