脫硝系統(tǒng)尿素?zé)峤夤に嚰夹g(shù)及優(yōu)化措施

宋 敏

（山東晉控明水化工集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250204）

根據(jù)我國環(huán)保部門頒布的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》文件的煙氣脫硝改造計(jì)劃，要求各個地區(qū)的發(fā)電廠加強(qiáng)環(huán)保建設(shè)，切實(shí)有效地落實(shí)國家提出的政策，從技術(shù)層面上研究出更加適合的脫硝處理方案。由于傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐尿素脫硝工藝運(yùn)行過程中所耗費(fèi)時長較長且噴嘴容易堵塞，從而導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)塊情況十分嚴(yán)重，而這些都是制約尿素工藝技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展的主要原因。為此，本研究以尿素優(yōu)化改進(jìn)技術(shù)為目標(biāo)，旨在完善尿素工藝，從而有效降低尿素?zé)峤夤に囘\(yùn)行費(fèi)用，同時也能夠極大程度提高尿素工藝技術(shù)的革新與發(fā)展。

1 尿素?zé)峤夤に嚰夹g(shù)

1.1 工藝流程

尿素?zé)峤夤に嚨恼w流程為：①將尿素粉末用除鹽水溶解成尿素溶液，同時將尿素溶液的整體溫度保持在40℃以上。②將尿素溶液經(jīng)過給料泵、分配器及噴嘴后進(jìn)入熱解室[1]，然后通過空氣加熱后再進(jìn)入分解室。③經(jīng)過霧化后的尿素溶液會在熱解室內(nèi)部被徹底分解成NH3和 CO2進(jìn)入噴射系統(tǒng)。④進(jìn)入熱解室內(nèi)的霧化尿素溶液會被直接分解成NH3。整個過程的反應(yīng)方程式見式（1）~式（2）。

1.2 工藝原理

尿素?zé)峤夤に囋碇饕抢媚蛩貎Υ嫦到y(tǒng)、溶解系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)及噴射系統(tǒng)等組成，其工藝技術(shù)所用到的各項(xiàng)設(shè)備如圖1所示。

圖1 尿素?zé)峤夤に嚰夹g(shù)流程示意圖

1.3 影響因素

1.3.1 還原劑停留時間

尿素作為還原劑在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的停留時間將會直接影響脫硝效率及氨逃逸率。尿素在爐內(nèi)的停留時間越長就會與煙氣反應(yīng)時間越久，使得反應(yīng)更加充分，最后呈現(xiàn)出來的效果就更好。

1.3.2 還原劑與煙氣充分混合程度

尿素與煙氣的混合程度同樣也是決定脫硝效率的重要因素。當(dāng)尿素溶液經(jīng)過噴射系統(tǒng)時，如果噴射壓力過小，便會導(dǎo)致尿素?zé)o法穿透，從而導(dǎo)致其與煙氣的接觸面積縮小，極大影響脫硝效果；如果噴射的壓力過大，便會導(dǎo)致空氣能耗增加，從而造成鍋爐磨損嚴(yán)重[2]。

2 技術(shù)優(yōu)化難點(diǎn)

2.1 時間空間受限

本技術(shù)優(yōu)化的難度首先在于熱解系統(tǒng)需要分解大量的尿素溶液，同時整個分解過程也有時間和空間上的條件限制，很有可能會存在尿素未被完全分解的情況，使得難度增加。

2.2 停留時間較長

由于本項(xiàng)目工程所需要的氨產(chǎn)量較大，同時尿素溶液在熱解爐內(nèi)的停留時間也被拉長，與產(chǎn)量較小的停留時間相比足足多出了 5 s 左右的停留時間。長時間的停留時間容易導(dǎo)致尿素分解不穩(wěn)定而影響后續(xù)的工藝效果。

2.3 調(diào)節(jié)范圍較大

由于本項(xiàng)目改造尿素?zé)峤夤に囂幱诓▌硬环€(wěn)定的狀態(tài)，所以必須要求脫硝系統(tǒng)制氨能力滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)后能夠進(jìn)行可控調(diào)節(jié)。因此，在此基礎(chǔ)上就超過了常規(guī)氨產(chǎn)量再實(shí)現(xiàn)大幅度的調(diào)節(jié)，所以難度也相對來說較大。

3 技術(shù)優(yōu)化方案

3.1 選擇SNCR噴槍裝置

由于本項(xiàng)目脫硝技術(shù)還原劑采用的是尿素溶液，所以需要對SNCR 的噴槍重新設(shè)計(jì)改造，選取噴霧效果更好的噴槍，與此同時還應(yīng)當(dāng)增加噴量，以此提高脫硝的效率。

3.2 選擇最佳噴射位置

對循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行煙氣的脫硝改造，首先需要對尿素的噴射位置進(jìn)行確立。在進(jìn)行實(shí)際操作過程中，尿素需要通過多個噴入點(diǎn)同時進(jìn)行噴射，隨后進(jìn)入鍋爐內(nèi)部，噴嘴位置直接決定了噴灑的還原劑能否停留在爐內(nèi)的旋風(fēng)分離器中，達(dá)到脫硝效果，因此其能夠直接影響脫硝效率[3]。

3.3 使還原劑與煙氣充分混合

由于旋風(fēng)分離器在實(shí)際運(yùn)行過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣流處于不穩(wěn)定狀態(tài)，與此同時整個流場相對來說也比較復(fù)雜。將（尿素）還原劑經(jīng)過分離器入口噴入煙氣中，將會使排放出來的煙氣在其內(nèi)部進(jìn)行回旋，從而形成一道中心回流區(qū)，其作用原理是通過（尿素）還原劑與煙氣進(jìn)行充分混合，以此延長整體的反應(yīng)時間，確保脫硝反應(yīng)徹底的同時，提高脫硝效率。一般情況下，一臺鍋爐會專門配備兩個旋風(fēng)分離器，同時每個分離器都會安裝單獨(dú)的噴槍裝置，本研究改造目的是增加煙氣與還原劑之間的接觸面積，從而能夠有效增加尿素利用率，促進(jìn)脫硝更加充分。

3.4 充分處置尿素副產(chǎn)物

將尿素溶液噴射到旋風(fēng)分離器后，同樣需要經(jīng)過氨水一樣的處理操作，即：通過霧化或者蒸發(fā)使氨與氮氧化物進(jìn)行充分反應(yīng)，從而完成整個脫硝反應(yīng)。

4 尿素?zé)峤夤に噧?yōu)化

4.1 SNCR脫硝技術(shù)

SNCR 技術(shù)是指向溫度近400℃的煙氣中噴入還原劑NH3，在經(jīng)過催化劑的還原作用下，能夠?qū)⑴欧诺臒煔庵械趸衔镞M(jìn)行一系列的反應(yīng)進(jìn)而生成氮?dú)夂退?。SNCR 技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中的脫硝率能夠達(dá)到90%左右，應(yīng)用在燃煤發(fā)電的生產(chǎn)中，一般情況下能夠達(dá)到75%的脫硝率，持續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)可以達(dá)到40%左右。此外，SNCR 技術(shù)所投入的成本較低，循環(huán)流化床鍋爐所需的溫度要求其能夠正好滿足，并且循環(huán)流化床鍋爐本身就具備燃燒NOx的條件，因此最重要的一點(diǎn)是需要將SNCR 技術(shù)排出的NOx濃度降至100mg/m3（標(biāo)）以下，以此符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 熱解工藝技術(shù)

在具體實(shí)踐過程中通過對尿素?zé)峤猸h(huán)境進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，選擇環(huán)境溫度在800~900 ℃，并投入2%~10%的尿素水溶液，用以滿足尿素溶液分解溫度400~1 000℃的要求[4]，同時尿素設(shè)備通過輔助控制單元與脫硫控制系統(tǒng)相連，可以實(shí)現(xiàn)對循環(huán)泵出口處的流量、溫度、壓力及尿素溶液儲存罐液位等進(jìn)行在線動態(tài)監(jiān)控。其中的尿素被儲存在尿素儲存室中，拆開包裝后倒入處理罐中，此時脫鹽水則被蒸汽加熱到所需溫度。啟動攪拌器后，固體尿素在處理罐中被完全溶解后將會得到40%左右的尿素溶液，經(jīng)過科學(xué)配比后的尿素溶液會通過輸送泵運(yùn)送到單獨(dú)的儲存罐中進(jìn)行封閉存儲，然后再通過尿素溶液循環(huán)設(shè)備將其輸送到鍋爐尿素計(jì)量分配裝置中再次進(jìn)行存儲。尿素溶液經(jīng)過給料泵進(jìn)入霧化器中，能夠使其與蒸汽混合后形成尿素蒸汽，最后通過噴槍直接進(jìn)入爐內(nèi)。其中需要注意的是，由于噴槍位置會受到鍋爐的大小影響，倘若布置不合理將會導(dǎo)致氨逃逸率增大或者噴射尿素的還原劑過量從而導(dǎo)致分布不均。

本次尿素?zé)峤夤に嚰夹g(shù)改造（見圖2）將設(shè)置24把噴槍，分別在爐膛分三層進(jìn)行布置，每層布置8把，該方法的目的是通過增加噴槍的數(shù)量，從而使得尿素與煙氣能夠進(jìn)行充分混合。除此之外，為確保尿素噴射均勻，噴頭采用的是噴管，其中的噴口與鍋爐內(nèi)壁保持水平，便能夠有效解決噴槍磨損現(xiàn)象。此外，經(jīng)過蒸汽加熱后的尿素溶液進(jìn)入爐內(nèi)，此時其體積將會瞬間擴(kuò)大100倍以上，使得尿素溶液表面積也隨之?dāng)U大，這樣做能夠有助于其與NOx（氮氧化合物）進(jìn)行充分反應(yīng)，同時也進(jìn)一步加快了整體過程的反應(yīng)速率。整個過程的反應(yīng)方程式見式（3）~式（5）。

圖2 尿素?zé)峤庀到y(tǒng)優(yōu)化改造后

5 應(yīng)用效果

本項(xiàng)目尿素?zé)峤夤に嚫脑旒夹g(shù)將優(yōu)化后的脫硝系統(tǒng)應(yīng)用于一臺480 t/h 循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐在沒有進(jìn)行脫硝前的氮氧化物排放值為260~340 mg/m3；投入該工藝技術(shù)后的氮氧化物排放值小于140 mg/m3，總脫硝率均達(dá)到了68%。由于鍋爐在生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生大量煙氣，并且這些煙氣通常含有大量顆粒，并且這些顆粒會堵塞催化劑床，此外還可能會產(chǎn)生大量的有毒物質(zhì)，氨氣作為脫硝技術(shù)的首要還原劑，當(dāng)純氨進(jìn)入分離器的內(nèi)部后，能夠立即發(fā)生反應(yīng)。同時，氨屬于一種有毒物質(zhì)，因此目前已經(jīng)逐漸被淘汰。使用尿素作為還原劑，將尿素溶液噴入旋風(fēng)分離器之后同樣也需要經(jīng)過類似于氨水的操作原理，進(jìn)行霧化和蒸發(fā)所得出的氨與氮氧化物來完成脫硝反應(yīng)。但由于尿素本身無法將氨完全轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化的過程中會產(chǎn)生其他一些副產(chǎn)物，因此，尿素作為還原劑來使用不僅有反應(yīng)的滯后性，同時會產(chǎn)生其他雜質(zhì)，造成污染，導(dǎo)致脫硝效率低。雖然尿素的運(yùn)行費(fèi)用相對來說會高一些，但其安全性高，且無毒無害，而氨水和氨雖然運(yùn)行費(fèi)用較低，效率相對較高，但其穩(wěn)定性較差，危險(xiǎn)性較高。因此考慮到運(yùn)輸安全、存儲安全、操作安全等因素，采用尿素作為還原劑是比較理想的。經(jīng)過改造后的尿素還原劑分別在1#、2#機(jī)組進(jìn)行了試驗(yàn)，尿素的單耗都小于2.0 g/kW·h，效果良好。

此外，本次項(xiàng)目改造采用的是爐內(nèi)換熱技術(shù)，將煙氣余熱折算成標(biāo)準(zhǔn)煤，并按照相應(yīng)的價格800元/t計(jì)算得出，采用本項(xiàng)目尿素?zé)峤夤に嚰夹g(shù)的整體成本為400萬元左右，相對于電加熱方案超過近200萬元。但是，本工藝技術(shù)的年運(yùn)行成本為25~30萬元，不到半年時間即可回本。由此可見，從經(jīng)濟(jì)方面而言，選用尿素雖然單價高，但是總量小，總體成本低，并且近些年我國大部分地區(qū)的火電廠脫硝還原劑都已經(jīng)采用尿素作為首選，并且將尿素?zé)峤夤に嚰夹g(shù)作為優(yōu)質(zhì)改造技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約總體成本，同時也能夠有效提升安全性能。

6 結(jié)束語

本研究通過對尿素?zé)峤夤に囘M(jìn)行優(yōu)化改造，從還原劑（尿素）選擇、噴射方式、噴射位置、還原劑停留時間、噴槍布置等一系列環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，并將改造后的技術(shù)應(yīng)用在實(shí)際循環(huán)流化床鍋爐脫硝過程中。結(jié)果表明脫硝效率整體提升68%，同時也有效降低了氮氧化合物排放量。因此，尿素作為還原劑應(yīng)用其中能夠降低環(huán)境污染，同時提升火電廠經(jīng)濟(jì)效益，該項(xiàng)技術(shù)值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。