鍋爐煙氣脫硝尿素直噴的節能改造與系統優化

摘要：針對國內鍋爐煙氣脫硝尿素直噴運行過程中存在的問題，從物耗、尿素分解率、副產物等方面進行分析，對當前成熟的尿素煙氣直噴技術和尿素水解技術路線進行比較，形成尿素直噴節能改造的最佳技術路線?，F場運行實踐表明，采用尿素催化水解技術對尿素直噴進行改造，脫硝系統制氨可靠性得到大幅提高，優化了物耗、尿素利用率、對鍋爐內鋼管的影響等指標，節能改造的投資回收期為1～2 a。

0引言

nox是產生酸雨、光化學煙霧的主要因素，對人體健康和生態環境造成嚴重威脅，因此為了控制煤燃燒后產生過多的nox，對煙氣進行脫硝處理。脫硝是指將燃燒煙氣中nox轉化為無毒無害氣體的過程,nox與還原劑nh3在一定條件下發生氧化還原反應，生成n2和水，滿足脫硝改造的要求。

氨屬于可燃、易爆、有毒、具腐蝕性物質，危險類別為2.3類?！督ㄖO計防火規范》(gb 50016—2014)“儲存物品的火災危險性分類”規定，氨為乙類儲存物品。氨是有毒物質，為gb 12268—2012規定的23003號危險品，導致人急、慢性中毒，嚴重時可致人死亡，其輸送、卸料、貯存和使用時必須遵守《危險化學品安全管理條例》《關于加強化學危險物品管理的通知》《常用化學危險品貯存通則》及其他相關的國家標準與法規要求。液氨制氨工藝存在火災、爆炸、中毒、灼燙等危險。

根據《危險化學品重大危險源辨識》(gb18218—-2009)，氨為危險化學品，其臨界量為10 t，若超出即屬于重大危險源。隨著國家環保政策的實施，作為脫硝還原劑的液氨、氨水涉及到安全問題，已逐漸被尿素還原劑取代，還原劑的儲存、制備與供應技術日漸成熟。

尿素(co(nh2)2)是無色或白色針狀或棒狀結晶體，相對分子質量為60.06,co(nh2)2，工業或農業品為白色略帶微紅色固體顆粒，無臭無味，含氮量約為46.67%，密度1.335 g/cm3，熔點132.7℃，溶于水、醇，難溶于乙醚、氯仿，呈弱堿性。

目前常用的脫硝技術有選擇性催化還原法scr、非選擇性催化還原法sncr、sncr-scr煙氣脫硝技術等。選擇性催化還原脫硝技術scr脫硝技術，是在v2o5/tio2催化劑作用下，以nh3或尿素為還原劑，選擇性與nox反應，生成n2和h2o,n2、ch4、co等也可作為還原劑。nh3與nox發生化學反應方程式為

250～450℃加入催化劑可加快no轉化為n2的進程，在一定物質的量(nh3/no)條件下，可達80%～90%的脫硝效率。

由于尿素儲存方便，無需太多安全性考慮，易于運輸，故隨著尿素轉氨制備技術的日益成熟，1999年開始，尿素逐漸用于scr系統的還原劑。由于傳統的脫硝尿素熱解法設備復雜、前期投資大、能耗大，爐內尿素直噴制氨技術可節省電加熱及尿素熱解裝置設備，降低了能量消耗。尿素直噴技術在我國脫硝工程中得到了一定的應用，但長期使用中發現普遍存在尿素利用率低、副作用大等缺點，目前國內多家電廠進行了尿素水解技術改造，本文在工程實踐的基礎上，對尿素隋杰改造技術進行深入分析和研究。

1鍋爐煙氣脫硝尿素直噴運行現狀

尿素直噴法是一種選擇性降低nox排放量的方法(因噴入的氨只與煙氣中的nox反應，而不與煙氣中的其他成分反應)。無催化劑時，nh3還原nox反應只能在800～1200℃進行，因此又稱為選擇性非催化脫硝法(sncr)。尿素的噴入位置一般在爐膛上部煙氣溫度在800～1200℃區域。

在sncr的區間溫度內，尿素還原nox反應是尿素還原和被氧化反應相互競爭的結果，總反應為

sncr脫硝技術特點:脫硝效率在30%～50%，若進一步增加脫硝效率，氨逃逸率大幅上升，對下游設備造成影響，并可能造成二次污染。

sncr+scr耦合脫硝技術是將sncr技術和scr技術相結合，具有scr技術的高效和sncr技術投資小的特點。

sncr+scr耦合工藝具有2個反應區，通過布置在鍋爐爐墻上的噴射系統，將還原劑噴人第1個反應區爐膛，高溫下，還原劑與煙氣中no發生非催化還原反應，實現初步脫氮。然后，未反應完的還原劑進入耦合工藝的第2個反應區———scr反應器內進一步脫氮，從而實現較低的nox排放。

sncr+scr耦合法系統包括尿素儲倉(庫)、尿素溶解罐和儲罐、尿素溶液輸送泵、循環泵、計量與分配裝置、稀釋水系統、霧化與冷卻空氣系統、除鹽水冷卻系統、尿素溶液注射器及控制裝置、scr煙氣系統、反應器及其支撐、催化劑及吹灰系統、煙氣耦合與整流裝置、電氣系統、控制系統等，工藝流程如圖1所示。

尿素直噴制氨系統主要由尿素溶液的計量裝置和分配裝置2部分組成，其作用是為了實現對尿素溶液流量的精準測量和輸送到鍋爐轉向室的控制。在工程中，一般每臺鍋爐設置2套計量裝置和分配裝置，用于控制每個尿素溶液噴射器的流量和霧化空氣的壓力和流量。計量裝置和分配裝置分別布置在每側鍋爐轉向室附近，通過sncr或scr系統的cems測量值在dcs邏輯中進行計算，得到需求的尿素量后，通過計量調節模塊調節尿素調節閥的開度來控制尿素溶液流量，并與稀釋水混合后，再由分配模塊調節尿素溶液調節閥開度，平均分配給每側的噴射器。

尿素直噴技術設備簡單，相比于水解技術初投資少。但在后期運行中，存在以下問題:

1)需將10%尿素濃度噴入爐膛，噴入煙氣的還原劑中含有的大量水會吸收部分煙氣熱量，影響下游受熱面的換熱，降低鍋爐效率。

2)與單獨sncr技術的尿素直噴技術相比，sncr+scr耦合法的脫硝效率提高到80%，但尿素直噴技術存在煙氣溫度低于800℃時脫硝效率低，高于1200℃時還原劑反被氧化為nox的問題。

3)噴射器布置位置設計固定，高頻率的負荷變化對尿素利用率影響嚴重，尿素利用率變動范圍在40%～80%，尿素利用率極低，且會造成氨逃逸增加，運行費用增加。

因此，盡管尿素直噴技術初投資低，但用戶運行的安全、成本壓力較大，運行費用高。

2尿素直噴改造技術路線分析

2.1 尿素普通水解技術

尿素水解制氨工藝主要有意大利siirtec nigi公司的ammogen 工藝和美國wahlco公司及hamon公司的u2a 工藝。

尿素水解aod和u2a法分別起始于1996—1997年和1999年。aod方法的專利擁有者hera engineering,llc公司1999年向environmental elements corporation轉讓了該技術，由后者負責設計、制造及市場化。第1套運行的尿素水解aod于2000年應用于一臺580 mw機組上，截至2003年，共有23套系統投入了商業運行。

尿素水解u2a方法的專利擁有者是ec&c technologies,inc公司。第1個示范項目是2000年10月美國aes alamitos電站。2000—2006年，共有10000 mw容量機組采用了該技術。ec&c technologies,inc公司將專利轉讓給hamon researchcottrell和wahlco,inc．公司，其第1個商業應用案例是2002年aes的huntington beach電站450 mw容量機組。

尿素水解系統反應時間較慢，是由水解反應的特征決定的。理想的尿素水解反應需要在高溫高壓條件下進行，完全水解需要是低濃度尿素溶液(<10%)，溫度400℃以上、壓力大于2.8 mpa。aod/u2a水解法的實際溫度只有210℃，導致無法完全水解，使尿素的水解產物在水解器內多次循環。對于水解壓力，u2a的設計壓力只有1.7 mpa，因而所需時間長。為了縮短反應時間，實際使用的尿素溶液濃度遠高于10%，甚至達到40%左右。

水解工藝是將配置成50%(或40%)的尿素溶液通過計量泵送往水解反應器，來自輔助蒸汽系統的蒸汽對尿素溶液進行預熱，蒸汽通過裝設在水解反應器底部的噴嘴直接噴射到尿素溶液中，使之達到130～180℃的反應溫度。尿素水解法的化學反應式為

2.2 尿素催化水解技術

safe de nox催化水解工藝是由美國chemithon公司基于1993年授權的專利(us patent 5,252,308)的催化水解工藝,2006年在美國取得專利，目前該技術的應用較少，截至2012年，全球已裝設3套機組。

國內的低能耗尿素催化水解技術是在safe de nox催化水解基礎上，提出的一種更加先進的尿素制氨技術，其反應方程式為

3尿素直噴技術的催化水解改造方案

在150、600 mw機組上進行尿素直噴的催化水解改造，改造方案為在原尿素直噴系統的基礎上增加一套尿素水解系統，系統改造后，以尿素水解系統為主運行系統，直噴系統為備用。為了實現尿素噴射器與水解器的并聯運行和切換，系統需要新增開關閥1、新增調節閥1、新增調節閥2、管道泵、氨噴射器以及相應的旁路管道和氨空混合器，如圖4所示。尿素水解系統運行時閥門開關狀態為:新增開關閥1開、新增調節閥1開、水解器來氨氣管線閥門開、新增調節閥2開、原開關閥關、原手動閥關。尿素溶液進入水解器，一次風進入通過旁路進入氨空混合器，與來自水解器的氨氣混合，進入氨噴射器，此時尿素直噴被旁路。尿素直噴系統運行時閥門關狀態為:原開關閥開、原尿素溶液手動閥開、新增開關閥1關、新增調節閥1關、新增調節閥2關、水解器來氨氣管線閥門關，此時一次風、尿素溶液及氨氣流動狀態與現在一致，水解系統被旁路。

4尿素直噴的催化水解改造效果

在原尿素直噴系統上增加尿素催化水解系統，系統改造后，以尿素催化水解系統為主運行系統，直噴系統為備用，提高了脫硝系統供氨的可靠性，同時系統具有催化水解技術的反應快、低腐蝕、尿素利用率高、無副產物進入反應器等優點，并取得了明顯的經濟收益，見表1，其中廠用電按0.4元/k wh、除鹽水單價按17元/t、尿素單價按2200元/t計。

某電廠2臺150 mw機組，需氨量150 kg/h，年運行7000 h，初投資在600萬元左右。

尿素直噴技術尿素分解率按平均水平50%計算，則年尿素耗量在150×1.78/0.5×7000/1000=3738t/a，尿素運行成本在2200×3738/10000=822萬元/a;尿素直噴技術需除鹽水稀釋20%再噴入爐膛，所以年除鹽水耗量在3738/0.2×0.8=14952 t/a，除鹽水運行成本在14952×17/10000=25萬元/a。

尿素催化水解技術的尿素分解率99%以上，則年尿素耗量在150×1.78/0.99×7000/1000=1888t/a，年尿素運行成本在1888×2200/10000=415萬元/a;配比成質量分數50%的尿素溶液，所以年除鹽水耗量也為1888 t/a，除鹽水運行成本在1888×17/10000=3萬元/a;水解器需要電伴熱，功率在10 kw，用電量成本在10×7000×0.4/10000=3萬元/a;尿素催化水解用換熱蒸汽可回收利用，此成本可忽略。

5結語

尿素直噴催化水解改造投產以來，投運最早的已運行超過2 a，由于有2套尿素制氨系統互為備用，脫硝系統供氨可靠性得到大幅提高，降低了氨逃逸，提高了尿素利用率，節省了運行成本，使得系統改造的投資回收期為1～2 a。尿素直噴的催化水解技術改造，社會、經濟效益顯著。