尿素热解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用介绍

时间：2024-05-19

王莹

（北京洛卡环保技术有限公司，中国北京 100000）

0 背景

选择性催化还原烟气脱硝技术最早在美国获得专利，于20世纪70年代末首先在日本应用于燃气和燃油锅炉，于80年代初用于燃煤锅炉低尘与高尘环境，于80年代中后期在欧洲经过示范试验后开始商业推广，于90年代初进入美国市场。继日本和欧洲之后，美国于上世纪末期开始大范围安装烟气脱硝装置，代表了当前世界范围内烟气脱硝技术水平，其脱硝还原剂制备工艺的选型、设计与应用等方面的经验值得国内借鉴。

液氨、氨水及尿素均可作为烟气脱硝还原剂，随着脱硝还原剂储存、制备及供应技术的日渐成熟，脱硝还原剂的选择主要从安全与经济角度考虑。尽管国外以液氨为还原剂的电站锅炉烟气脱硝工程至今未出现严重的氨泄漏事故，但由于从地方管理部门获得液氨的使用与运输许可证越来越困难，安全防范要求越来越严，相应的安全成本越来越大，因此，氨水和尿素证越来越多地作为脱硝还原剂使用。

目前，国内已经有多家电厂在脱硝工程中采用尿素热解技术，并且取得了成功的应用经验。

1 尿素热解技术

目前通用的尿素热解技术基于美国Fule Tech公司设计的尿素热解制氨技术。

1.1 尿素热解原理

尿素热解反应过程是将高浓度的尿素溶液喷入热解炉，在温度为350-650℃的热烟气条件下，液滴蒸发，得到固态或者熔化态的尿素，纯尿素在加热条件下分解和水解，最终生成NH3和CO2，NH3作为脱硝还原剂送入反应器内，在催化剂作用下有选择性地将NOx还原成N2和H2O。热解主要反应总式可表示为：

目前普遍认为尿素热解制氨的生成分三步实现：（1）尿素水溶液蒸发析出尿素颗粒；（2）尿素热解生成等物质的量的氨气和异氰酸（HNCO）；（3）异氰酸进一步水解生成等物质量的氨气和二氧化碳。主要反应式可表示为：

1.2 主要工艺流程

图1 尿素热解制氨工艺流程图

尿素热解工艺的常用流程为：尿素颗粒储存于储仓，由称重给料机输送至尿素溶解罐，用除盐水将固体尿素溶液成50%的尿素溶液（需外部加热，保证尿素溶液的温度在30℃以上），尿素溶液经由给料泵、循环系统、计量分配装置、雾化喷嘴等进入绝热分解室（热解炉），稀释空气经加热也进入到分解室。雾化后的尿素液滴在绝热分解室内分解，生产的分解产物为氨气和二氧化碳，分解产物经由氨喷射系统进入脱硝烟道。图1为目前国内应用较多的尿素热解制氨工艺流程。

热解室可利用燃油、燃气、电源、高温蒸汽/烟气等作为热源来完全分解尿素。在所要求的温度（如350-650℃）下，热解炉需要提供足够的停留时间，以确保尿素到氨的100%转化率。

热解炉的容积是依据尿素分解所需要的体积来确定。热空气将通过加热器控制装置以维持适当的尿素分解温度。尿素经过喷射器注入到热解炉，尿素的添加量由SCR反应器氨需量来决定。系统在热解炉出口处提供氨气/空气混合物。氨气/空气混合物中的氨体积含量小于5%。

2 应用举例

某电厂2×300MW机组锅炉由哈尔滨锅炉厂设计制造，为HG-1060/17.5-HM型亚临界压力一次中间再热自然循环、单炉膛、П型布置、平衡通风、固态排渣煤粉炉。锅炉以最大连续负荷(即BMCR工况)为设计参数，锅炉的最大连续蒸发量为1060t/h；机组电负荷为300MW(TRL工况)时，锅炉的额定蒸发量为1008.8t/h。由于出口烟气中NOx值超出国家排放标准，委托国内某公司对其进行脱硝改造。脱硝系统入口参数见表1。

表1 脱硝系统入口烟气参数表

将分析比较，最终采用尿素热解发进行此次脱硝改造，在设计工况下，单台炉氨需量按170kg/h进行设计，经计算得到尿素耗量为306kg/h，尿素热解采用锅炉热一次风（压力：8kPa，温度：300℃），风量设计值为6500Nm3/h，用电加热器将一次风加热到约600℃，电加热器功率750kW。该电厂脱硝系统投运后的监测数据（表2）表明，脱硝系统投运后达到了理想的脱硝效率。

表2 脱硝系统运行记录

采用尿素热解法，烟气中Nox含量均达到了国家排放标准，设备运行良好，达到了预期的脱硝效率。

3 应用中容易出现的故障现象和应对策略

3.1 热源耗能大、运行费用高

尿素热解装置在运行过程中，依托热源加热空气，无论采用燃油、燃气还是电源，消耗量始终较大，分析其原因主要是稀释风温度低、流量大。并且由于系统氨需量大，尿素热解吸收较大的热量，需要提供的热量就越多。

相对于燃油，燃气和电源，采用高温蒸汽/烟气作为热源是电厂最容易接纳的。但由于采用蒸汽/烟气需要加装可靠的换热设备，目前还处于研究阶段。

3.2 热解炉尾部积物较快

热解的两个重要因素是足够的热量和较好的尿素溶液雾化效果。

热解炉在使用过程中发生因为底部尾管处尿素积存过多，导致出口风量减少，系统氨需量不够，直接造成热解炉停运清理，影响脱硝装置的可靠性。

热解炉及其出口管道保温设计或施工不到位，致使混合气管道温度低于尿素分解产物的逆反应温度，管壁产生尿素结晶，致使管道堵塞。运行实践表明，将热解炉出口管道的保温厚度限定在200mm以上，能有效的保证热解系统的运行。

如果热解炉内热空气的流量低或温度低,都会造成尿素溶液得不到完全热解而在尾部形成沉积。通过控制热解炉尾部出口混合气体的温度大于320℃可以很好地解决此问题。

3.3 雾化空气的品质影响热解炉的运行

如果尿素雾化空气品质差,雾化空气中含有油、水和尘,运行时间长后容易堵塞浮子流量计，浮子流量计不报警,尿素溶液得不到雾化,直接喷入尿素热解炉,影响其热解效果,尿素直接沉积到热解炉尾管,造成堵塞。可以更换雾化空气的供气来源,将原有杂用空气更换为仪用空气,并定期检查压缩空气系统的运行状况,及时维护,保证系统的清洁和畅通。经过实际使用情况表明,此办法可以有效地解决热解炉尾部管道沉积物堵塞的问题。