吳鳳玲 擺金山 劉民 趙修華 吳曉烽

(1中國(guó)石油工程建設(shè)公司新疆設(shè)計(jì)分公司 新疆烏魯木齊 830019 2上海同濟(jì)華康環(huán)境科技有限公司 上海 200092)

我國(guó)燃煤電站NOx的排放量隨著火電行業(yè)的發(fā)展呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1,2]。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)NOx的控制指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，“十二五”規(guī)劃要求氮氧化物排放量減小十個(gè)百分比，《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）中也將NOx排放要求提高至100 mg/m3[3]。

目前，煙氣脫硝技術(shù)幾乎都集中在燃燒中和燃燒后的NOx控制上，所以，在國(guó)際上把燃燒中NOx的所有控制措施統(tǒng)稱(chēng)為一次措施，把燃燒后的NOx控制技術(shù)稱(chēng)為二次措施，又稱(chēng)為煙氣脫硝技術(shù)[4]。其中，選擇性催化還原（SCR）技術(shù)最為成熟，在日本、歐洲和美國(guó)都得到了十分廣泛的應(yīng)用。SCR工藝中直接參與化學(xué)反應(yīng)的是還原劑氨氣，根據(jù)商業(yè)業(yè)績(jī)較好的原則，主要的氨源可分為三類(lèi)：液氨、氨水（氨的水溶液，通常為20~30%氫氧化銨溶液）和尿素（40~59%尿素顆粒溶液）。本文對(duì)三種不同的氨源進(jìn)行對(duì)比分析，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并探討其經(jīng)濟(jì)性。

1 制氨系統(tǒng)

1.1 液氨

液氨為無(wú)色液體，有強(qiáng)烈刺激性氣味，極易氣化，屬于易燃易爆危險(xiǎn)品。18℃時(shí)的密度為0.6132g/cm3，自燃點(diǎn)為651.11℃，爆炸極限為16%~25%，沸點(diǎn)為-33.5℃，熔點(diǎn)為-77.7℃，低于-77.7℃時(shí)成為具有臭味的無(wú)色結(jié)晶。

液氨制氨系統(tǒng)主要由液氨儲(chǔ)存系統(tǒng)、液氨蒸發(fā)系統(tǒng)、事故吸收系統(tǒng)和氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)組成。液氨管輸送入液氨儲(chǔ)槽，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)槽蒸發(fā)為氨氣后通過(guò)氨緩沖槽和輸送管道進(jìn)人鍋爐區(qū)，通過(guò)與空氣均勻混合后由分布導(dǎo)閥進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)。典型的工藝流程如圖1所示。

圖1 液氨制氨系統(tǒng)工藝流程示意圖

采用液氨作為脫硝還原劑的SCR系統(tǒng)，從液氨的輸送、存儲(chǔ)、制備、供應(yīng)到日常的維護(hù)管理，都要制定嚴(yán)格的安全管理制度。但由于其具有工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占地面積小、投資省、原料費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)已投運(yùn)的火電廠(chǎng)脫硝裝置大多采用液氨法制備氨氣[5]。

1.2 氨水

氨水為無(wú)色透明液體，有強(qiáng)烈的刺激性氣味，屬于危險(xiǎn)品，當(dāng)空氣中氨氣在15%～28%爆炸界限范圍內(nèi)，會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)性，所以氨水具有燃燒、爆炸及腐蝕的危害性。脫硝工藝中常用的氨水濃度為20%～30%。

氨水制氨系統(tǒng)的工作原理是將25%的含氨水溶液存于常壓儲(chǔ)罐中，利用氨水泵將其送至雙相噴嘴向煙氣中噴射，噴射過(guò)程中同時(shí)混入稀釋風(fēng)，稀釋風(fēng)被加熱，將氨水中的水分氣化并完成稀釋。典型的工藝流程如圖2所示。

圖2 氨水系統(tǒng)工藝流程示意圖

與液氨相比，采用氨水制氨，安全性能夠有很大的改善，但是運(yùn)行能耗高，存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本都很大。

1.3 尿素

尿素呈白色或淺黃色晶體，易溶于水，水溶液呈中性，吸濕性較強(qiáng)，易潮解，熔點(diǎn)132.7℃。在高溫高壓（160～240℃，2.0MPa）或者高溫常壓（350～650℃，0.1MPa）條件下，C-N鍵斷裂分解成NH3和CO2，屬于無(wú)毒、無(wú)害的綠色化學(xué)品。在運(yùn)輸、儲(chǔ)存中無(wú)需考量其安全和危險(xiǎn)性，更不須任何的緊急程序來(lái)確保安全。

尿素制氨氣主要可分為兩種：熱解工藝和水解工藝。

1.3.1 熱解工藝

尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)主要由固體尿素儲(chǔ)存系統(tǒng)、尿素溶解儲(chǔ)存系統(tǒng)和尿素?zé)峤鉅t組成。典型工藝為50%wt濃度的尿素溶液被尿素溶液輸送泵送到熱解爐的計(jì)量分配裝置，計(jì)量后的尿素溶液被輸送至安裝在熱解爐入口處的噴嘴。將熱空氣（鍋爐一次風(fēng)或二次風(fēng)）溫度再次提升（約350～650℃）并送入熱解爐，隨后將尿素溶液噴入在溫度窗內(nèi)具有適當(dāng)停留時(shí)間的熱解爐，使尿素溶液分解為NH3和CO2，然后將包含NH3的氣流導(dǎo)入氨氣-煙氣混合系統(tǒng)。典型的工藝流程如圖3所示。

圖3 尿素?zé)峤庀到y(tǒng)工藝流程示意圖

尿素?zé)峤夤に囁锜崃枯^大，因而會(huì)導(dǎo)致燃油消耗量較大、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題；且熱解爐尾部積物較快，為防止尿素存積較多，需要定期清理，停運(yùn)期間，會(huì)影響脫硝裝置的可靠性[6]。

1.3.1 水解工藝

尿素水解系統(tǒng)主要由固體尿素儲(chǔ)存系統(tǒng)、尿素溶解儲(chǔ)存系統(tǒng)和尿素水解反應(yīng)器組成。典型工藝為40～60%wt濃度的尿素溶液被尿素溶液輸送泵送到水解反應(yīng)器，在150～250℃和5～30bar的條件下尿素發(fā)生水解反應(yīng)。水解反應(yīng)器中產(chǎn)生出來(lái)的含氨氣流被空氣稀釋?zhuān)龠M(jìn)入氨氣-煙氣混合系統(tǒng)。典型的工藝流程如圖4所示。

圖4 尿素水解系統(tǒng)工藝流程示意圖

2 制氨工藝對(duì)比

液氨法、氨水法、尿素?zé)峤夥ê湍蛩厮夥ㄋ姆N不同工藝的性能對(duì)比分析如表1所示。

表1 制氨工藝性能對(duì)比

由表1可得，從運(yùn)行成本看，氨水>尿素>液氨；從投資成本看，尿素>氨水>液氨。由此可見(jiàn)，液氨法的投資費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和使用費(fèi)用都是三者中最低的，運(yùn)用此方法雖然具有一定的安全隱患，必須由嚴(yán)格的安全保證和防火措施，液氨的輸送儲(chǔ)存設(shè)計(jì)到當(dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)和勞動(dòng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但只要設(shè)計(jì)、建造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格遵循有關(guān)規(guī)程要求，還是能夠保證安全的。

3 結(jié)語(yǔ)

SCR脫硝工藝中的制氨系統(tǒng)通常有液氨、氨水、尿素?zé)峤夂湍蛩厮馑姆N，其中，液氨法最為經(jīng)濟(jì)，投資、運(yùn)行費(fèi)用最低，但安全性較差，屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，需要嚴(yán)格遵循規(guī)章制度，保證其安全使用。若從安全性方面考慮，尿素是最佳選擇，無(wú)需考量其危險(xiǎn)性，屬于綠色化學(xué)品。四種工藝中，氨水無(wú)論從危險(xiǎn)性還是投資運(yùn)行成本方面考慮，都不建議使用。

[1]段傳和，夏懷祥.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術(shù)/中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司[M].北京：中國(guó)電力出版社,2009.

[2]沈?yàn)I,吳敵,趙禹.尿素制氨工藝在SCR煙氣脫硝工程中的應(yīng)用[C].2009年清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)年會(huì),昆明,2009.

[3]GB13223-2011火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]馬忠誠(chéng),房晶瑞,汪瀾.水泥工業(yè)氮氧化物減排的途徑[J].水泥,2011,(11):4.

[5]馬千里.火電廠(chǎng)脫硝系統(tǒng)氨氣制備方案比較[J].華電技術(shù),2011,33(12):58-59.

[6]杜成章,劉誠(chéng).尿素?zé)峤夂退饧夹g(shù)在鍋爐煙氣脫硝工程中的應(yīng)用[J].華北電力技術(shù),2010,(6):39-41.

[7]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(duì)比[J].環(huán)保技術(shù),2008,(4):59-60.