唐小亮，何 川，呂 薇

(江蘇國信高郵熱電有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225600)

1 引言

截至2019年底，全國發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量201066萬kW，其中，火電機(jī)組裝機(jī)容量119055萬kW，占總裝機(jī)容量的59.2%[1]?；痣姍C(jī)組中95%以上采用SCR法脫硝，常用的還原劑制備工藝包括液氨氣化法、尿素水解法、尿素?zé)峤夥ǖ?種工藝[2]。

《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識》(GB 18218-2018)中規(guī)定，氨的貯存量超過10 t即為重大危險(xiǎn)源[3]?！秶夷茉淳志C合司關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)電力行業(yè)危險(xiǎn)化學(xué)品安全綜合治理工作的緊急通知》(國能綜函安全〔2019〕132號)中要求積極開展液氨罐區(qū)重大危險(xiǎn)源治理，加快推進(jìn)尿素替代升級改造進(jìn)度，新建燃煤發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)采用沒有重大危險(xiǎn)源的技術(shù)路線[4]。用尿素替代液氨及氨水，消除液氨及氨水運(yùn)輸和儲存過程中安全風(fēng)險(xiǎn)，已成為電廠脫硝系統(tǒng)還原劑制備的主流技術(shù)。

本文詳細(xì)介紹了尿素水解法、尿素?zé)峤夥▽?yīng)的五種制氨工藝的反應(yīng)機(jī)理、工藝特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，對比分析了5種工藝的主要技術(shù)指標(biāo)和安全經(jīng)濟(jì)性，以期為電廠SCR脫硝系統(tǒng)還原劑制備技術(shù)的選擇提供一些參考。

2 主要技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 尿素?zé)峤夥?/h3>

尿素?zé)峤夥ǖ幕瘜W(xué)反應(yīng)方程式為：

CO(NH2)2→ NH3+HNCO

HNCO+H2O → NH3+CO2

綜合反應(yīng)：

CO(NH2)2+H2O=CO2↑+ 2NH3↑

2.1.1 傳統(tǒng)熱解法

尿素顆粒用除鹽水配制成質(zhì)量濃度為40%～55%的尿素溶液，通過給料泵輸送至尿素溶液儲罐；后經(jīng)霧化噴嘴等進(jìn)入熱解爐，在350～650 ℃分解生成NH3和CO2，分解產(chǎn)物經(jīng)氨噴射系統(tǒng)進(jìn)入SCR系統(tǒng)。

優(yōu)點(diǎn)：10 s響應(yīng)，反應(yīng)快。

缺點(diǎn)：①尿素轉(zhuǎn)化率低(70%左右)；②不完全熱解產(chǎn)生的副產(chǎn)物在尾部易形成沉積，造成熱解爐停運(yùn)，影響脫硝裝置的可靠性；③不完全熱解產(chǎn)生的副產(chǎn)物會引起催化劑中毒和失效；④不能多機(jī)組共用；⑤反應(yīng)溫度高，多采用電加熱，能耗高，運(yùn)行費(fèi)用高[5]。

2.1.2 高溫?fù)Q熱器熱解法

高溫?fù)Q熱器熱解法由傳統(tǒng)熱解法改進(jìn)而來，利用鍋爐高溫?zé)煔庾鳛槟蛩責(zé)峤鉅t熱源，顯著降低了運(yùn)行能耗。通過“煙氣-空氣換熱器系統(tǒng)”加熱一次熱風(fēng)以滿足尿素?zé)峤獾男枰?，保證運(yùn)行中熱解爐出口溫度不低于350 ℃，升溫后的一次風(fēng)進(jìn)入熱解爐對尿素溶液進(jìn)行熱解[6]。

高溫?fù)Q熱器熱解法包括外置式和內(nèi)置式兩種。外置式由于占地大、成本高、對鍋爐構(gòu)架設(shè)計(jì)影響較大、煙氣流速高、磨損大，環(huán)保性能差等因素，應(yīng)用極少。內(nèi)置式克服了外置式的一些缺點(diǎn)，技術(shù)方案簡單，對鍋爐的影響較小，易于實(shí)施，節(jié)能效果顯著，能夠滿足尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要，但在拓寬適用符合范圍方面仍有優(yōu)化空間[7]。

2.1.3 高溫?zé)煔馀月分眹姛峤夥?/p>

將尿素溶液霧化成細(xì)小的顆粒直接噴入旁路煙道，利用高溫?zé)煔鈱⒛蛩責(zé)岱纸馍蒒H3和CO2。

優(yōu)點(diǎn)：相較于其它熱解法，工藝系統(tǒng)簡單、投資較省，能夠較快響應(yīng)脫硝系統(tǒng)日常運(yùn)行和啟動需要。

缺點(diǎn)：①負(fù)荷變化對尿素利用率影響較大，尿素利用率較低，造成氨逃逸增加；②存在噴槍磨損、堵塞，擋板積灰卡澀問題；③需要足夠空間安裝旁路煙道，鍋爐為封閉形式時，施工難度加大。

2.2 尿素水解法

2.2.1 普通水解法

普通水解法的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

CO(NH2)2+H2O=NH2COONH4

NH2COONH4=2NH3↑+CO2↑

綜合反應(yīng)：

CO(NH2)2+H2O=CO2↑+2NH3↑

尿素顆粒用除鹽水配制成質(zhì)量濃度為40%～60%的尿素溶液輸送至尿素水解反應(yīng)器內(nèi)，飽和蒸汽通過水解反應(yīng)器盤管對尿素溶液進(jìn)行加熱。氣液兩相平衡體系的壓力約為0.4～0.6 MPa，溫度約為145～160 ℃[8]。

優(yōu)點(diǎn)：①能耗較低；②尿素利用率高；③產(chǎn)生的氨氣純度高。

缺點(diǎn)：①反應(yīng)壓力高；②制氨響應(yīng)速度慢，無法滿足機(jī)組快速變負(fù)荷時的供氨需要；③腐蝕嚴(yán)重；④通過增大反應(yīng)器體積可以增加氨氣緩存量、提高反應(yīng)溫度可以提高反應(yīng)速度，但進(jìn)一步加劇了腐蝕、降低了尿素利用率、增加了占地面積。

2.2.2 催化水解法

催化水解法的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

CO(NH2)2+催化劑+H2O→中間產(chǎn)物+CO2↑

中間產(chǎn)物→2NH3↑+催化劑

綜合反應(yīng)：CO(NH2)2+H2O=CO2↑+2NH3↑

尿素的水解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，催化劑裝在水解反應(yīng)器內(nèi)，可循環(huán)使用，主要作用是通過改變反應(yīng)路徑，顯著降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)更加容易進(jìn)行，大大加快反應(yīng)速率，降低響應(yīng)時間，尿素轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.0%以上。氣液兩相平衡體系的壓力約為0.35～0.55 MPa，溫度約為130～140 ℃。

優(yōu)點(diǎn)：①在普通水解技術(shù)的基礎(chǔ)上，大幅度提高反應(yīng)速度、有效降低腐蝕速率、減小體積、降低能耗、提高尿素利用率；②進(jìn)一步提高了電廠煙氣脫硝的控制品質(zhì)和整個尾部受熱面的運(yùn)行可靠性；③能夠滿足快變負(fù)荷和脫硝快速控制要求。

缺點(diǎn)：反應(yīng)壓力較高。

3 不同工藝比較

5種制氨技術(shù)的工藝參數(shù)、經(jīng)濟(jì)與安全性比較如表1所示。

表1 5種制氨技術(shù)比較

由表1可以得出結(jié)論如下。

(1)五種制氨技術(shù)的尿素車間均需要尿素顆粒儲存、尿素溶液配制、溶液儲存及輸送等環(huán)節(jié)。高溫?zé)煔馀月分眹姛峤夥ɡ门月窡煹来鏌峤鉅t，同時還省去了噴氨格柵和伴熱設(shè)備，工藝系統(tǒng)最簡單，投資最省。

(2)尿素?zé)峤夂蠓纸獬龅漠惽杷嵩跓峤馐抑须y以再分解為氨氣，因此，熱解法的尿素轉(zhuǎn)化率較水解法低，也是熱解爐結(jié)垢的原因。水解法雜質(zhì)留在液相中，通過排污口排出，分解生成的氨氣較純凈。

(3)傳統(tǒng)熱解法和高溫?fù)Q熱器熱解法運(yùn)行溫度較高，為了保證物料場和溫度場的均勻分布，其反應(yīng)能耗不能隨著鍋爐負(fù)荷(需氨量)的降低而降低，運(yùn)行成本較高。高溫?zé)煔馀月分眹姛峤夥朔藗鹘y(tǒng)熱解法能耗高的不足，運(yùn)行成本低于常規(guī)熱解法。水解法所需熱量靠輔助蒸汽加熱，運(yùn)行成本相對較低。

(4)熱解法分解速度較快，系統(tǒng)的響應(yīng)時間為10 s左右；普通水解法制氨響應(yīng)速度慢，響應(yīng)時間為1～2 min；催化水解法反應(yīng)速度比普通水解提高9倍以上，10 s響應(yīng)，能夠滿足快速變負(fù)荷和脫硝快速控制要求。

(5)熱解法只能單元制配置，水解法多采用母管制，可多機(jī)組公用，多機(jī)組時采用尿素水解技術(shù)更具有投資優(yōu)勢。

4 結(jié)語與展望

五種制氨技術(shù)各有特點(diǎn)，基本都能夠滿足SCR煙氣脫硝系統(tǒng)還原劑供應(yīng)要求。傳統(tǒng)熱解法和高溫?fù)Q熱器熱解法由于能耗高、故障率高，正逐漸被高溫?zé)煔馀月分眹姛峤夥ê湍蛩厮夥ㄈ〈?。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全角度綜合考慮，催化水解法和高溫?zé)煔馀月分眹姛峤夥ňC合性能最優(yōu)，具有廣闊的應(yīng)用前景。