SCR脱硝尿素热解系统工艺设计探讨

李建军

（北京洛卡环保技术有限公司，中国 北京100000）

氮氧化物（NOx）是火电企业主要的大气污染物之一，也是形成光化学烟雾、酸雨污染及破坏臭氧层的主要物质，其排放控制可以分成NOx燃烧技术和烟气脱硝技术两类。其中，选择性催化还原脱硝工艺以其80%以上的脱硝效率和先进、成熟的特性，已大量应用。

SCR选择性催化还原脱硝工艺还原剂主要有尿素、液氨、氨水三种，尿素作为还原剂是国内现在的主要趋势，而尿素制氨技术现在有两种方法，一种是是尿素热解技术，另一种是尿素水解技术。尿素热解技术有非常突出的特点：使用安全，易于运输和存储，无危险源建设、运行、管理的困扰；占地面积小，周围不需要大距离的安全间距；与水解相比，投资与运行费用相当，但是不需要压力容器，安全性更高；精确计量，调节控制容易，相应速度快；分解完全，热解炉能将尿素溶液完全分解为还原剂；热源可根据现场实际情况选择性的组合，一般采用电加热器，也可以用燃油、燃气或者高温烟气作为热源。鉴于上述优点，现在国内SCR法的尿素制氨方法多数都是选择尿素热解技术。

尿素热解过程为50%尿素溶液经计量分配模块喷入热解炉内，在300-600℃的热风中分解产生氨气，含氨气热风经过喷氨格栅进入烟气系统，在催化剂处发生脱硝反应。

尿素热解反应方程式如下：

CO(NH2)2——NH3+HNCO

HNCO+H2O——NH3+CO2

热解流程图如下（电加热器加热稀释风）：

尿素热解技术脱硝首先尿素溶液制备区，尿素一般为固体颗粒，固体的尿素需要经过加热溶解配置成40-60%的溶液，尿素溶液制备区设备一般为：斗提机（或者提升机）、尿素溶解罐（包含固体尿素斗）、尿素尿素溶液输送泵、尿素溶液储罐、尿素溶液循环装置、疏水箱、疏水泵、废水池、废水泵等。一般尿素溶液储备脱硝系统5-7天的尿素用量。由于50%尿素溶液在低温结晶，溶液造成设备及管道堵塞，所以尿素溶液在储存及输送过程中需要保温伴热。

炉区设备主要有增压风机、电加热器、热解炉、喷氨格栅等。含氨气的稀释风到达喷氨格栅压力需要达到3-5kPa，一般热解炉的压力损失1kPa左右，电加热器压力损失2-3kPa，所以要求电厂一次风（或者二次风）进入电加热器前压力达到9-11kPa，电厂提供的一次风（或者二次风）风压一般为6kPa以下，压力不能满足系统要求，必须增加增压风机提高压力才能满足要求，由于稀释风温度较高，一般都在200-300℃，这就要求风机能耐高温，引风机入口接一路冷风，这样能在脱硝系统紧急停用时，迅速将系统冷却下来。加热器一般选用电加热器，因为使用燃油或者天然气作为燃料，需要为燃油或天然气配备存储区，运输和存储都必须有相应许可证和安全措施，合理的安全存储距离，必备的安全储存条件等。然而对于电厂来说，用电就非常方便、简单，主要做好相应用电防护措施就可，电加热器启停快速、简单方便，而且用电也不会像燃油或者天然气一样，在加热过程中有额外气体物质。电加热器主要有I型和U型，I型一般为侧进下出或者侧进上出，一段加热，压降比U型小，但是长度比U型长，布置时候需要增加高度；U型为侧进测出，分两段加热，加热方面比I型优秀，在电加热器下部设置排灰口，定期排灰，由于此处温度较高，电加热器材质一般选用不锈钢材质。电加热器本体设置热电偶，用来控制加热电路投用组数，U型电热器因为分两段加热，所以每段都配置热电偶。在电加热器出口配置热电偶，监测和控制进入热解炉的稀释风温度。热解炉一般为圆柱形，上进下出，热解炉本体有喷枪安装孔，根据不同的需氨量不同，热解炉大小及喷枪数量不同，热解炉材质必须为不锈钢材质。热解炉本体及出口管路设置热电偶及压力变送器，通过温度监测控制电加热器加热功率投入，压差监测能体现热解炉系统是否顺畅。喷氨格栅（AIG），将烟道截面划分为若干控制区域，每个控制区域有若干的喷射孔，喷氨格栅包括喷氨管道、支撑、配件和氨气分部装置。喷氨格栅位置的选取一般根据流畅模拟结果而定，需要保证喷入的含氨气稀释风能与烟气充分混合，混合程度的好坏也决定这脱硝的效率。

热解工艺在施工设计时候一般要注意以下一些方面：

（1）补偿器的设置，电加热器进出口、热解炉进出口必须设置满足热膨胀量的补偿器，不能让设备因热膨胀不能释放而受力，现在些热解项目因为未设置补偿器，出现电加热器变形，甚至是设备撕裂的情况出现，热解系统其他设备进出口及管路系统根据施工图，都应该设置合适的补偿器，防止管道热膨胀对阀门等造成损坏。

（2）热解炉喷枪布置必须考虑安装检修方便，保证喷枪能够在线检修。

（3）计量分配模块在北方低温地区，放置在有采暖的室内，电加热器控制柜必须放置在有空调的封闭房间内。

（4）系统布置方面，一般电加热器布置在热解炉上方，电加热器至热解炉的管道必须保证有足够长度的直段，这样有利于热风均匀进入热解炉。

（5）热解系统管路较大，所以布置设备时，尽量保证管道少走弯路，降低稀释风压降损失。

（6）计量分配模块一般布置在热解炉安装喷枪处的平台上，尽量减少模块至热解炉的管道长度，因为此段管径较细，如果保温伴热不好，容易造成尿素结晶堵塞管路及喷枪入口，脱硝系统停运或者紧急停车，必须及时进行计量分配模块至喷枪管路冲洗，否则容易造成管路及喷枪堵塞。

（7）系统设备及管路，特别是电加热器及热解炉，一定要有足够的保温厚度，减少系统热量的损失。

尿素热解系统一般自动化操作，通过操作员站DCS系统能够实现远程操作，通过电动（或气动）开关阀门、电动（或气动）调节阀，控制尿素溶液循环装置、计量分配模块、电加热器、热解炉的压力和温度控制、喷氨格栅等设备启停，通过温度变送器、压力变送器、流量变送器等自动仪表反馈数据，控制系统的温度、压力及流量等，保证系统在设定的范围内正常制氨脱硝。

由于热解技术成熟可靠，操作方便等优点，所以尿素热解制氨工艺在SCR脱硝工艺中占主流，应用十分广泛。