脱硝尿素制氨气气管式换热器热解方案的应用

侯明胜 郝建宏 神华国华九江发电有限责任公司

1 脱销还原剂制备现状及方式对比

目前在 SCR 脱硝技术领域，常用的还原剂有3种，其中包括液氨、尿素和氨水。液氨作为还原剂在前些年的工程中应用的较多，其原因是液氨的运输成本较低和制氨系统相对要简单。其他两种还原剂中，氨水使用频率是最低的，其运输成本较大，使其运行成本费用提高，而尿素则在制备系统中略为复杂一些，但也在许多工程得到了广泛应用。随着国家环保要求的日益提高以及电厂积极发展清洁能源的初衷，使选用液氨和氨水作为还原剂越来越受到考验和制约。因为液氨和氨水均为乙类物质，均是有毒有害物质，且都需要一定的压力储存，尤其是液氨的压力储存要求更高，加之氨水本身的运行成本就居高不下。另外，根据我国《危险化学物品名表》（GB12268-90）和《重大危险源辨识》（GB18218-2000）的有关规定，液氨在生产场所超过40 t、储存场所超过100 t时构成重大危险源，需报相关安全生产部门审批。液氨的储存和制备系统在安全、消防和环保等方面的要求也越来越严格， 对电厂的日常运行和管理要求也越来越高。因此，选用尿素制氨的方式无论从安全、消防和环保方面还是公司的日常运行和管理来说都是最合适的选择。

2 尿素制氨热解与水解方式对比

尿素制氨的常规方式一般有两种，一种尿素热解制氨法，一种尿素水解制氨法。

（1）尿素水解与尿素热解响应时间比较

水解法是将尿素以水溶液的形式加以分解，跟踪机组负荷变化的速度稍慢，而热解属于直接快速加热雾化后的尿素溶液进行分解，跟踪机组负荷变化的速度较快。水解的响应时间约为5～15 min，而热解的响应时间为5～10 s。

（2）尿素水解与热解有关污染物产生及污染物对设备的影响比较

尿素水解产生的“污染物”是联二脲，1、3二-氨基甲酰尿素、氰尿酸等聚合物，这些污染物会和飞灰一起形成大堵塞，沉积的飞灰和尿素水解产生污染物造成的严重堵塞会直接影响锅炉以及SCR的正常运行。比如造成SCR压降增大，引风机出力受限，锅炉负荷不可避免的受到限制，更加严重的就是机组被迫停运出力堵塞问题。

尿素热解方法原则上不会产生造成SCR设备堵塞的“污染物”。

（3）尿素水解存在的问题

1）腐蚀问题。氨溶液造成水解反应器的腐蚀。由于水解反应器是高压设备，容器内又储存着危险的物品氨气，腐蚀造成的泄露是一个严重的安全隐患。

2）运行问题。当系统发生意外停运时，尿素水解系统必须由冷态启动，每次冷态启动的时间长达数小时，在此期间，SCR系统就无法投入运行。运行中对NOx浓度变化的时间较长，约5～15 min。

因此，尿素热解技术比水解技术具有一定的优越性，尤其是响应时间和腐蚀方面的可靠性更高，且不易造成系统腐蚀而引起泄漏氨气，在安全性方面对于尿素水解制氨来说应该是更胜一筹。

3 尿素热解方案比较

目前工程上较为常规的尿素热解法是采用锅炉的热一次风作为热解风源。但即使采用热一次风（300℃左右），也达不到尿素热解的温度（600℃左右）要求，因此在热一次风离开空预器后，仍需对热一次风进行第二次加热，其常规的手段主要有两种：一是通过电加热器进行加热，二是通过燃烧燃油进行加热。采用电加热器因为系统较为简单而应用得较多。但是此二者都具有能耗过大、运行成本高的缺点。以1000 MW机组为例，其电加热的功率大约在1200 kW～1500 kW，长期运行，其运行费用不可小视，另外，采用热一次风还受到因空预器漏风而带来烟尘问题。采用气-气管式换热器加热冷（热）一次风的方式相比于电加热及燃烧燃油加热能够最大限度的降低能耗过大、运行成本高的缺点（技术经济性分析见表1和表2）。

4 脱销系统尿素热风热解技术方案

采用管式换热器对冷（热）一次风进行加热，其原理是根据冷（热）一次风自身的压力，将冷（热）一次风送达到锅炉低过区域，在锅炉低过区域布置若干的蛇形管道，将冷（热）一次风加热到尿素热解所需要的温度，热一次风再离开锅炉区域，到达尿素热解装置，对尿素溶液实施热解产生氨气。将锅炉与脱硝作为一个整体考虑，通过相关的计算、研究以及管式换热器合理的位置布局，对锅炉不会产生负面影响。

（1）系统流程及原理

炉内烟气加热冷（热）一次风方案的实施工艺流程如图1。

图1 气-气管式换热器热解工艺流程图

表1 技术经济性分析比较

表2 技术经济性分析比较

尿素热解空气管道21接引空气预热器3的冷（热）一次风（温度0-350℃、压力10 kPa左右 ），经过气-气管式换热器入口管道22进入气-气管式换热器23，通过锅炉烟气11加热，气-气管式换热器23内的空气被加热到与烟气温度相当的温度，加热后的空气经由气-气管式换热器出口管道25、尿素热解反应器入口管道26进入尿素热解反应器4，在尿素热解反应器4内，尿素溶液被热解生成氨气混合气体，氨气混合气体通过尿素溶液热解产物管道41进入脱硝反应装置5进行脱硝。

气-气管式换热器23布置于锅炉省煤器13上游的如低温过热器或低温再热器等烟气温度600℃-900℃的烟气区域12内。气-气管式换热器23设置旁路管道24，部分空气不经过气-气管式换热器直接由旁路管道24进入尿素热解反应器入口管道26，与气-气管式换热器出口管道25的加热后的空气混合后进入尿素热解反应器4。在尿素热解空气管道21、气-气管式换热器入口管道22、旁路管道24上分别设置可调节风门211、221、241。

尿素热解反应器入口管道26设置温度监测27，用于检测进入尿素热解反应器4的热解空气温度和连锁控制。当进入尿素热解反应器4的热解空气温度超过或低于设定温度（如650℃），可通过减小（或增大）气-气管式换热器入口管道22上的可调节风门221开度、并增大（或减小）旁路管道24上的可调节风门241的开度，通过掺混加热空气比例，使热解空气温度达到设定温度。尿素热解空气管道21上的可调节风门211用于调节尿素热解随锅炉负荷变化所需要的总的一次风量和热源。

由于冷一次风较热一次风压力更高，且热一次风含有飞灰等杂质，冷一次风相较于热一次风更为纯净，尿素热解空气气源东锅推荐采用冷一次风。

当尿素热解空气不是引接的压力10 kPa左右的冷（热）一次风时，可增设风机以达到尿素热解系统所需要的压力。

（2）设计数据

气-气换热器设计数据见表3。

表3 气-气换热器设计数据表（BMCR 工况）

对于锅炉低负荷时，由于整体温度水平降低，热风温度和烟气温度均有所降低，通过调节旁路风量，达到提高系统出口温度。另，由于低负荷时，相应的还原剂消耗量减小，需要的热源减小，系统出口温度也相应减小。

本工程气-气管式换热器计算结果汇总于表4。

根据计算结果分析，采用气-气 管式换热器，对锅炉整体结构及 性能影响很小，基本可以忽略不计。

综上所述，采用管式换热器或采用管式换热器+电加热器的方式加热冷一次风，然后利用热一次风进行尿素热解的方案是可行的，在工程上是可以实施的。并且通过技术经济性比较后发现，在技术是可以完全代替电热器加热热解风的传统做法，并不会对锅炉造成任何负面影响。另外在运行费用管式换热器方案也大大低于电加热器方案。因此，采用管式换热器方案不仅能够为用户降低运行成本，在技术上也完全能够满足工程的实际需要。

表4 气-气管式换热器计算结果汇总