浅谈尿素热解技术的发展及现状

孙剑

摘 要：经济和社会的不断发展，促使电力需求持续增加，但日益严峻的环境问题促使国家和各级政府出台一系列政策措施，降低燃煤锅炉烟气污染物排放值，为了有效去除烟气中的NOx，降低对环境的污染，目前大型火力发电机组都采用烟气脱硝技术，其中尿素热解脱硝技术便是这里最典型的一种。本文将对尿素热解脱硝技术的发展路线进行阐述。

关键词：尿素热解 烟气脱硝 发展及现状

随着社会的进步，电力资源生产与供应已经成为我国经济发展的主要能源之一。在我国的电能结构中，基于燃煤的火力发电是主要发电方式，可占据整个电能装机容量的百分之七十以上。但是在提升能源供给的同时，如果不及时采取有效的技术和方法对燃煤电厂的氮氧化物排放进行控制则会对我们的生活环境带来的巨大的负面影响。为消除这种影响必须采用更加高效的煤燃烧技术和烟气脱硝技术来降低发电过程中生成的氮氧化物。尿素热解脱硝技术便是应用最广泛的一种。

1.尿素熱解制氨技术简介

国际上应用的是由美国FuelTech公司设计的NOxOUT ULTRA尿素热解制氨技术。其工艺流程为：先将尿素放入溶解罐内，用除盐水混合溶解，并制成50%浓度的尿素溶液，然后通过计量分配装置和压缩空气雾化系统喷入热解炉内，其中热解炉内的稀释风来自空预器出口热一次风管，稀释风经过电加热器加热后送入热解炉内，热解炉内的尿素溶液在高温下进行分解产生NH3和CO2，最后经过喷氨格栅进入锅炉尾部烟道与烟气中的NOx进行充分的混合，在催化剂的作用下反应生成N2和H2O并排入大气。

1.1尿素热解制氨技术反应原理

尿素热解的化学反应式为：

CO（NH2）2 = NH3 + HNCO （1）

HNCO + H2O = NH3 + CO2 （2）

1.2尿素热解制氨技术在国外的历史

上个世纪70年代被使用在石油开采技术，上个世纪末开始被研究使用在柴油机卡车的SCR，现已在很多国家（包括中国的一些大城市）广泛使用。本世纪初，Fuel Tech开始将尿素热解制氨技术应用于锅炉烟气SCR技术，历经几个项目的失败后，掌握了尿素热解技术的机理和工艺，成功地使用在烟气SCR项目中，用来替代危险的液氨；继而，Fuel Tech在美国实施了13台机组（最大540MW，300MW以上机组仅4台）、韩国1台180T/h锅炉、法国2台垃圾焚烧炉、意大利2台小锅炉，全部采用天燃气加热冷空气作为尿素热解制氨工艺的热源。

1.3尿素热解制氨技术在中国的发展和进步

2007年，尿素热解技术首次应用：由Fuel Tech的美国工程师设计、中国工程师配合实施完成，采用柴油燃烧器作为热源，替代在美国的天然气，直接用柴油燃烧器加热冷空气，油耗量大（200MW机组的油耗量70～120kg/h）采用一体化热解室结构。2009年，尿素热解技术应用于玉环1000MW：由中国工程师提出并实施首次采用中国工程师设计制造的电加热器作为热源，彻底摒弃了柴油加热方式首次采用热一次风作为电加热器入口风源，节约高品质能源采用热解室与加热器分体结构，使热解室的设计和制造简单化。洛卡环保、重庆远达、同方环境等公司对该技术进行了不同程度的研发，并先后得到国家专利局授权批准的相关发明专利或实用新型专利。尿素热解技术在烟气SCR工程项目中，得到越来越多的应用，同时也成就了“中国工程师”对该技术更深刻的理解和更多经验的积累，“中国工程师”在工艺设计、热源组合选择、设备的设计/制造、系统运行/优化等方面有更好的认识、建议和经验。

2.尿素热解制氨技术的弊端

1）温度控制问题

为保证尿素溶液在热解炉内能完全分解成NH3和CO2，需要将进入热解炉内的稀释风加热到650℃左右，并控制热解炉出口温度在320～420℃的范围，以保障SCR系统中催化剂的使用寿命。热解炉出口温度过低，会导致尿素溶液不能完全分解而凝结成块，长时间后会使热解炉出口通流量减少，影响脱硝系统的正常运行；热解炉出口温度过高，则会损坏SCR系统中的催化剂，使催化剂的使用周期缩短。

2）电加热器耗量大、运行费用高

尿素热解装置在运行过程中，由于稀释风温度低、流量大，同时系统需氨量大，尿素热解吸收较大的热量，需要电加热器提供的热量就越多；

3）低负荷阶段适用性差

尿素脱硝系统的运行受到机组负荷的限制，在负荷300MW以下，脱硝入口烟温低于320℃时，由于催化剂效率低，NH3的逃逸率升高，并会产生硫酸氢氨而造成空预器积灰堵塞。

3.尿素热解制氨技术的研发及技术对比

针对现行尿素热解制氨技术能耗过高的问题，目前有四种新的技术解决方案：锅炉内烟气-空气加热器方案，锅炉外烟气-空气加热器方案，锅炉烟气直接作为热源的方案，锅炉内直接喷射尿素热解制氨技术，锅炉内烟气-空气加热器方案。

1）锅炉内烟气-空气加热器方案：

技术障碍：采用一次热风，沿程阻力大，需增设高温增压风机。换热器体积较大，影响锅炉内部其它受热面的布置。一次热风-锅炉水平烟道（转向室）-热解室，管道直径500mm以上，布置有一定的困难。换热器材料的选择有一定的困难。运行时，热解室热风温度及流量控制复杂，存在热解结晶风险。

2）锅炉外烟气-空气加热器方案

技术障碍：换热器体积非常大，在现有的SCR钢架内很难做改造布置。管道布置有相当的困难。换热器为双侧低流速设计，烟气侧靠锅炉烟气系统的压差作为动力，在低负荷时易发生积灰；一次风侧也存在积灰风险。一次热风温升不足，需要电加热器进行辅助加热。换热器没有检修更换换热元件的空间及手段。

3）锅炉直接作为热源的方案

技术障碍：烟气中存在的化学成分，对尿素分解的化学机理的影响。烟气中高粉尘颗粒，对尿素溶液液滴会发生吸附，可能对尿素热解发生负面影响。需增设耐高温、耐磨损的增压风机。热烟气管道：锅炉-增压风机-热解室，管道直径500mm以上，布置较前两个方案容易。由于热解室出口氨气混合气体中存在粉尘，需考虑AIG喷嘴的抗磨性和防堵塞。抽出的烟气仍回到SCR装置，参与脱硝反应。

4）锅炉内直接喷射尿素制氨技术方案

技术障碍：原SCR入口均流装置需要改造，可能会导致不均匀加重，但也提供了进一步改善的机会。直接在锅炉内喷射尿素溶液，可能会发生尿素分解率下降，甚至在受热面表面结晶。受到锅炉内部空间的限制。喷射器材料的选择。喷射器的运行、检修维护的考虑。

针对以上四种技术的对比，锅炉内直接喷射尿素制氨技术方案最容易得到解决，该技术已经过了工业化试验、CFD/CKM模拟计算，基本不存在风险。

结语

尿素热解制氨系统运行稳定、安全，投用率高，各项指标基本能满足SCR脱硝技术的要求。随着2015年三部委发布关于印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的通知，对于尿素热解系统调节与控制不便和运行费用较高等问题，还需进行不断研究，以便提出更优化的节能改造方案。

参考文献：

[1]张强.燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2007：1-5.