浅谈尿素水解制氨工艺中稀释风系统配置

2020-03-20王丽娟航天环境工程有限公司天津300000

化工管理 2020年6期

王丽娟（航天环境工程有限公司，天津300000）

随着环保要求的不断提高，大气污染物排放浓度要求达到超低排放标准，氮氧化物的处理效率一般要求在90%左右，因此选择性催化还原法（SCR）成为脱硝最常用的工艺。SCR工艺中的还原剂由有三种，液氨、尿素和氨水。其中，液氨法的脱硝运行成本最低，尿素次之，氨水最贵[1]。目前国内SCR烟气脱硝中85%以上采用液氨作为还原剂。但是，液氨是乙类危险化学品，存在严重的安全隐患，国能安全[2017]65 号要求2017 年-2019 年全面强化危险化学品安全监管[2]，国家限令整改。氨水风险低于液氨，但运输成本大。还原剂采用尿素分解，安全无毒，且易于储存。因此，国内SCR 脱硝中液氨改尿素水解的工程越来越多[3]。

尿素水解制氨工艺是利用蒸汽通过蒸汽盘管间接加热40%～60%的尿素溶液使之发生反应，尿素可以水解为氨气、二氧化碳和水蒸气[4]。水解反应器出口的产品气为三种气体混合气，温度为140～160℃，而混合气温度在133℃以下水蒸气会产生回凝，发生逆反应，生成氨基甲酸铵[5]。生成的氨基甲酸铵是白色晶体，会堵塞管道或设备，因此与产品气混合的稀释风温度不低于200℃，为高温气体。稀释风系统可以采取不同的配置。

1 不同稀释风系统介绍

1.1 热一次风+旋风除尘器

锅炉型式不同，空预器出口的热一次风的温度不同，但一般在300-400℃之间，满足尿素水解后产品气对稀释风温度的要求。且稀释风需要的风量一般小于热一次风风量的2%，对锅炉系统的影响可忽略不计。风压在大于8kpa，满足稀释风风压要求。但一次风含尘较高，容易导致喷氨管道堵塞和喷嘴磨损，需在一次风管路上设置旋风除尘系统。旋风除尘器一般布置于SCR脱硝的原有平台上，不需要新增钢架和平台。旋风除尘器借助于离心力将尘粒从气流中分离并捕集于器壁，再借助重力作用使尘粒落入灰斗，不需要配电，不增加电负荷。其结构简单，易于制造、安装和维护管理，设备投资和操作费用都较低。稀释风的热量来源于锅炉烟气，运行成本较低。这种稀释风系统的配置只适用于有锅炉的脱硝系统，其他设备如烧结机、球团、工业窑炉等没有高温的热一次风。

1.2 冷风+蒸汽暖风器

暖风器主要由热交换器、轴流风机等组成。热交换器根据通入热媒的不同可以采用多种形式的换热排管。轴流风机配用低噪音、高效率叶片、风量大、风速均匀稳定。轴流风机或一次风机抽取常温空气，将空气送入蒸汽交换器进行加热。蒸汽交换器为管式换热器，壳程通入温度高于250℃的蒸汽，管程通入冷空气。根据换热管的型式不同分为翅片管和光管换热器。当系统利旧一次风机时，这种稀释风系统不需要配电，不增加电负荷，只消耗蒸汽。当系统新增稀释风机时，需要配电，同时消耗电和蒸汽。暖风器可以布置于SCR 脱硝的原有平台上或地面，不需要新增钢架和平台。稀释风的热量来源于蒸汽，运行成本较高。这种稀释风系统的配置适用于任何有蒸汽的脱硝系统，如锅炉、烧结机、球团、工业窑炉等。

1.3 冷风+烟气换热器

第三种稀释风系统与1.2 中介绍的稀释风系统类似，稀释风由一次风机出口或者独立的稀释风机提供，初始风温同环境温度，大气基本不含尘，且均增加一个换热器。区别是烟气换热器是干净稀释风和烟气的换热，烟气换热器可以布置于烟道内，也可以布置于SCR脱硝的原有平台上。当烟气换热器布置于烟道内时，需要烟道有一定距离的水平或者竖直段，换热器的布置不对烟道内流场产生影响，不会增加烟气的阻力。这种布置的设备安装周期较长，主机停机时间长。当烟气换热器布置于SCR 脱硝的原有平台上时，需要平台有空间安装换热器，且从烟道引出的烟气进入换热器后阻力不能太大，引出的烟气量较小，对原有系统不能造成影响。这种布置的主机停机时间短，只需要停机进行烟道开孔和管道对接。稀释风的热量来源于烟气，运行成本较低。这种稀释风系统的配置适用于任何烟气温度高于250℃且布置容许的脱硝系统，如锅炉、烧结机、球团、工业窑炉等。

1.4 冷风+电加热器

第四种稀释风系统与1.2 和1.3 中介绍的稀释风系统有相同部分，即冷的稀释风提供方式相同，由一次风机出口或者独立的稀释风机提供，初始风温同环境温度。当工程现场没有蒸汽或者蒸汽温度不够，采用中低温脱硝烟气温度不够或现场布置不容许时，新增电加热器将稀释风从室温加热到180℃或更高。新增的电加热器布置于SCR脱硝的原有平台上或地面，不需要新增钢架和平台。稀释风的热量来源于电的转换，运行成本最高。这种稀释风系统的配置适用于任何脱硝系统，当前三种配置都无法实现时，采用这种稀释风系统。

2 工程概况及方案比较

2.1 工程概况

辽宁某发电厂装备4×300MW 机组，采用哈尔滨锅炉厂设计制造的亚临界压力、一次中间再热、自然循环汽包炉。原有SCR脱硝还原剂采用液氨，响应国家政策将氨气制备工艺改造为尿素水解制氨工艺。四台机组负荷相同，单炉烟气量为1015413Nm3/h（标干，6%O2），SCR脱硝入口NOx浓度为400mg/Nm3（标干，6%O2），脱硝出口NOx 浓度为50mg/Nm3（标干，6%O2），消耗的氨气为145.9kg/h，将氨气稀释到5%以下并考虑10%的余量，需要的稀释风量为4020Nm3/h。

2.2 具体方案

四台机组一次热风风量为232770 Nm3/h，温度为351-375℃，一次风压在10-12kpa。经分析，稀释风量为一次热风的1.73%，风温和风压均满足要求，可以采用第一种稀释风配置。新增旋风除尘器，布置于SCR脱硝钢架平台上。

采用第二种稀释风系统配置，利旧原有冷风稀释风机（原有稀释风机压头余量较大，可以克服暖风器新增的阻力），新增蒸汽暖风器。所用蒸汽取自锅炉吹灰器用气，品质为3.11MPa、332℃。将稀释风温度从-5℃升到200℃，蒸汽耗量为0.72t/h。蒸汽暖风器布置于脱硝钢架平台上。

采用第三种稀释风系统配置，利旧原有冷风稀释风机（原有稀释风机压头余量较大，可以克服加热器新增的阻力），新增换热器。将稀释风温度从-5℃升到200℃，换热量为380kw，换热面积约为125m2，换热器尺寸约为5.6m×4.3m×1.6m（h），尺寸较大，没有可以安装换热器的平台。因此采用烟道内放置换热器。

采用第四种稀释风系统配置，利旧原有冷风稀释风机（原有稀释风机压头余量较大，可以克服电加热器新增的阻力），新增电加热器。电加热器的功率为396kw，尺寸约为1.0m×6.0m×1.6m（h），可以布置于脱硝钢架平台上。