烟道尿素热解制氨方法经济性分析

河北大唐国际王滩发电有限责任公司 马杰

随着国家环保要求的提高，国家对环保治理愈发严苛，对节能减排工作不断深入，目前机组进行近零超低排放改造，发电厂燃烧煤炭的锅炉出口NOx、粉尘和二氧化硫的超低排放标准分别为50mg/Nm3、5mg/Nm3、35mg/Nm3。

在燃煤大气排放的污染物中，氮氧化物（NOx）是非常重要的污染物之一，当前氮氧化物的治理技术主要为选择性催化还原技术（SCR），就是采用氨还原剂在催化剂的作用下有选择性地与烟气中的氮氧化物反应并生成无毒无污染的氮气(N2)和水（H2O），达到脱硝的排放标准。脱硝系统常选择的还原剂为含氨物质，包括尿素、氨水、碳酸铵等，还原剂经过热解、蒸发等一系列制氨装置将含氨物质在反应器外制成氨气送至SCR反应器入口烟道的氨气喷射格栅，利用氨气与烟气中的NOx反应，实现脱硝环保的目的。

其主要反应式为[1]：

4NH3+4NO+O2—4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2—3N2+6H2O

在实际工程应用中，尿素由于运输储存方便、购买便捷、安全无爆炸隐患等优点而被各工程作为选择性催化还原脱硝技术中的还原剂[2]。

尿素作为选择性催化还原技术脱硝还原剂就要求把尿素制成氨气，制成的氨气与烟气进入SCR脱硝反应器经过脱硝催化剂进行脱硝反应。尿素制成氨气的技术主要有尿素热解和尿素水解两种方法。

一、尿素水解制氨

尿素水解制成氨气的技术主要是采用蒸汽或者电等作为热源，将尿素溶解的液体在水解反应器内产生氨气，国际上几种典型的尿素水解技术主要有AOD、U2A、Ammogen及SafeDeNOx等[3]，此技术主要核心设备为水解反应器，各技术的工艺参数略有差别。其反应方程式如下：

NH2CONH2+H2O—NH4COONH2

NH4COONH2—2NH3+CO2

因为尿素水解制氨气技术反应产生的中间物质具有腐蚀设备从而产生泄漏的危险、反应迟缓启动慢、水解器为压力容器、存在高浓度氨气有爆炸危险等一系列问题，因此水解在工程应用中受到限制。

二、尿素热解制氨

尿素热解制氨技术是指尿素在高温的情况下具有不稳定性,在高温时会发生热分解反应产生氨气和二氧化碳。当温度大于320℃时,尿素产生以下分解反应：

CO(NH2)2—NH3+HNCO

HNCO+H2O—NH3+CO2

与尿素溶液水解技术相比，尿素热解技术运行稳定、无腐蚀、性响应时间短、无高浓度氨气、安全可靠，因此在工程中得到广泛应用。

（一）炉外尿素热解制氨

炉外尿素热解制氨流程为：冷风或者高温约320℃的热风经过热风炉或电加热器或燃油加热器后，将热风温度加热到500℃以上，500℃以上的热风经过热解设备，溶解的尿素通过喷枪雾化喷入热解设备内，在高温条件下生成氨气和二氧化碳。

炉外尿素热解制氨技术存在以下问题：1.运行费用高，加热冷风或者热风需要大量的能源（电能、天然气或者燃油）；2.工程造价高，需要加热器、热解炉、计量分配装置，喷氨格栅等设备；3.热解炉对温度雾化要求高，容易堵塞结晶，导致脱硝超标。

为了解决上述问题，炉内高温尿素热解技术应运而生。

（二）炉内高温尿素热解制氨

炉内转向室高温烟气尿素热解制氨技术流程为，在尿素溶解过程中制取尿素溶液，制取的尿素溶液通过高流量循环装置输送到位于锅炉竖井烟道内的多喷嘴尿素溶液喷枪中，多喷嘴尿素溶液喷枪经雾化后将尿素溶液喷出与高温烟气接触混合，在竖井烟道中利用高温烟气的热量分解成氨气。

为了保证尿素热解的氨气与烟气充分混合，设置多喷嘴长喷枪，保证喷入的尿素溶液与烟气混合均匀。此技术具有以下优点：

（1）在竖井烟道内直接利用高温烟气的热量进行尿素热解，节约了常规的热解中大量消耗电能的弊端，大大降低运行费用；

（2）节省了常规热解加热器、热解炉、喷氨设备，简化了系统设备，可以在同样的脱硝效果下大幅度降低工程建筑费用和运行费用；

（3）不消耗额外的热一次风；

（4）解决了炉外热解炉和喷氨格栅尿素结晶堵塞的危险。

但是，随着此技术的应用，发现如下缺点：

（1）多喷嘴喷枪雾化效果不能保证，当一个喷嘴出现雾化不良时，不能及时发现，雾化效果差分解不完全，导致下游锅炉受热面腐蚀爆管，锅炉停运；

（2）锅炉高温部分锅炉尺寸大，虽然采用多喷嘴长喷枪，也不能保证氨气与烟气的充分混合，氨逃逸大，尿素耗量高；

（3）多喷嘴长喷枪设备维护费用大。

由于运行时造成锅炉受热面腐蚀，爆管停运问题较大，因此此技术市场前景堪忧，为了解决此问题，发明了烟道尿素热解制氨技术。

（三）烟道尿素热解制氨

烟道尿素热解制氨工艺的流程如下：烟道热解制氨的喷枪设置在省煤器灰斗后的烟道上，此处烟温大约320℃，尿素溶液经过此处喷枪雾化后喷入烟道内，利用烟道内烟气的热量对尿素溶液进行热解制成NH3和CO2，热解后的还原剂与烟气充分混合后进入装有催化剂的SCR反应器内进行脱硝反应，生成氮气和水，从而达标排放。

此技术具有以下优点：

（1）在省煤器灰斗后的道内直接利用烟气的热量进行尿素热解，节约了常规热解中大量消耗电能的弊端，大大降低运行费用；

（2）节省了常规热解加热器、热解炉、喷氨设备，简化了系统设备，可以在同样的脱硝效果下大幅度降低工程建筑费用和运行费用；

（3）不消耗额外的热一次风；

（4）解决了炉外热解炉和喷氨格栅尿素结晶堵塞的危险；

（5）尿素热解喷枪布置省煤器灰斗后的烟道内，不会出现腐蚀受热面的风险；

（6）省煤器灰斗后SCR入口烟道尺寸较小，可以保证尿素溶液与烟气的充分混合。

由此可见，烟道尿素热解制氨技术不但解决了炉热解炉制氨的技术缺陷，还解决了炉外尿素热解制氨技术的缺陷。

三、烟道尿素热解制氨经济性分析

某锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司按照从美国CE公司引进技术进行设计和制造的亚临界压力，一次中间再热，控制循环汽包炉，单炉膛，P型布置，全钢构架悬吊结构，半紧身封闭。锅炉的最大连续蒸发量为2030t/h，机组电负荷为600MW。

本工程建造时采用尿电加热热解炉制备脱硝所需氨气，两台锅炉建造一个尿素溶解、储存区，锅炉原始氮氧化物浓度为300mg/Nm3，脱硝按83.4%的脱硝效率进行设计建造。

其工艺流程为：尿素颗粒存放在房间内，由斗提升机提升到尿素溶解罐里进行溶解，制成50%左右浓度的尿素溶液，通过输送泵运输到溶液储罐。储罐中的溶液经由高流量循环泵输送到计量与分配装置内进行计量分配，计量好的尿素溶液通过喷枪雾化喷入热解炉内进行热解，在高温热风作用下生成NH3和CO2，分解产生的氨气与热风一起经过喷氨格栅喷入脱硝入口烟道内进行反应。

此工程热解炉电加热制氨系统的电加热器功率为770KW，热解炉为六支枪热解炉。常规运行电加热700KW左右，运行费用较高，另外，运行过程中热解炉尾部经常结晶，导致脱硝超标停运。

为了减少运行费用，保证锅炉脱硝的稳定运行，对锅炉进行烟道尿素热解改造，在省煤器灰斗出口烟道设置6支烟道热解喷枪，每个反应器入口增加3支喷枪，每个喷枪6个喷嘴，左右各3个，保证烟气与雾化喷射的尿素溶液充分混合。运行画面如图1。

图1 尿素烟道热解运行画面

由运行画面可知，运行烟道尿素热解制氨出口NOx浓度完全达标，尿素耗量与炉外热解制氨相当。

烟道尿素热解制氨改造后的经济效益分析如下：

烟道热解制氨工艺运行以后，热解炉电加热器等原制氨设备可以停止运行，而原炉外尿素热解制氨电能为700KW/h，按年运行7500h、电费0.4元/KW计算，炉外尿素热解每年运行电费约为210万元，烟道尿素热解制氨运行后，炉外热解电加热器停运，每年节省电费约210万元，另外烟道尿素热解制氨不会出现热解炉电加热制氨中导致尿素分解不完全的尾部结晶现象，从而导致脱硝不能达标排放，此部分的经济效益及环境效益巨大，还可以保证锅炉稳定运行。

四、结论

（1）由烟道尿素热解制氨工艺应用可知，此技术可以实现锅炉SCR脱硝的稳定运行。

（2）烟道尿素热解制氨技术投运后，炉外电加热器停运可以节省大量的能源和运行费用。

（3）烟道尿素热解制氨技术可以消除电加热器热解炉制氨技术中热解炉尾部结晶堵塞导致脱硝停运烟气排放超标的问题，有很好的环境效益和社会效益。

（4）烟道尿素热解制氨技术解决了炉内高温尿素热解制氨技术的腐蚀受热面，影响锅炉稳定运行的缺点。

综上，烟道尿素热解制氨技术是一种日常维护运行节约、工程造价低、调节性能好保证脱硝稳定运行的制氨技术，具有很好的市场前景。