技术前沿

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尿素制氨新技术在烟气脱硫脱硝中的应用

随着经济的快速发展,以煤为主的能源结构使得我国燃煤烟气的排放量大大增加,SO2和氮氧化物污染日益严重,并由此形成酸雨、雾霾等一系列环境问题。长期以来烟气净化技术主要集中在除尘和脱硫方面,但随着人们对氮氧化物危害的逐步认识,脱除氮氧化物已成为当前紧迫的任务。当前国家对氮氧化物的排放要求越来越严,国内脱硝市场正在全面启动。

烟气脱硝需使用大量的氨,其氨来源一般为氨水、液氨、尿素。其中,尿素因易于运输保存、无毒而被广泛应用。目前,尿素制氨一般采用水解或热解的办法,将尿素分解为氨气和CO2,氨气用于脱硫脱硝,CO2放空排放。现有的尿素水解或热解制氨技术,只利用了占尿素质量50%的氨,造成了尿素资源的浪费。在减排二氧化硫和氮氧化物的同时,却增加了CO2的排放,不利于节能减排。而且其用于加热反应的成本比尿素原料成本还高。以电厂为例,若每天用于脱硝的尿素在15吨左右,将这些尿素热解制氨需耗用6吨柴油,不仅生产成本高,每天还要排放30吨CO2。此外尿素热解不完全时还会产生沉淀,容易引起管道和设备堵塞导致系统停车。

针对现有脱硝过程中液氨和尿素制氨的缺点,山东大学目前成功开发出用于烟气脱硝工艺的尿素制氨新技术,使尿素全部转化成了氨产品并得到了增值。该技术首先将尿素与助熔剂在高温下进行缩合反应,尿素分子的两个氨基都转化为氨气,反应过程同时得到高附加值的尿素衍生物。由此将烟气脱硝氨气的制备过程由一个单纯尿素投入的过程,整合为产生氨气的同时副产出三聚氰酸、缩二脲或缩三脲等高附加值产品尿素衍生物的盈利过程。

传统尿素热解制氨技术需要600℃左右的高温,用燃油加热或电加热,耗能较高,运行成本高,并释放大量CO2。而新技术制氨只需要200℃左右的反应温度,用蒸汽加热即可,节约大量能源。该过程既不排放CO2,同时还使尿素中的碳、氧元素得到充分利用,提高了尿素利用率,降低了烟气脱硝所用氨的成本。

目前,采用尿素制氨新技术的示范装置已投入运行。应用数据表明,在75t/h和220t/h循环硫化床锅炉未进行改造的情况下,采用尿素制氨新技术烟气脱硝后,氮氧化物排放浓度小于80mg/m3,优于国家氮氧化物排放浓度100mg/m3的标准。SO2脱除至45mg/m3,脱除率高达98.87%,能够满足国家环保部SO2控制在50mg/m3以下的排放要求。

新技术将脱硝用氨与尿素深加工生产结合起来,极大地提高了对环境的保护,既能满足脱硝的需要,又能产生很好的经济效益。尿素反应产生的氨可随时用来脱硝,解决氨的存放和泄漏等问题,避免了尿素水解和热解制氨技术中的CO2排放,减少了烟气脱硝的同时对环境的污染。

与传统工艺相比,新技术具有三大优势：一是将尿素全部转化成了氨产品并实现增值,而传统尿素制氨中有50%的尿素转化成了无用的CO2;二是整个反应温度不到200℃,反应温度低、能量消耗少,有利于节能减排,而传统尿素制氨工艺需要600℃的高温,用燃油加热或电加热,消耗大量能源并释放CO2;三是新技术中产生的氨根据需要定时定量的产生,直接用于脱硫脱硝,且可根据脱硝用氨量随时进行调节,不用储存,降低了运输、储存和使用液氨所带来的安全风险,极大地提高了生产装置运行的稳定性和安全性。

此外,新技术实施起来也非常方便快捷,只需在现有尿素制氨或液氨气化装置上建一旁路,安装上尿素制氨新工艺装置,不影响现有发电及脱硝装置的正常运行。现阶段液氨的市场价格为每吨3000元左右,尿素衍生物根据产品不同市场价格分别为每吨3000元和5800元左右。若以一个年耗氨气的电厂规模初步估算,年消耗尿素14000吨,生产尿素衍生物7500吨。这样电厂除每年省下购买液氨或尿素的巨额成本外,还可获得纯利润将近1200万元。

尿素是一种稳定、无毒的固体物料,作为脱硝用氨的理想来源,对人和环境均无害,可以被散装运输并长期储存。不需要运输和储存方面的特殊程序,其使用不会对人员和周围社区产生不良影响,不存在爆炸危险、毒性危害、重大危险源等因素,而尿素安全距离也大大降低,对运输道路无特殊要求,安全成本低。因此,国家环评报告一般倾向于尿素方案。尿素制氨新技术在满足脱硝用氨要求的同时,还可副产高附加值尿素衍生物,将尿素分子中的所有元素充分利用,降低了烟气脱硫脱硝的成本,有望实现烟气脱硫脱硝技术升级。尿素在脱硝装置中作为还原剂广泛应用,对于尿素生产企业来说,也是走出化肥拓展发展机遇,解决我国尿素产能过剩的问题的有效途径。由此为化肥企业开辟新的应用市场,并使尿素生产企业有一定的利润空间,经济效益显著。而国内目前开始全面启动的脱硫脱硝市场,将为尿素生产企业带来市场发展的新机遇。

(汪家铭)