燃煤电站SCR 系统中制氨系统的对比分析

吴凤玲 摆金山 刘民 赵修华 吴晓烽

(1中国石油工程建设公司新疆设计分公司 新疆乌鲁木齐 830019 2上海同济华康环境科技有限公司 上海 200092)

我国燃煤电站NOx的排放量随着火电行业的发展呈不断增长的趋势[1,2]。近年来，我国对NOx的控制指标越来越严格，“十二五”规划要求氮氧化物排放量减小十个百分比，《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）中也将NOx排放要求提高至100 mg/m3[3]。

目前，烟气脱硝技术几乎都集中在燃烧中和燃烧后的NOx控制上，所以，在国际上把燃烧中NOx的所有控制措施统称为一次措施，把燃烧后的NOx控制技术称为二次措施，又称为烟气脱硝技术[4]。其中，选择性催化还原（SCR）技术最为成熟，在日本、欧洲和美国都得到了十分广泛的应用。SCR工艺中直接参与化学反应的是还原剂氨气，根据商业业绩较好的原则，主要的氨源可分为三类：液氨、氨水（氨的水溶液，通常为20~30%氢氧化铵溶液）和尿素（40~59%尿素颗粒溶液）。本文对三种不同的氨源进行对比分析，分析各自的优缺点，并探讨其经济性。

1 制氨系统

1.1 液氨

液氨为无色液体，有强烈刺激性气味，极易气化，属于易燃易爆危险品。18℃时的密度为0.6132g/cm3，自燃点为651.11℃，爆炸极限为16%~25%，沸点为-33.5℃，熔点为-77.7℃，低于-77.7℃时成为具有臭味的无色结晶。

液氨制氨系统主要由液氨储存系统、液氨蒸发系统、事故吸收系统和氮气置换系统组成。液氨管输送入液氨储槽，再经过蒸发槽蒸发为氨气后通过氨缓冲槽和输送管道进人锅炉区，通过与空气均匀混合后由分布导阀进入SCR反应器内部反应。典型的工艺流程如图1所示。

图1 液氨制氨系统工艺流程示意图

采用液氨作为脱硝还原剂的SCR系统，从液氨的输送、存储、制备、供应到日常的维护管理，都要制定严格的安全管理制度。但由于其具有工艺系统简单、占地面积小、投资省、原料费用较低等优点，我国已投运的火电厂脱硝装置大多采用液氨法制备氨气[5]。

1.2 氨水

氨水为无色透明液体，有强烈的刺激性气味，属于危险品，当空气中氨气在15%～28%爆炸界限范围内，会有爆炸的危险性，所以氨水具有燃烧、爆炸及腐蚀的危害性。脱硝工艺中常用的氨水浓度为20%～30%。

氨水制氨系统的工作原理是将25%的含氨水溶液存于常压储罐中，利用氨水泵将其送至双相喷嘴向烟气中喷射，喷射过程中同时混入稀释风，稀释风被加热，将氨水中的水分气化并完成稀释。典型的工艺流程如图2所示。

图2 氨水系统工艺流程示意图

与液氨相比，采用氨水制氨，安全性能够有很大的改善，但是运行能耗高，存储和运输成本都很大。

1.3 尿素

尿素呈白色或浅黄色晶体，易溶于水，水溶液呈中性，吸湿性较强，易潮解，熔点132.7℃。在高温高压（160～240℃，2.0MPa）或者高温常压（350～650℃，0.1MPa）条件下，C-N键断裂分解成NH3和CO2，属于无毒、无害的绿色化学品。在运输、储存中无需考量其安全和危险性，更不须任何的紧急程序来确保安全。

尿素制氨气主要可分为两种：热解工艺和水解工艺。

1.3.1 热解工艺

尿素热解制氨系统主要由固体尿素储存系统、尿素溶解储存系统和尿素热解炉组成。典型工艺为50%wt浓度的尿素溶液被尿素溶液输送泵送到热解炉的计量分配装置，计量后的尿素溶液被输送至安装在热解炉入口处的喷嘴。将热空气（锅炉一次风或二次风）温度再次提升（约350～650℃）并送入热解炉，随后将尿素溶液喷入在温度窗内具有适当停留时间的热解炉，使尿素溶液分解为NH3和CO2，然后将包含NH3的气流导入氨气-烟气混合系统。典型的工艺流程如图3所示。

图3 尿素热解系统工艺流程示意图

尿素热解工艺所需热量较大，因而会导致燃油消耗量较大、运行费用高等问题；且热解炉尾部积物较快，为防止尿素存积较多，需要定期清理，停运期间，会影响脱硝装置的可靠性[6]。

1.3.1 水解工艺

尿素水解系统主要由固体尿素储存系统、尿素溶解储存系统和尿素水解反应器组成。典型工艺为40～60%wt浓度的尿素溶液被尿素溶液输送泵送到水解反应器，在150～250℃和5～30bar的条件下尿素发生水解反应。水解反应器中产生出来的含氨气流被空气稀释，再进入氨气-烟气混合系统。典型的工艺流程如图4所示。

图4 尿素水解系统工艺流程示意图

2 制氨工艺对比

液氨法、氨水法、尿素热解法和尿素水解法四种不同工艺的性能对比分析如表1所示。

表1 制氨工艺性能对比

由表1可得，从运行成本看，氨水>尿素>液氨；从投资成本看，尿素>氨水>液氨。由此可见，液氨法的投资费用、运输费用和使用费用都是三者中最低的，运用此方法虽然具有一定的安全隐患，必须由严格的安全保证和防火措施，液氨的输送储存设计到当地的法规和劳动卫生标准，但只要设计、建造、安装、调试和运行各个环节严格遵循有关规程要求，还是能够保证安全的。

3 结语

SCR脱硝工艺中的制氨系统通常有液氨、氨水、尿素热解和尿素水解四种，其中，液氨法最为经济，投资、运行费用最低，但安全性较差，属于危险化学品，需要严格遵循规章制度，保证其安全使用。若从安全性方面考虑，尿素是最佳选择，无需考量其危险性，属于绿色化学品。四种工艺中，氨水无论从危险性还是投资运行成本方面考虑，都不建议使用。

[1]段传和，夏怀祥.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术/中国大唐集团科技工程有限公司[M].北京：中国电力出版社,2009.

[2]沈滨,吴敌,赵禹.尿素制氨工艺在SCR烟气脱硝工程中的应用[C].2009年清洁高效燃煤发电技术协作网年会,昆明,2009.

[3]GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准[S].

[4]马忠诚,房晶瑞,汪澜.水泥工业氮氧化物减排的途径[J].水泥,2011,(11):4.

[5]马千里.火电厂脱硝系统氨气制备方案比较[J].华电技术,2011,33(12):58-59.

[6]杜成章,刘诚.尿素热解和水解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用[J].华北电力技术,2010,(6):39-41.

[7]汪建光.燃煤电站SCR脱硝技术中尿素热解和水解制氨技术对比[J].环保技术,2008,(4):59-60.