SCR脱硝尿素热解制氨热解风制备工艺

姚海明，周 萍，高月容（江苏科行环保科技有限公司，江苏 盐城 224051）

SCR脱硝尿素热解制氨热解风制备工艺

姚海明，周 萍，高月容
（江苏科行环保科技有限公司，江苏 盐城 224051）

工业烟气SCR法脱硝被广泛应用于各种工业窑炉。氨是SCR脱硝工艺中普遍使用的还原剂，其制取的工艺主要有液氨制取、氨水制取、尿素制取等。安全性要求高的系统一般采用尿素制氨法。尿素热解制氨是应用较多的一种工艺，其热解风的制取也有多种方式。文章介绍了尿素热解制氨工艺中热解风的制取方式。

SCR脱硝；还原剂；尿素热解；热解风制取

1　前言

随着我国经济、社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们越来越重视生活环境质量。尤其是不断出现的“雾霾”天气，使人们对燃煤锅炉的粉尘、SO2和NOx的排放治理更为关注。当前，工业窑炉烟气NOx的脱除是环境治理的重点之一。NOx治理通俗地称为脱硝，就是将烟气中已经生成的NOx通过一定的工艺方式转化成无害的N2和H2O等物质而脱除。目前已有工业应用的脱硝工艺主要有：选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）、氧化吸收法、吸附法等，其中SCR法是脱硝效率最高、技术最成熟，在大、中型火电锅炉中应用最普遍的技术。采用SCR法脱硝的总体工艺布置相似，只在脱硝还原剂的制备工艺上有所区别。

SCR脱硝所用的还原剂主要以含氨基为主的原料，常用的原料有液氨、氨水、尿素等。液氨（液化的，含氨＞50%）属于《联合国危险品编号》规定之23003号危险品，其运输与储存都有严格的标准规定。按照《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）及《石油化工企业防火设计规范》（GB50160-2006）的相关规定，液氨储罐与周围的工厂、道路和建筑等有严格的安全距离要求。含氨10%～35%的氨水为82503号危险品，《联合国危险品编号》规定之2672，与液氨相比，其安全性有很大的提高，氨水的浓度一般为20%左右，运输成本较高，因而应用受到局限。随着国家对环境、生产和生活等安全的日益重视，火电厂使用氨时在审批、工期、占地等诸多方面也受到越来越多的制约。尿素热解（或水解）的产物为NH3，具有与氨相同的脱硝性能，但是尿素是性质较稳定的固体，运输、储存和使用没有其他法规的限制。

在脱硝还原剂原料的选择上，企业可根据所处的地理位置、经济环境、交通运输、物料来源等各项因素综合考虑。在人居集中区，考虑到安全性一般选用尿素作为制备还原剂-氨的原料。尿素制氨主要有尿素水解和尿素热解制氨两种工艺，本文主要讨论尿素热解制氨，其尿素热解风的来源与制备是关键工艺点之一。

2　尿素热解风制取工艺

利用尿素热解法制氨作为SCR脱硝还原剂的工艺，一般用在燃煤电站锅炉、垃圾焚烧锅炉、熔炉等工业窑炉烟气SCR脱硝系统中。尿素热解制氨工艺是将质量浓度为50%左右的尿素溶液雾化后，经高温（450℃～650℃）热解生成氨（NH3）、水（H2O）和二氧化碳（CO2），其中的氨即为SCR脱硝系统所需的还原剂。从热解炉出来的含氨混合气体通过特定管路和分配模块进入到SCR反应器进口烟道的氨喷射格栅喷入到烟气中并与烟气充分混合，混合后的烟气在流经反应器中催化剂的表面时，氨将NOx还原为N2和H2O，达到脱除烟气中的氮氧化物（NOx）的目的。

尿素热解工艺的主要化学反应式如下：

CO（NH2）2→NH3+ HNCO（尿素 → 氨 + 异氰酸）

HNCO + H2O →NH3+ CO2（异氰酸 + 水 → 氨 + 二氧化碳）

尿素在温度高时不稳定，会分解成NH3（氨）和HNCO（异氰酸），HNCO再与水发生反应生成NH3（氨）和CO2（二氧化碳）。上述反应可以综合为：

CO（NH2）2+ H2O → 2NH3+ CO2（尿素 + 水 → 氨 +二氧化碳）

2.1引锅炉一次风（或二次风）尿素热解法

尿素溶液热解制氨的温度约在600℃～650℃，进入热解炉的常温尿素溶液需要吸收一部分热量，工艺上通常将热解风作为尿素热解过程中热量的来源。热解风只提供热量，并不参与热解反应过程，因此，其来源可以有多种渠道，如：用天燃气、柴油、丙烷等燃料在空气中燃烧使空气加热，然后将热空气供给热解系统作为热源。

在实际工程实践中，为了节约能源、降低系统的运行费用，最常采用的做法是：通过一个高温引风机，从锅炉尾部的空预器引出一部分热一次风或二次风（热风温度在280℃～320℃），通过电加热器将其温度再次提升到热解室所需的温度（600℃～650℃）后，送入热解炉内。计量后的尿素溶液和雾化压缩空气通过喷枪喷入到热解室合适温度段内，雾滴受热汽化并发生热解。

尿素热解制氨工艺过程具体见图1。

图1　引空预器一、二次风制取氨热解风工艺

尿素分子的热解过程理论上只需零点几秒钟的时间，但在实际工艺过程中，受雾化粒径大小的影响，热风需要在热解室内停留较长时间。这是因为，尿素溶液雾滴受热解炉内热风的热传导，雾滴最外层的尿素溶液升温，水分首先蒸发并发生尿素分子的热解，然后才是雾滴次外层尿素溶液的水分蒸发和分子的热解。这个过程一直持续到尿素溶液雾滴蒸发和热解完全完成为止。

尿素溶液雾滴粒径大小与热解完成时间的关系见下表。

尿素溶液雾滴粒径与蒸发热解时间的关系表

采用此种尿素热解工艺时，必须注意：1）引用的一次风必须是不含硫、低含尘性质的热风；2）因所需的稀释热解风量一般为2000～3000m3/h，对于460t/h以上的锅炉，所用一次风量只占到锅炉一次风量的1%以下，对锅炉用风影响甚微，对于效能要求不苛刻的锅炉来说，可以应用此法，这样可大幅减少热解系统的能耗，节省运行费用；3）对于没有预留一次风或二次风风量的锅炉，采用此法时会受到限制，改造难度较大，且会增加改造费用。

2.2锅炉烟气预加热洁净空气制尿素热解风工艺

一般中大型锅炉采用的都是回转式空预器，回转式空预器的换热元件围绕主轴做连续圆周转动，在热烟气流经空预器的蓄热式换热元件时，将换热元件加热；加热后的换热元件旋转到冷空气侧时，蓄积在换热元件上的热量将接触的冷空气加热，换热元件自身温度降低，完成一个圆周的转动；当换热元件继续进行第二个圆周的转动时，重复从热烟气中吸热、冷空气中放热的过程。由于热烟气、冷空气与换热元件直接接触，因而在一、二次风中不可避免会渗进烟气中的飞灰，影响一、二次风的质量。

同样，对燃烧劣质煤的煤粉锅炉，一、二次风中的飞灰浓度会更高。当引用一、二次风作为尿素热解风时，长期运行后会造成喷氨格栅（AIG）上喷嘴的堵塞，这是非常不好和麻烦的事情，必须要增设“喷氨管道压缩空气定期吹扫装置”，因而会增加工艺的复杂性和运行成本。

因此，在不便引用锅炉一、二次风作为热解风的情况下，可采用将干净冷空气预加热后作为热解风来源的工艺。即增加离心风机，将干净空气输送到预设在SCR反应器系统中的盘管式热交换器。盘管式热交换器一般设置在反应器灰斗、出口烟道等部位。热烟气将换热器盘管管壁加热，盘管管壁再将热量传递给流经内部的冷空气。使冷空气在换热器内预加热到300℃左右温度后，再通过热解炉前电加热器的再加热，将温度提升到600℃～650℃后送入热解炉。具体工艺过程见图2。

图2　洁净空气预热尿素热解风系统工艺

此种工艺是通过热交换管的管壁来传导热量，锅炉热烟气从管道外壁流过，空气从热交换管道内流过。因为是直穿流过，空气流动顺畅，但空气在管内停留时间较短，加热效果相对不太理想。另外，因热交换管是固定在反应器灰斗的两侧壁板上，管外的热烟气温度高于管内的冷空气，会引起热交换管的热膨胀，这要求管道两端或一端需设置吸收膨胀的结构，从而导致装置结构复杂，并易损坏、不利于密封。

2.3优化型锅炉烟气预加热洁净空气制尿素热解风工艺

针对上述尿素热解风制取工艺的缺点，设计出一种优化型的结构（见图3），运用引风机引一定量的纯净空气到SCR反应器的预加热器，初始预加热到300℃左右，再经过热解炉前的电加热器将热空气加热提升到600℃～650℃后送入热解炉。从图3可以看出，空气从SCR反应器灰斗一侧的进风箱进入内部的热交换管道，空气经过半圆弧弯转向后回到灰斗同侧的出风箱，热空气从出风箱出来后送去热解炉前的加热装置（一般用电加热）加热达到预定温度（600℃左右）后送入热解炉。

图3　优化型锅炉烟气预加热洁净空气制氨气热解风工艺示意

此种工艺的优点是通过转向半圆弧弯来消除热膨胀，无需在管道两端设立吸收膨胀装置，延长了烟气在热交换管道内的停留时间，加热效果好，结构工艺性、适用性优势明显。缺点是热交换管是悬臂型布置，受其自身重力影响，远端会向下弯垂，并且反应器内经过灰斗的烟气流速达6～10m/s，对热交换管道也有一定的向下作用力，所以需要给每根热交换管设置吊挂、固定装置，保证设备的牢固性。这需要给其足够强度着力点，通常是在SCR反应器灰斗的入口处布置吊挂支撑梁。

不管运用哪种热解风工艺，从热解炉出来的还原剂烟气需保持在320℃以上，因为热解炉内热空气的流量低或温度低，都会造成尿素溶液得不到完全热解而在尾部风道内形成结晶，久之就会形成沉积物堵塞热解炉出口。为防止尿素在热解炉底部结晶沉积，就必须保证尿素热解炉内有合适流量的热解风和合适的温度，维持系统的正常运行。同时，为防止高温氨气混合气体中的水冷凝，需要对热解炉出口到喷氨AIG这段系统上的管道和设备保温处理，防止热的混合气体中的水蒸汽冷凝后，吸收氨气生成氨水腐蚀设备。

3　工程实例

内蒙古国华准格尔发电有限责任公司#1、#2、#3、#4机组脱硝改造工程，采用了优化型洁净空气预热尿素热解风工艺，现均已投运。采用的洁净空气预热尿素热解风工艺系统运行状况良好，SCR脱硝系统性能指标均达到了设计要求。

北方联合电力有限责任公司乌海热电厂2×200MW机组烟气脱硝改造工程，采用了优化型洁净空气预热尿素热解风工艺，目前系统已经调试结束。采用的洁净空气预热尿素热解风工艺系统运行状况良好，SCR脱硝系统性能指标都能达到设计要求。

4　结语

以上三种尿素热解风制取的工艺方案都是在工程实践中经常使用的型式，在实际应用中各有其优缺点，这需要结合应用单位自身的情况来选用。社会工业的发展总伴随着工业技术的改进和革新，目前的工艺虽然是有效的，但并不是完美无缺的，尚有待在实践中探索出更加先进优异的方案。

［1］ 卢承政.燃机过渡烟道尿素热解制氨工艺的研究［Z］.西安热工院苏州分院，2011.

［2］ 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.

［3］ 段传和，夏怀祥.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术［M］.北京：北京电力出版社，2009 .

Preparation Technology of Pyrolysis Wind of Preparation Ammonia of Pyrolysis in SCR Denitration Urea

YAO Hai-ming， ZHOU Ping， GAO Yue-rong
（Jiangsu Cohen Environmental Protection Science and Technology Co.， Ltd， Jiangsu Yancheng 224051， China）

The method of SCR denitration of industrial flue gas is widely used in various industrial kilns and boilers. Am¬monia， as reducing agent， is widely used in SCR denitration technology. Usually， the preparation of ammonia from urea is adopted in high security system. This paper mainly introduces the preparation method in the preparation of ammonia process of urea pyrolysis.

SCR denitration； reducing agent； urea pyrolysis； manufacturing of pyr olysis wind

X701

A

1006-5377（2016）08-0065-04