尿素烟道热解制氨技术在火力发电厂脱硝工程中的应用

寇晓光

摘 要：根据火力发电厂大气污染物排放标准，为达到火力发电厂脱硝超低排放标准，对火力发电厂脱硝系统进行升级改造，尿素烟道热解制氨技术作为尿素热解制氨的新技术，在火力发电厂中得到成功应用。

关键词：脱硝；尿素；烟道热解；制氨；节能

引言

随着国家环保政策的日趋严格，新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》也在排放总量和排放浓度两方面提出更高的要求，针对当前传统尿素热解制氨技术电量消耗过大的技术弊端而开发的“尿素烟道热解技术”在火力发电厂已取得良好节能效果。

1、尿素烟道热解制氨技术的原理

在320℃时，尿素，缩二脲和三聚氰胺全部分解，快速加热将完全分解为氨气和二氧化碳。

尿素制氨技术作为脱硝还原剂，安全可靠。尿素热解的化学反应式为：

CO（NH2）2= NH3 + HNCO （1）

HNCO + H2O = NH3 + CO2 （2）

烟道内尿素溶液热解系统，在达到相同的脱硝效果的同时，无需建立单独的尿素溶液热解系统，同时无需外加燃料对尿素溶液加热，利用烟气的热量使尿素溶液转化为氨气作为SCR反应的还原剂，减少了投资成本，节约了能源消耗，降低运行成本。该系统实现了安全、节能、经济的脱硝反应过程。

2、尿素烟道热解制氨技术的特点

与传统尿素热解制氨工艺相比，可利用锅炉烟气热量对尿素溶液进行加热分解，节省大量电耗。取消电加热器、绝热分解室设备，大大简化了系统设备，大幅降低运行费用。

尿素烟道热解技术，将尿素溶液直接喷射到SCR反应器入口烟道内，利用锅炉烟气的热量对尿素溶液进行加热分解，消除了传统尿素热解技术消耗大量高品质能源（电）的弊端。

取消用于尿素热解的锅炉一次热风的消耗；替代原有炉外热解制氨系统的炉区设备（电加热器、热解炉、热风管道系统），大大简化了系统设备。

以1025 t/h锅炉脱硝系统为例，如采用传统的炉外尿素热解制氨技术，尿素需利用电能加热热风并在热解炉中完成热解，单台机组采用电加热消耗电能580kW，年运行按照8000小时计算，每千瓦0.4元。采用尿素烟道热解制氨原理的SCR系统，取消电加热器后，每年每台机组节省约185万元。并减少尿素热解热风消耗量4300m3/h，尿素消耗量基本保持不变。

3、尿素烟道热解制氨技术的关键

在SCR反应器两侧入口烟道上进行开孔，尿素溶液通过喷枪直接在锅炉高温烟气中加热分解制氨。增设计量分配装置2套，分别布置在SCR反应器入口两侧附近的平台上。新系统尿素溶液从原有计量分配器前母管接入，采用独立的电源和控制系统，不影响原系统的切换运行，不占用原系统IO模板。保留原系统，新热解系统与原系统不交叉，可随时方便的进行系統切换操作，新系统的供氨气能力不能小于原系统的供氨能力，不能降低原SCR的各性能参数指标。

尿素烟道热解制氨技术SCR烟气脱硝工艺系统，包括以下步骤：在还原剂制备系统中，将尿素颗粒溶解成一定质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶液供给装置输送到炉区的计量及分配装置，尿素溶液经过计量和分配后送到布置在SCR反应器上游烟道的喷射装置，在SCR反应器前的烟道内烟气与尿素溶液喷射装置喷出的尿素溶液液滴混合，混合之后烟气的热量加热尿素溶液液滴，并使其逐步蒸发、分解，将尿素分解为分解成NH3、H2O、CO2。随后，烟气、水蒸气、氨气等混合气体进入依次经过布置在锅炉烟道内的氨气/烟气混合器、烟气导流板、整流格栅，使得烟气和氨气混合更加充分，气流更加平稳均匀，然后进入SCR反应器，混合气体在SCR反应器里面催化剂的作用下有选择性地将烟气中的氮氧化物还原生成生氮气和水来减少氮氧化物排放。

尿素溶液喷射装置布置在烟气温度大于320℃的SCR反应器上游烟道内，当SCR反应器上游烟道内烟气温度低于320℃时，停止喷射尿素溶液。

尿素溶液喷出后，锅炉SCR反应器上游烟道内的烟气对尿素溶液直接进行加热，尿素溶液分解成NH3、H2O、CO2。

烟气和尿素溶液分解后的气体混合物一起进入SCR反应器，烟气中NOx在SCR反应器中催化剂的作用下有选择性地发生还原反应，生成生氮气和水。

4、尿素烟道热解技术的工程案例

某锅炉为双锅筒自然循环低压锅炉，该锅炉装有新型分层加煤斗及顺转的横梁炉排燃烧设备，单侧传动。锅炉为双锅筒横向布置自然循环锅炉，钢架固定式结构，炉膛前部布置分层煤斗。 炉膛内四周布满水冷壁管，后部水冷壁在炉膛出口处形成凝渣管，锅炉尾部布置一级 钢管式省煤器和一级空气预热器。锅炉除炉膛两侧采用重型炉墙外，均用砖砌轻型护 板炉墙。除渣采用的是马丁出渣机。

锅炉外型尺寸如下（mm）：

上锅筒中心标高 15000mm

锅炉运转层平台标高 7000mm

锅炉深度（ZZ～Z4 之间中心距） 13445mm

锅炉宽度（左，右柱中心距离） 10950mm

为了与锅炉运行匹配，尿素热解制氨脱硝装置必须保证在锅炉负荷波动时应有良好的适应特性。脱硝装置须满足如下运行特性：

应能适应锅炉 50%BMCR工况和110%BMCR工况之间的任何负荷，并能适应锅 炉的负荷变化和锅炉启停次数的要求。装置和所有辅助设备应能投入运行而对锅炉负荷和锅炉运行方式不能有任何干扰。而且脱硝装置必须能够在烟气排放浓度为最小值和最大值之间任何点运行。

脱硝装置采用尿素烟道热解法制备氨气。尿素烟道热解法制氨系统包括卸料给料装置、尿素溶解罐、尿素溶液输送泵、尿素溶液储罐、高流量循环模块、背压控制阀、计量和分配装置、喷射器系统等。

尿素储藏间的袋装尿素送至溶解罐里。用软化水将溶解罐内的干尿素溶解成 50%质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶液输送泵输送到尿素溶液储罐；尿素溶液经由高流量循环模块、调节系统、雾化喷嘴雾化后进入锅炉，生成 SCR 脱硝系统所需的还原剂 NH3，进而在催化剂的作用下达到脱硝效果。

锅炉最低稳燃负荷20 ～ 100%BMCR负荷；脱硝装置在投运前，脱硝系统入口烟气中NOx含量 500mg/Nm3；脱硝装置在投运后，NOx 脱除率不小于90%，NOx 出 口排放浓度不大于50mg/Nm3；氨的逃逸率小于 3ppm；脱硝系统的可用率在整个寿命期内不低于 95%。

脱硝装置应能快速启动投入，在负荷调整时有良好的适应性，在各种运行工况下能可靠和稳定地连续运行。整套设备于2016年投运至今，系统运行安全可靠，可达到火力发电厂超低排放标准，并对锅炉受热面（包括水冷壁/过热器、再热器、省煤器、空预器等）无不利影响。

5结论

尿素烟道热解制氨技术作为火力发电厂脱硝系统的核心技术，与传统尿素热解制氨工艺相比，可利用锅炉烟气热量对尿素溶液进行加热分解，节省大量电耗。取消电加热器、绝热分解室设备，大大简化了系统设备，大幅降低运行费用。而且在实际运行维护中，维护量小，设备投运率高，自动化程度高，提高劳动生产率。

尿素烟道热解制氨技术可以使尿素制氨技术在保持原有的技术性能情况下，工程造价和运行费用大幅下降。所以尿素烟道热解制氨技术在目前的火力发电厂脱硝行业中逐步的被接受使用。