SCR烟气脱硝系统还原剂制备技术比较

唐小亮，何 川，吕 薇

(江苏国信高邮热电有限责任公司，江苏 扬州 225600)

1 引言

截至2019年底，全国发电机组装机容量201066万kW，其中，火电机组装机容量119055万kW，占总装机容量的59.2%[1]。火电机组中95%以上采用SCR法脱硝，常用的还原剂制备工艺包括液氨气化法、尿素水解法、尿素热解法等3种工艺[2]。

《危险化学品重大危险源辨识》(GB 18218-2018)中规定，氨的贮存量超过10 t即为重大危险源[3]。《国家能源局综合司关于切实加强电力行业危险化学品安全综合治理工作的紧急通知》(国能综函安全〔2019〕132号)中要求积极开展液氨罐区重大危险源治理，加快推进尿素替代升级改造进度，新建燃煤发电项目应当采用没有重大危险源的技术路线[4]。用尿素替代液氨及氨水，消除液氨及氨水运输和储存过程中安全风险，已成为电厂脱硝系统还原剂制备的主流技术。

本文详细介绍了尿素水解法、尿素热解法对应的五种制氨工艺的反应机理、工艺特点和优缺点，对比分析了5种工艺的主要技术指标和安全经济性，以期为电厂SCR脱硝系统还原剂制备技术的选择提供一些参考。

2 主要技术现状

2.1 尿素热解法

尿素热解法的化学反应方程式为：

CO(NH2)2→ NH3+HNCO

HNCO+H2O → NH3+CO2

综合反应：

CO(NH2)2+H2O=CO2↑+ 2NH3↑

2.1.1 传统热解法

尿素颗粒用除盐水配制成质量浓度为40%～55%的尿素溶液，通过给料泵输送至尿素溶液储罐；后经雾化喷嘴等进入热解炉，在350～650 ℃分解生成NH3和CO2，分解产物经氨喷射系统进入SCR系统。

优点：10 s响应，反应快。

缺点：①尿素转化率低(70%左右)；②不完全热解产生的副产物在尾部易形成沉积，造成热解炉停运，影响脱硝装置的可靠性；③不完全热解产生的副产物会引起催化剂中毒和失效；④不能多机组共用；⑤反应温度高，多采用电加热，能耗高，运行费用高[5]。

2.1.2 高温换热器热解法

高温换热器热解法由传统热解法改进而来，利用锅炉高温烟气作为尿素热解炉热源，显著降低了运行能耗。通过“烟气-空气换热器系统”加热一次热风以满足尿素热解的需要，保证运行中热解炉出口温度不低于350 ℃，升温后的一次风进入热解炉对尿素溶液进行热解[6]。

高温换热器热解法包括外置式和内置式两种。外置式由于占地大、成本高、对锅炉构架设计影响较大、烟气流速高、磨损大，环保性能差等因素，应用极少。内置式克服了外置式的一些缺点，技术方案简单，对锅炉的影响较小，易于实施，节能效果显著，能够满足尿素热解制氨系统安全稳定运行的需要，但在拓宽适用符合范围方面仍有优化空间[7]。

2.1.3 高温烟气旁路直喷热解法

将尿素溶液雾化成细小的颗粒直接喷入旁路烟道，利用高温烟气将尿素热分解生成NH3和CO2。

优点：相较于其它热解法，工艺系统简单、投资较省，能够较快响应脱硝系统日常运行和启动需要。

缺点：①负荷变化对尿素利用率影响较大，尿素利用率较低，造成氨逃逸增加；②存在喷枪磨损、堵塞，挡板积灰卡涩问题；③需要足够空间安装旁路烟道，锅炉为封闭形式时，施工难度加大。

2.2 尿素水解法

2.2.1 普通水解法

普通水解法的化学反应方程式为：

CO(NH2)2+H2O=NH2COONH4

NH2COONH4=2NH3↑+CO2↑

综合反应：

CO(NH2)2+H2O=CO2↑+2NH3↑

尿素颗粒用除盐水配制成质量浓度为40%～60%的尿素溶液输送至尿素水解反应器内，饱和蒸汽通过水解反应器盘管对尿素溶液进行加热。气液两相平衡体系的压力约为0.4～0.6 MPa，温度约为145～160 ℃[8]。

优点：①能耗较低；②尿素利用率高；③产生的氨气纯度高。

缺点：①反应压力高；②制氨响应速度慢，无法满足机组快速变负荷时的供氨需要；③腐蚀严重；④通过增大反应器体积可以增加氨气缓存量、提高反应温度可以提高反应速度，但进一步加剧了腐蚀、降低了尿素利用率、增加了占地面积。

2.2.2 催化水解法

催化水解法的化学反应方程式为：

CO(NH2)2+催化剂+H2O→中间产物+CO2↑

中间产物→2NH3↑+催化剂

综合反应：CO(NH2)2+H2O=CO2↑+2NH3↑

尿素的水解反应为吸热反应，催化剂装在水解反应器内，可循环使用，主要作用是通过改变反应路径，显著降低反应的活化能，使反应更加容易进行，大大加快反应速率，降低响应时间，尿素转化率可达99.0%以上。气液两相平衡体系的压力约为0.35～0.55 MPa，温度约为130～140 ℃。

优点：①在普通水解技术的基础上，大幅度提高反应速度、有效降低腐蚀速率、减小体积、降低能耗、提高尿素利用率；②进一步提高了电厂烟气脱硝的控制品质和整个尾部受热面的运行可靠性；③能够满足快变负荷和脱硝快速控制要求。

缺点：反应压力较高。

3 不同工艺比较

5种制氨技术的工艺参数、经济与安全性比较如表1所示。

表1 5种制氨技术比较

由表1可以得出结论如下。

(1)五种制氨技术的尿素车间均需要尿素颗粒储存、尿素溶液配制、溶液储存及输送等环节。高温烟气旁路直喷热解法利用旁路烟道代替热解炉，同时还省去了喷氨格栅和伴热设备，工艺系统最简单，投资最省。

(2)尿素热解后分解出的异氰酸在热解室中难以再分解为氨气，因此，热解法的尿素转化率较水解法低，也是热解炉结垢的原因。水解法杂质留在液相中，通过排污口排出，分解生成的氨气较纯净。

(3)传统热解法和高温换热器热解法运行温度较高，为了保证物料场和温度场的均匀分布，其反应能耗不能随着锅炉负荷(需氨量)的降低而降低，运行成本较高。高温烟气旁路直喷热解法克服了传统热解法能耗高的不足，运行成本低于常规热解法。水解法所需热量靠辅助蒸汽加热，运行成本相对较低。

(4)热解法分解速度较快，系统的响应时间为10 s左右；普通水解法制氨响应速度慢，响应时间为1～2 min；催化水解法反应速度比普通水解提高9倍以上，10 s响应，能够满足快速变负荷和脱硝快速控制要求。

(5)热解法只能单元制配置，水解法多采用母管制，可多机组公用，多机组时采用尿素水解技术更具有投资优势。

4 结语与展望

五种制氨技术各有特点，基本都能够满足SCR烟气脱硝系统还原剂供应要求。传统热解法和高温换热器热解法由于能耗高、故障率高，正逐渐被高温烟气旁路直喷热解法和尿素水解法取代。从技术、经济及安全角度综合考虑，催化水解法和高温烟气旁路直喷热解法综合性能最优，具有广阔的应用前景。