尿素热解制氨技术存在的问题分析及对策

北极星环保网讯:尿素热解制氨工艺因由于其在安全方面的优势, 已经在国内越来越多的燃煤电厂SCR脱硝工程中得到应用, 但该技术在运行过程中存在运行费用高, 燃烧器运行不稳定, 绝热分解室堵塞等问题, 不利于机组经济与安全运行, 通过分析, 找出问题原因, 提出相应的解决对策。

1前言

目前, 随着超低排放政策的全面实施, 燃煤电厂对炉后烟气处理设备实行了技术升级和改造, 其中, SCR烟气脱硝技术以其稳定、高效等特点被多数电厂烟气脱硝工程所采用, 脱硝还原剂一般选用液氨、氨水或尿素, 目前应用最多的是液氨。但是, 根据《危险化学品重大危险源辨识》GB18218—2009规定, 液氨储存超过10t, 即构成重大危险源, 同样, 氨水也存在安全问题。

作为无危险的制氨原料, 尿素具有与液氨相同的脱硝性能, 是绿色肥料, 无毒性, 使用完全, 因而没有法规限制, 并且便于运输、储存和使用。在《火力发电厂氮氧化物防治技术政策》和《火力发电厂设计规范》中都明确规定, 位于大中城市及其近郊区的电厂 (人口稠密区的脱硝设施) 宜选用尿素作为还原剂。因此, 尿素热解制氨技术得以应用并迅速发展。

2尿素热解制氨工艺

尿素又称脲, 分子式为CO(NH₂)₂, 熔点为132.7℃。因为尿素对热不稳定, 因此在受热时会发生热分解反应, 当反应温度低于360℃时, 这些中间反应产物和副反应产物会大量生成, 不利于尿素的完全分解。当反应温度高于360℃时, 尿素的分解反应以下列反应为主:

尿素 (CO(NH₂)₂) 在受热时会分解为氨 (NH₃) 和异氰酸 (HNCO) , 异氰酸 (HNCO) 遇到水汽会发生水解生成氨 (NH₃) 和二氧化碳 (CO₂) 。上述反应在极短的时间完成, 因此也可以综合为下列反应:

目前, 尿素热解目前主要采用NOxOUT ULTRA方法, NOxOUT ULTRA是美国某燃料公司 (Fuel Tech Inc.) 尿素热解制氨工艺的注册名称。我国有两家单位能够进行尿素热解工艺设计、制造, 分别是北京福泰克环保科技有限公司和北京洛卡环保技术有限公司。

尿素热解制氨工艺流程如图1所示, 用水将固体尿素配制成质量分数为50%的尿素溶液 (需要外部加热) , 然后经过给料泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入绝热分解室。热解室的热源通常使用柴油或天然气燃烧后的热烟气、来自空气预热器一次风或二次风抽气后经加热器升温至600℃的空气, 从热解室顶部输入, 底部排出。

雾化后的尿素液滴与热空气充分接触, 尿素受热分解生成NH₃和CO₂, 产生浓度<5%的氨气混合气, 由格栅喷射装置送入SCR烟气脱硝系统。其中:MDM为计量分配模块;HFD为高流量输送循环模块;PCV为背压模块;AIG为喷氨格栅。

图1 尿素热解制氨工艺流程图

3应用实例

2006年, 华能北京热电有限公司对其4台830 t/h燃煤锅炉实施烟气脱硝技术改造, 设计4台机组的SCR系统公用一套还原剂储存、制备及供应装置, 采用NOxOUT ULTRA尿素热解制氨技术, 这是国内首例采用尿素热解方法分解出还原剂进行SCR烟气脱硝的工程。热解室用稀释风采用冷空气通过稀释风机加压, 然后经风道燃烧器升温至600~650℃后的热空气。风道燃烧器燃料为柴油。

北京京能热电股份有限公司石景山热电厂也采用尿素热解制氨工艺为SCR脱硝工程提供脱硝反应所需的氨气, 绝热分解室热源是稀释风经燃烧器燃烧柴油升温到600℃的热烟气。

华能玉环电厂4×1000MW超超临界机组烟气脱硝工程采用的还原剂制备系统为尿素热解制氨系统。该系统由美国福泰科公司 (Fuel Tech公司) 提供, 主要包括尿素储仓、干卸料、螺旋给料机、尿素溶解罐、尿素溶液给料泵、尿素溶液储罐、供液泵、计量和分配装置、背压控制阀、绝热分解室 (内含喷射器、燃烧器) 、稀释风机及控制装置等。燃烧器燃烧柴油为绝热分解室提供热源。

国华锦界能源公司3号机组 (600MW) SCR脱硝系统的还原剂采用尿素热解制氨技术, 由北京洛卡环保技术有限公司设计生产, 包括计量和分配装置、尿素绝热分解室 (内含喷射器) 、稀释风加热系统及控制装置等, 稀释风采用锅炉热一次风。热一次风经过电加热器加热后送入尿素绝热分解室。大唐清苑热电厂尿素热解制氨工程热解用稀释风则是采用热一次风经电加热器升温的方式。

大唐华银株洲发电有限公司4号机组 (310MW) 尿素热解, 采用天然气热风炉燃烧的热烟气与热一次风混合后约600℃的热烟气作为绝热室热源, 混合后的热烟气输送到绝热分解室, 提供给绝热分解室以维持相应的尿素分解温度。

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