《尿素热解制氨技术存在的问题分析及对策》

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所属分类:烟气净化相关
  • 作者 |喻小伟、匡萃杰、唐郭安、朱跃
  • 华电电力科学研究院有限公司、中煤新集利辛发电有限公司

摘要

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。

关键词:燃煤电厂;尿素热解;SCR;高温烟气加热器;炉内直喷;

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。

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:

尿素热解制氨技术

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:

尿素热解制氨技术

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。

尿素热解制氨技术

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。

大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂3~8号燃煤机组采用尿素热解法制备脱硝还原剂, 6台锅炉的脱硝装置共用1个尿素溶液制备/存储区, 即按照2×250MW+4×200MW机组消耗量设计。稀释风机抽取空气预热器出口的热二次风, 经电加热器升温到600℃, 作为热源进入绝热分解室。

中煤新集利辛发电有限公司一期建设两台1000MW超超临界燃煤机组, 同步建设SCR烟气脱硝工程, 还原剂方案选用尿素热解制氨工艺。热解室热源采用热二次风经电加热升温至600~650℃的高温烟气, 由于热二次风风压较小, 空预器热二次风抽气口使用增压风机为烟气增压。

尿素热解制氨技术在国内许多大型燃煤电厂都得到了应用, 工艺技术也是以NOxOUT ULTRA技术为主, 只是在绝热分解室的热源取用方式上有所不同:早期的如华能北京热电有限公司、华能玉环电厂、石景山热电厂等采用燃烧柴油加热冷空气的方式;大唐华银株洲发电有限公司则是采用天然气燃烧的热烟气与热一次风混合后的热烟气作为绝热室热源;国华锦界能源公司3号机组和大唐清苑热电厂采用热一次风经电加热器升温的方式;大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂和中煤新集利辛发电有限公司则是采用热二次风经电加热升温的方式。

4运行过程存在的问题

(1)运行费用高。以燃烧柴油或天然气提供热源的尿素热解系统需要消耗大量的燃料, 以华能北京热电厂为例, 按2007年4台炉的年平均利用小时数6435h计算, 4台锅炉每年的燃油量为2377t, 按每吨柴油7000元计算, 每年仅柴油一项, 成本就达1622万元, 每台机组成本约405万元。大唐华银株洲发电有限公司4号机组装机容量310MW, 采用天然气加热尿素热解制氨, 年平均利用小时数按5 500h计算, 1台炉燃烧热值为8000~8500kcal/m3的天然气量为180m3/h, 按天然气价格3.45元/m3计算, 每年仅天然气一项, 成本达341万元。

而采用热一/二次风经电加热升温提供热源的工艺, 根据机组容量大小或者工艺设计的不同, 电加热器的功率也有所不同, 大唐国际王滩电厂1号机组装机容量600MW, 采用970kW的电加热器作为热源进行尿素热解制氨, 年平均利用小时数按5000h计算, 1台炉累计年耗电量为420万kW·h, 按照厂用电0.35元/kW·h计算, 每年电费成本达147万元。陕西国华锦界能源有限责任公司3号机组 (600MW) 电加热器总额定功率为750kW, 按上式计算每年电费成本达113万元。中煤新集利辛发电有限公司尿素热解系统除了电加热器之外还有增压风机, 单台炉电加热器的功率为1000kW, 增压风机电机功率为90kW, 同样按上式计算每年电费成本达可达162万元。相比之下, 采用电加热器加热热一/二次风的工艺其运行成本要低于以燃烧柴油或天然气的工艺。

(2)燃烧器运行不稳定。北京京能热电股份有限公司石景山热电厂燃烧器布置在绝热分解室的顶部, 曾因操作不当造成回火, 导致燃烧器烧毁。

(3)绝热分解室内易形成沉积物。调查表明, 几乎每套尿素绝热分解室内都会产生沉积物, 这主要是由尿素热解过程的复杂性决定, 尿素受热分解时会产生大量且复杂的中间反应, 生产复杂的中间反应产物。通过分析, 发现沉积物的主要化学成分为三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺或三聚氰酸聚合物, 如果绝热分解室内反应温度偏低或尿素溶液喷嘴雾化效果不好, 则会产生大量的中间反应产物。绝热分解室热源如果选用热一次风或热二次风, 由于热一次风或热二次风含有从锅炉烟气在空预器处漏入的粉尘, 因此也会造成尿素绝热分解室内结晶形成沉积物。一旦形成沉积物, 绝热分解室内热空气的流场会受到影响, 一方面热空气在热解室内无法均匀流动, 影响温度均匀分布, 使热解室无法达到满足尿素分解所需的温度条件;另一方面大量的结晶占用了热解室内的空间, 使尿素溶液在完全分解之前就沾附到结晶物上, 形成新的结晶层。如此恶性循环之下, 整个热解室都可能会完全堵塞从而引起严重事故。

5解决对策

目前, 新建机组或技术改造机组一般都采用热一/二次风经电加热升温提供热源的工艺, 可节约大量的运行成本。热二次风风压一般在2~3 kPa, 如采用热二次风作为稀释风, 由于风压不足10kPa, 需设置高温增压风机, 而热一次风的风压在10kPa左右, 满足热解室风压>10kPa的设计要求, 无需增加高温增压风机。并且根据空预器的结构可知, 锅炉烟气先与二次风发生热交换, 理论上热二次风的粉尘含量会高于热一次风, 因此选用热一次风作为绝热分解室稀释风, 经济型和可靠性都会好于热二次风。

用高温烟气替代电加热器加热热一次风也是另一种有效节约能耗的方式, 将绝热分解室前电加热器系统作为旁路, 另安装高温烟气加热器, 从高温再热器后、低温再热器前的水平烟道, 取一定量的高温烟气作为高温烟气加热器气源。在高温烟气通道的出口, 设置调节烟气门和关断烟气门, 用于调节以及截断高温烟气。

运行检修必须引起足够的重视。很多出现结晶情况的电厂, 均是在运行检修上没有足够的重视, 因此建议电厂加强尿素热解系统的巡检和维护, 发现问题及时处理。

尿素绝热分解室内直喷系统改造已经成为趋势。大唐国际陡河电厂和王滩电厂均已经完成尿素绝热分解室内直喷系统改造, 陡河电厂保留了原尿素热解系统, 新增尿素绝热分解室内直喷系统, 在锅炉转向室位置增加尿素溶液喷射器和计量分配控制装置, 利用喷枪把尿素溶液直接喷射到锅炉600℃的转向室内高温烟气空间。新热解系统与原系统不交叉, 可随时方便的进行系统切换操作。而王滩电厂则是取消了原尿素热解系统的电加热器及绝热分解室, 储罐内的尿素溶液经由供液泵, 从尿素溶液循环母管抽出, 经计量分配装置、喷射器进入锅炉转向室内高温烟气空间。尿素绝热分解室内直喷系统改造, 基本解决了原尿素热解技术的热一次风的消耗、电加热器的能耗以及绝热分解室的沉积物堵塞问题, 简化了热解系统, 提高了系统可靠性, 降低了维护成本。

6结束语

尿素热解制氨工艺已经在不少燃煤电厂取得应用, 虽然存在一些问题, 但是经过改造和技术升级, 可以取得良好的效果, 经济性和可靠性都得到了提升。相比于液氨和氨水制氨工艺, 尿素热解制氨工艺技术成熟, 具备良好的经济效益和社会效益。

本文发表于《清洗世界》2018年

作者简介:喻小伟 ,男,硕士研究生,工程师。

编辑来源:电力节能环保公众服务平台

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