尿素热解制氨SCR脱硝技术在电厂的应用与优化_郭伟

第 卷第 期 年 月 锅 炉 技 术 收稿日期 修回日期 作者简介 郭伟 男 工程师 主要从事电厂热机专业设计工作 尿素热解制氨 脱硝技术在电厂的应用与优化 郭 伟 崔 宁 河北省电力勘测设计研究院 河北 石家庄 摘 要 针对大唐清苑热电厂脱硝采用尿素热解制氨 系统 在分析国内已投运电厂采用尿素热解系统 生产运行出现的问题的基础上 提出了解决及优化措施 供读者在今后设计中参考 关键词 尿素热解 稀释风 电加热 尾管沉积 中图分类号 文献标识码 文章编号 前 言 火电厂脱硝还原剂选择是整个脱硝系统中 很重要的一个环节 在脱硝系统中 还原剂是最 大的消耗品 其消耗成本直接影响到脱硝系统的 整体经济指标 目前 世界上脱硝系统最常用的 还原剂有 种 液氨 氨水和尿素 液氨 氨水及尿素都可用作 和 的还原剂 然而 尿素在性能和安全操作方面具 有明显优点 火电厂选择脱硝还原剂的影响因 素主要有 运输和储存安全 包括预防恐怖袭击 和泄漏 一旦发生事故可能造成的影响 包括经 济影响和其它影响 操作许可的批复 占地 投 资和运行费用等 氨水与液氨都属于危险化学品 而尿素则 为白色或浅黄色的结晶体 易溶于水 水溶液呈 中性反应 与氨水及液氨相比 尿素是无毒 无 害的化学品 是农业常用的肥料 无爆炸可能性 完全没有危险性 尿素在运输 储存中无需安全 及危险性的考量 更不须任何的紧急程序来确保 安全 此外 火电厂烟气脱硝工程技术规范选择 性催化还原法 征求意见稿 规定 对地 处城区 距离城市较近或有桥梁 隧道等液氨运 输条件制约的脱硫装置 也宜优先选用尿素作为 还原剂 大唐清苑热电厂地处保定地区 位于保定市 南环线以南约 公里处清苑县境内 南距清苑县 城约 公里 在该工程初步设计阶段 考虑到该 工程距离保定市区较近 又靠近清苑县城 因此 在选择还原剂时 经多方论证 确定采用尿素热 解制氨方案 尿素热解技术原理 不同尿素浓度的水溶液有不同结晶温度 重量 尿素水溶液结晶温度约 重量 尿素水溶液结晶温度约 固体的尿 素 吸湿性较强 因在尿素生产中需加入石蜡等 疏水物质 或用防湿薄膜形成 其吸湿性大大下降 尿素在高温高压 或高温常压 条件下 键断裂分解成 与 尿素热解工艺 的反应如下 尿素 氨 异氰酸 异氰酸 水 氨 二氧化碳 主要工艺流程 尿素热解法制氨系统包括干尿素储藏间 斗 式提升机 尿素溶解罐 尿素溶液给料泵 尿素溶 液储罐 循环 传输装置 计量和分配装置 背压 控制阀 绝热分解室 内含喷射器 电加热装置 及控制装置等 锅 炉 技 术 第 卷 袋装尿素储存于干尿素储藏间 由斗式提升 机输送到溶解罐里 用去离子水将干尿素溶解成 质量浓度的尿素溶液 通过尿素溶液 给料泵输送到尿素溶液储罐 尿素溶液经由循 环 传输装置 计量与分配装置 雾化喷嘴等进入 绝热分解室 从锅炉空气预热器抽取的一次风进 入电加热装置加热后进入热解室 雾化后的尿 素液滴在绝热分解室内分解 生成 脱硝系统 所需的还原剂 分解产物经由氨喷射系统 进入烟气脱硝系统 现有电厂采用尿素热解技术情况 在大唐清苑热电厂脱硝系统选择尿素热解 制氨工艺的前后 我们调研了我国最早采用尿素 热解制氨 脱硝技术的华能北京热电厂及石 景山热电厂 通过调研 发现上述电厂运行时出 现过以下问题 运行费用居高不下 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 后的热空气 风道燃烧器燃料为天然气或柴油 由于采用柴油作为燃料 导致热解运行费用较 高 以华能北京热电厂为例 按 年 台炉的 年平均利用小时数 计算 台锅炉每年的 燃油量为 按每吨柴油 元计算 每年 仅柴油一项 成本就达 万元 燃烧器运行不稳定 上述 个电厂燃烧器均设置在热解炉顶部 石景山热电厂曾因操作不当造成回火 导致燃烧 器烧毁 热解炉尾部易发生尿素存积 北京热电厂热解炉在使用过程中曾发生因 为底部尾管处尿素存积过多 导致出口风量减 少 系统供氨量不够 直接导致热解炉停运清理 的情况 影响了脱硝设施的可靠性 经电厂初步 分析 造成上述情况主要是由于尿素热解不充分 或未能热解 大唐清苑电厂工程采用尿素热解工艺 的优化设计 基于上述调研结果 大唐清苑热电厂工程在 设计工程中进行了优化设计 关于热解用风的探讨 北京热电厂及石景山热电厂均采用冷风经 稀释风机升压 经燃烧器升温后作为热解炉的稀 释风 由于燃烧器采用柴油为燃料 导致运行费 用居高不下 经与脱硝厂家沟通 如采用锅炉空 气预热器出口热一次风或热二次风作为稀释风 来源 再由燃烧器升温 经初步估算 运行费用可 降低 左右 至于究竟采用锅炉热一次风 热二次风还是 锅炉其他位置的热空气作为稀释风来源 笔者认 为 需进行多方面考量 主要有以下几个方面 对锅炉燃烧的影响 从对锅炉燃烧的影响来说 由于脱硝用稀释 风进入的是锅炉后部省煤器与空气预热器之间 的位置 因此 稀释风不参与锅炉燃烧 故无论从 热一次风引出还是热二次风引出 对锅炉而言 参与燃烧的热风份额均有所减少 根据设计院 及锅炉厂燃烧系统计算 一次风率一般在 左右 相应二次风率约为锅炉燃烧总份额的 因此 对锅炉而言 热二次风风量远 大于热一次风风量 因此 稀释风采用从热二次 风中抽出对锅炉燃烧系统的影响较从热一次风 中抽出对锅炉燃烧系统的影响更小 稀释风风压要求 我国目前能够进行尿素热解工艺设计 制造的 厂家仅有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 家单位 经与上述 家公 司沟通 热解室稀释风风压均要求大于 对于常规 等级火力发电机组 送风 机压头一般在 左右 一次风机压头一 般在 以上 考虑空气预热器本体阻力约 热一次风压头一般可达 热 二次风压头一般仅能达到 因此 如采 用热二次风作为稀释风 由于风压不足 故则需设置高温增压风机 由于该增压风机将 长期运行在 以上的高温环境 因此 对风 机叶轮及风机外壳的材质均有较高要求 直接导 致风机造价较高 且由于长期运行在高温环境 下 风机寿命较低温环境有明显缩短 根据河北 省电力勘测设计研究院水泥厂余热锅炉运行的 实际工程经验 一般处于高温工作环境下的设备 寿命仅为常温工作环境设备寿命的 而如果采用热一次风作为稀释风风源 由于其风 压已达 以上 故不需增设增加风机 因 此 从满足稀释风风压要求角度考虑 采用热一 次风更优 第 期郭伟 等 尿素热解制氨 脱硝技术在电厂的应用与优化 风源含尘量的影响 电厂高温热空气或热烟气可来自炉膛 省煤 器出口 空气预热器出口热一次风及热二次风 其中前 种为高温烟气 温度较热一次风和热二 次风更高 但含尘浓度过高 极易造成热解炉尾 部管道堵塞 因此不推荐采用 而热一次风及热 二次风来源于一次风机及送风机吸入的空气 故 含尘量相对较低 推荐使用 综上所述 从稀释风风源含尘角度考虑 推 荐采用热一次风及热二次风 从对锅炉影响最 小的角度考虑 推荐采用热二次风为宜 但考虑 满足稀释风风压要求的角度 热一次风较热二次 风更有优势 因此 主要的矛盾就集中在如采用 热一次风作为稀释风风源 对锅炉热一次风的影 响究竟多大 对锅炉燃烧是否造成较大影响 对于清苑工程 单台锅炉尿素热解用稀释风 所需风量约为 经设计院与锅炉厂 协调燃烧计算 锅炉一次风率最终确定为 设 计 煤 种 相 应 一 次 热 风 风 量 为 稀释风如采用热一次风 则稀释风占热 一次风总份额的 占比很小 经与上海锅 炉厂有限公司沟通 一次风量减少 以下对锅 炉燃烧不造成任何影响 因此 综合考虑上述因 素 清苑热电厂最终确定采用热一次风作为稀释 风风源 稀释风升温方式的选择 由于热一次风风温仅为 而脱硝厂家 要求进入热解炉稀释风风温高达 因此必然需要采取升温措施 以往升温措施 为在热解炉前设置燃烧器 以柴油或天然气为燃 料 这也造成了采用尿素热解工艺时脱硝设施 运行费用的居高不下 经与本工程脱硝厂家反 复沟通 经综合比选 清苑热电厂工程最终确定 采用设置电加热器的方式对热一次风进行升温 加热 电加热器功率 分 回路供电 供电电压 以厂用电费 元 度计算 仍以北京热电厂 年运行情况为例 采用电 加热方式年运行费用为 万元 运行费用较 燃烧柴油降低 但需要注意的是 该电 加热器需将空气温度由 加热至 因 此 加热器的表面温度需高达 以上 国内 尚无生产该电加热器材料的厂家 材料需从国外 进口 造价相对较高 据调研 该电加热器材料 的造价约为 万元 但考虑运行费用与采用 柴油为燃料的运行费用差价 则不到 年即可收 回设备成本 采用电加热器后 单台机组增加 用 电负荷 对于 机组 相应增加厂用电率 个百分点 热解室优化 由于清苑工程采用了电加热器的升温方式 因此相应取消了燃烧器 有效避免了原来由于 采用柴 油 为 燃 料 因 回 火 导 致 燃 烧 器 烧 毁 的 现象 避免出现热解室尾管尿素存积措施 通过对北京热电厂调研 热解室尾部管道沉 积的尿素主要为尿素未热解完全甚至没有热解 所致 由于尿素本身为稳定结构 因此 尿素热 解完全的 个重要因素是热解温度及尿素溶液 的雾化程度 如果热解室的温度过高或过低 都 会造成尿素不能完全溶解 进而造成其在热解室 尾部管道的沉积 根据北京热电厂的工程实践 热解室尾部出口混合温度控制在 时热解 效果最好 因此 大唐清苑工程在尾管处设置温 度测量装置 实时监控该处温度数据 以达到最 佳热解条件 尿素雾化的品质主要取决于雾化 压缩空气的压力及品质 选择合适的压缩空气 压力可使尿素雾化的方案更加充分 经与脱硝 厂家沟通 最佳的压缩空气压力为 此 外 由于厂用压缩空气品质往往较差 雾化空气 中含有一定的油 灰尘 长时间运行易堵塞浮子 流量计 浮子流量计若不报警 将导致尿素容易 得不到雾化 直接喷入尿素热解室 影响雾化效 果 基于上述原因 清苑热电厂工程将雾化尿素 溶液用压缩空气来源更改为仪用压缩空气 上 述方案可有效解决热解室尿素存积的问题 尿素的采购与储存的探讨 大唐清苑热电厂 机组脱硝用尿 素小时耗量约为 年耗量约为 据调研 由于尿素为农用化肥用料 因此尿素的 市场价格全年波动较大 以 年为例 年 尿素市场最低时出厂价只有 元 吨价 下同 左右 而 月中旬达到 元高位 以 每袋尿素 计算 大唐清苑热电厂全年脱硝 设施用尿素约 万袋 由于电厂全年中每 个月的用量基本相同 因此 完全可以采取在尿 素市场淡季时储存一定量的尿素以避免尿素市 场旺季涨价时带来的生产成本的提高 经初步估 锅 炉 技 术 第 卷 算 一个 的库房即可储存 的尿素 而尿素市场最低价与最高价间的差距导致的还 原剂原来成本节约就可达 万元 经济效益明 显 因此 建议采用尿素作为脱硝还原剂的电厂 在尿素制氨区附近增设尿素储存库 结 语 综上所述 采用尿素作为脱硝设施还原剂 较液氨及氨水方