脱硝尿素热解系统热源节能优化改造分析

路晓锋 李明 张小庆 侯力强

摘   要：尿素热解制氨工艺是一种较为安全的脱硝还原剂制备方案，该技术以电加热为热源进行尿素热解制氨，在使用过程中由于电加热功率较大，很多项目都在考虑停用电加热器，改用其他方式提供尿素热解过程所需的热源，文章就目前几种主流技术进行对比分析。

关键词：选择性催化还原法;脱硝;尿素热解;换热器;节能

1    脱硝技术概述

目前在众多的脱硝技术中，选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）和选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR），是应用最为广泛的两种技术，其脱硝原理为烟气中的NOx与NH3反应，生成氮气和水，化学方程式如下：

NO+ NO2 +2 NH3=2N2+3H2O

4NO+O2 +4 NH3=4N2+6H2O

4NO2+O2 +4 NH3=4N2+6H2O

脱硝还原剂主要来源有氨水、液氨和尿素3种，又以液氨和尿素的应用最为广泛。由于尿素在运输、储存及电厂操作方面具有安全性的优势，越来越多的火力发电厂选用尿素作为脱硝还原剂。尿素热解制氨工艺成了烟气脱硝装置的核心技术之一。SCR还原剂氨气可直接来源于液氨，也可通过氨水或者尿素间接制备。在选择氨气来源时，不仅要考虑投资和运行成本，还要考虑环保、安全以及系统稳定运行等因素。

2    SCR烟气脱硝尿素热解制氨工艺介绍

尿素热解制氨工艺流程如图1所示。尿素热解法的氨气间接来源于尿素间接制备，在尿素溶液制备罐中将尿素颗粒与除盐水配制成40%～50%质量浓度的溶液后，输送至尿素溶液储存罐储存，配制好的尿素溶液通过计量分配模块将尿素溶液雾化并通过喷头喷入热解炉内，热解炉利用高温空气或烟气作为热源，将雾化的尿素水溶液迅速分解为氨气，低浓度的氨气作为还原剂进入烟道与烟气混合后进入SCR反应器，在催化剂的作用下将氮氧化物还原成无害的氮气和水。

尿素热解反应为：CO（NH2）2=NH3+HNCO（异氰酸）;HNCO+H2O=NH3+CO2。反应条件为：350～650 ℃的空气或者烟气。

3    尿素热解热源技术

3.1  电加热热源工艺

目前工程上常规的尿素热解法采用锅炉的热一次风作为热源，但即使采用热一次风（300 ℃左右），也达不到尿素热解的温度（450～600 ℃）要求，因此在热一次风离开空预器后，仍需对热一次风进行二次加热。早期是通过燃油加热系统，通过燃烧燃油进行加热。另一种是通过电加器进行加热，因为该系统较为简便，因此应用得较多。电加热热源工艺如图2所示。

3.2  电加热工艺存在的问题

利用锅炉高温热一次风（280～320 ℃），由于锅炉使用回转式预热器，锅炉热一次风中含尘量较高，在热解炉改用锅炉热一次风后，热解炉及喷氨管线出现了粉尘沉积、堵塞的问题。使用锅炉热风作为热解炉稀释风，可以降低运行成本，但由于尿素热解不充分以及热风携带的粉尘均会堵塞喷氨管线。特别是喷氨格栅的喷氨支管堵塞后，会导致SCR喷氨格栅氨气/烟气配比失衡，SCR反应器局部氨逃逸率增大，进而引起脱硝效率降低、脱硝物料消耗增加等负面影响。氨逃逸量增加还会使锅炉烟气系统硫酸氢铵生成量上升，甚至会造成预热器堵塞、除尘器电场极板大量粘灰造成电场封闭等后果。加之电加热器能耗过大（以某电厂 600 MW机组为例，电加热功率约1 000 kW），运行不稳定，从节能和提高SCR运行安全性的角度，提出对尿素热解炉热源进行改造。

4    尿素热解热源改造工艺

4.1  烟气换热器工艺

引入锅炉高温烟气约700 ℃左右，同时将一次风从原系统引出，两管路与布置在热解炉附近的高温烟气换热器连接，在炉外进行热交换。通过高温烟气将一次热风加热至热解炉需要的工艺温度450～650 ℃，保证热解炉出口温度≥350 ℃，从而实现替代电加热的功能，流程如图3所示。

烟气从锅炉引出来连接至换热器走管程，从换热器顶部进，经换热器后从换热器底部出，最后接入空预器前脱硝后的烟道。热一次风从电加热器前连接至换热器走换热器壳程，从换热器下部侧面进，经换热后从换热器上部侧面出，最终进入热解炉系统。

4.2  高温烟气过滤工艺

引用高温烟气加热脱硝尿素的热解系统，原理是将高温烟气引至热解炉中，满足尿素热解反应热量的要求，进而取消原热解系统的电加热器，不需将电能转化为热能。

该装置将解决目前普遍存在的火力发电厂脱硝尿素热解系统能耗高的问题，较多地降低烟气脱硝的运行成本，节能减排，具有较强的实用性。

该方案引用高温烟气加热脱硝尿素热解装置，主要包括以下部分：尿素制备系统、尿素溶液计量控制模块、热解炉、高温除尘器、高温风机、喷枪，具体如图4所示。

引接锅炉高温（550～650 ℃）烟气经高温除尘器后（烟尘含量可降低至5 mg/m?）进入到热解炉，并通过加入调节门满足尿素热解反应所需要的热量。同时，尿素制备系统制备50%尿素溶液，通过尿素溶液计量控制模块分配控制进入喷枪的尿素溶液，尿素溶液流经喷枪通过压缩空气雾化成小液滴后进入热解炉内，在高温环境下发生充分的热解反应，生产的氨气与烟气混合气流经风机后喷进烟道内，实现脱硝的目的。

4.3  高温除尘器简介

高温除尘器的核心过滤元件由金属纤维烧结制成的多孔介质组成，具有极好的耐高温特性，远远超过普通滤袋的应用温度，可以达到1 000 ℃的应用工况。

使用高温除尘器能获得最佳的粉尘过滤效果，经过高温除尘器过滤后，粉尘的排放浓度可降低至10 mg/m?，甚至在5 mg/m?以内。即使对于0.5 μm的颗粒，过滤效率也可达到99.99%，并且具有运行阻力低、使用寿命长以及可回收处理等优点。

4.4  热源改造工艺对比

以某電厂600 MW机组为例进行对比分析，具体分析如表1所示。

由上表可见，高温烟气过滤工艺投资费用为1 150万元，比烟气换热器工艺投资费用低276万元。因此，将高温除尘器应用在SCR尿素热解系统中具有投资小、节能等优点。

5    结语

随着节能减排政策的实施，高温烟气过滤热源工艺会更多地应用在SCR尿素热解系统改造中。伴随着高温材料的发展和高温除尘技术的创新应用，高温过滤材料将更好的服务于各工业领域。