3.尿素热解和水解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用

尿素热解和水解技术在锅炉 烟气脱硝工程中的应用 杜成章,刘 � 诚 (华能北京热电有限责任公司, 北京 100023) 摘 � 要: 随着国内的经济发展, 燃煤电厂锅炉烟气排放的指标控制越加严格,燃煤电厂烟气污染物的排放越来 越受到国家和社会的广泛关注。锅炉烟气脱硫技术已在国内燃煤电厂全面实施, 锅炉烟气脱硝技术在北京市 已全面普及, 在国内其它地方也逐渐推广, 作为脱硝还原剂液氨的运用由于受到安全、地域等因素的限制, 尿素 热解和水解制氨技术逐渐受到青睐,将为许多用户提供选择。 关键词: 脱硝;还原剂; 尿素;热解; 水解;应用 中图分类号: X773� � 文献标识码: B� � 文章编号: 1003�9171( 2010) 06�0039�03 Application of theUrea 's Pyrolysis andHydrolysis Technology in Boiler F lue GasDenitration Du Cheng�zhang, L iu Cheng (H uaneng Be ijing Therm al Power Co. L td. , Beijing 100023, China) Abstract: The coal burning bo ilers 'flue gas em iss ion standard becom es stricter w ith Chinese econom ical developm ent day by day. The governm ent and the whole society paysm ore attention to coal burn ing pow er plants ' flue gas em is� sion. Desulphurization of the bo ilers' flue gas has been applied through the whole country. In city Beijing the denitra� t ion m ethod has been applied w idely. In other part of the country, transportation of the reducing agent liquid amm o� n ia for denitration is still constrained due to safety and geograph ical reasons, therefore pyrolys is and hydro lysis ofure� a is, and it w ill be, still a popularm ethod in use. K ey words: denitration; reducing agent; urea; pyro lys is; hydro lys is; application 1� 背景 选择性催化还原烟气脱硝技术最早在美国获 得专利,于 20世纪 70年代末首先在日本应用于 燃气和燃油锅炉,于 80年代初用于燃煤锅炉低尘 与高尘环境,于 80年代中后期在欧洲经过示范试 验后开始商业推广, 于 90年代初进入美国市场。 继日本和欧洲之后,美国于上世纪末期开始大范 围安装烟气脱硝装置, 代表了当前世界范围内的 烟气脱硝技术水平,其脱硝还原剂制备工艺的选 型、设计与应用等方面的经验值得国内借鉴。 液氨、氨水及尿素均可作为烟气脱硝还原剂, 随着脱硝还原剂储存、制备与供应技术的日渐成 熟,脱硝还原剂的选择主要从安全与经济角度考 虑。尽管国外以液氨为还原剂的电站锅炉烟气脱 硝工程至今未出现严重的氨泄漏事故,但由于从 地方管理部门获得液氨的使用与运输许可证越来 越困难,安全防范要求越来越严,相应的安全成本 越来越大,因此, 氨水和尿素正越来越多地作为脱 硝还原剂使用,尤其在近期美国市场,尿素作为液 氨与氨水的替代产品越来越多地用于烟气脱硝 工程。 鉴于液氨和氨水的上述危险因素和部分火力 发电厂地处的特殊位置, 国内某发电厂早在 2007 年就开始采用尿素热解制氨工艺, 并在该厂的二 期工程中着手研究尿素水解技术应用的可能性。 目前国内已经有多家电厂在脱硝工程中采用 尿素热解技术,并且取得了成功的应用经验。 国产的水解技术目前仅用于化工行业, 还没 有用于锅炉烟气脱硝的案例。 20世纪 80年代, 为了解决合成氨、尿素装置水体排放环保问题,尿 素深度水解技术开始在大、中型合成氨尿素厂逐 39No. 6� 2010 � � � � � � � 华北电力技术 � � NORTH CH INA ELECTRIC POW ER 步应用。 2� 尿素热解技术介绍 目前国际上应用的尿素热解技术是由美国 FuelTech公司设计的 NOxOUT ULTRA( r)尿素热 解制氨技术。 2�1� 尿素热解原理 尿素的分子式为 CO (NH2 ) 2, 亦称脲, 分子量 60. 06,无色或白色针状或棒状结晶体, 工业或农 业品为白色略带微红色固体颗粒,无臭无味,密度 1. 335 g /cm 3 ,熔点 132. 7� ,溶于水、醇,不溶于乙 醚、氯仿。呈微碱性, 可与酸作用生成盐。对热不 稳定, 加热至 150~ 160� 将脱氨成缩二脲, 若迅 速加热将完全分解为氨气和二氧化碳。 主要反应式: CO (NH2 ) 2 + H2O = 2NH 3 + CO2 2�2� 主要工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 尿素粉末储存于储仓, 由称重给料机 (或计 量罐 )输送到溶解罐里, 用除盐水将固体尿素溶 解成 50% 的尿素溶液 (需要外部加热, 溶液温度 保持在 40� 以上 ), 通过尿素溶液混合泵输送到 尿素溶液储罐;尿素溶液经由给料泵、计量与分配 装置、雾化喷嘴等进入绝热分解室,稀释空气经加 热后也进入分解室。雾化后的尿素液滴在绝热分 解室内分解,生成的分解产物为氨气和二氧化碳, 分解产物经由氨喷射系统进入脱硝烟道。 热解室利用柴油作为热源,来完全分解尿素。 在所要求的温度下 ( 450� ~ 600� ) ,热解室提供 了足够的停留时间以确保尿素到氨的 100% 转 化率。 热解室的容积是依据尿素分解所需的体积来 确定。热空气将通过燃烧器控制装置以维持适当 的尿素分解温度。尿素经过喷射器注入到热空 气,尿素的添加量是由 SCR反应器需氨量来决定 的,负荷跟踪性将适应锅炉负荷变化要求。系统 在热解室出口处提供空气 /氨气混合物。氨 /空气 混合物中的氨体积含量小于 5%。 2�3� 应用中容易出现的故障现象和应对策略 2�3�1� 燃油用量大、运行费用高 尿素热解装置在运行过程中,燃油消耗量始 终较大, 分析其原因主要是稀释风温度低、流量 大。并且由于系统需氨量大, 尿素热解吸收较大 的热量,需要燃油提供的热量就越多。 在电厂高温的热空气可以取自炉膛、省煤器 出口和空气预热器一次风,比较其品质,由于前面 两种热空气含尘量较高, 容易造成尿素热解炉尾 部管道堵塞,选择空气预热器出口一次风是比较 合理的。经过某电厂的实际运用情况证明, 采用 一次风作为尿素热解炉的稀释风可以节省 1 /3的 燃油, 4台锅炉每年节省燃油费用高达 400万元。 但由于空气预热器后的一次风依然含有一定 的粉尘,脱硝喷氨格栅长期运行后, 可能会造成局 部的喷嘴堵塞,影响脱硝系统效率, 建议在喷氨格 栅的调节门后增加压缩空气吹扫装置,定期对管 道进行吹扫,可以消除喷氨格栅喷嘴堵塞的缺陷。 2�3�2� 热解炉尾部积物较快 热解炉在使用过程中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,直接造成热解炉停运清理, 影响脱硝装置的可 靠性。 热解炉尾部沉积物形成的机理比较复杂, 目 前没有可以查到相关资料。我们对沉积物进行观 察发现,沉积物坚硬, 有气孔, 成蜂窝状。笔者在 电厂实验室的简陋条件下,做了初步实验,取得了 一些物理和化学现象,供参考。用不锈钢的容器, 取一定量的尿素颗粒,按照 50%的比例用除盐水 溶解, 置于电炉上加热, 溶液沸腾后水分逐渐蒸 发,尿素颗粒析出, 当水分完全蒸发后, 尿素颗粒 开始溶化,随温度的升高, 尿素熔化后的液体开始 沸腾 (开始热解 ) , 热解出来的气体呈白色的烟 雾,随时间的延续,熔化的尿素全部热解。又取一 部分尿素用除盐水溶解后继续加热蒸发熔化, 此 时停止加热,尿素熔化后液体急剧冷却,变成蜂窝 状的固体,此固体的外形和热解炉尾部的沉积物 外形非常一致,然后将沉积物重新加热,但此物体 并不再熔化,随温度的升高,在底部发生少许的升 华现象。 根据实验现象和系统因素分析, 沉积物的形 成主要由于尿素未能热解造成。热解的两个重要 因素是足够的热量和较好的尿素溶液雾化效果。 如果热解炉内热空气的流量低或温度低, 都 会造成尿素溶液得不到完全热解而在尾部形成沉 积。通过控制热解炉尾部出口混合气体的温度大 于 320� 可以很好地解决此问题。 如果尿素雾化空气品质差,雾化空气中含有 油、水和尘, 运行时间长后容易堵塞浮子流量计, 浮子流量计不报警,尿素溶液得不到雾化,直接喷 入尿素热解炉,影响其热解效果,尿素直接沉积到 40 华北电力技术 � � NORTH CH INA ELECTRIC POWER� � � � � � � � No. 6� 2010 热解炉尾管,造成堵塞。可以更换雾化空气的供 气来源,将原有杂用空气更换为仪用空气,并定期 检查压缩空气系统的运行状况,及时维护,保证系 统的清洁和畅通。经过实际使用情况表明, 此办 法可以有效地解决热解炉尾部管道沉积物堵塞的 问题。 3� 尿素水解技术介绍 作为应用于脱硝目的的水解技术在 1999年 才开始运用在国外锅炉烟气脱硝工程,目前这样 的技术主要有 AOD法、U2A法及 SafeD eNO x 法 三种。 3�1� 水解原理 尿素有水解作用, 在一定的温度条件下能水 解生成氨和二氧化碳。 主要反应式: CO (NH2 ) 2 + H2O = 2NH 3 + CO2 3�2� 主要工艺流程 用溶解液泵将约 90� 溶解液送入尿素溶解 槽,颗粒状尿素经斗式提升机输送到尿素溶解槽, 经搅拌后,配制成浓度约 40% ~ 50% (w t)的尿素 溶液; 经搅拌溶解合格的尿素溶液, 温度约 60� , 利用溶解液泵打入尿素溶液槽储存, 用 尿素溶液泵加压至表压 2. 6 M Pa送至水解换 热器, 先与水解器出来温度约 200� 的残液换 热, 温度升至 185� 左右, 然后进入尿素水解器 进行分解。 尿素水解器的蒸汽加热方式分为直接加热和 间接加热方式。 直接加热: 尿素水解器的操作压力为 2. 2 M Pa,操作温度约 200� , 水解器用隔板分为 9个 小室。采用绝对压力为 2. 45MPa的蒸汽通入塔 底直接加热,蒸汽均匀分布到每个小室。在蒸汽 加热和不断鼓泡、破裂的蒸汽、水流搅拌作用下, 使呈 S形流动的尿素溶液得到充分加热与混合, 尿素分解为氨和二氧化碳。 间接加热:尿素水解制氨 U2A法将饱和蒸汽 通过盘管方式进入水解反应器加热,蒸汽与尿素 溶液间不混合,气液两相平衡体系的压力约为 1. 4~ 2. 1 MPa, 温度约 150� 。从水解反应器出来 的低温饱和蒸汽,用来预加热进入水解反应器前 的尿素溶液。 水解器顶部出口温度约 190� 、压力约 2. 0 M Pa的氨、二氧化碳、水蒸气混合气进入到缓冲 罐减压到 0. 2 M Pa左右, 作为电厂脱硝还原剂 使用。 从水解器底部排出的温度约 200� 、含 � 1% 氨和微量尿素的水解残液经水解换热器换热后, 温度降至 90� , 进入溶解液槽, 作尿素溶解液使 用,多余的水解残液送污水处理站 (或直接抛洒 在煤场 )。 从气氨缓冲罐出来的 NH 3、CO 2、H 2O等气态 混合物, 与加热后的稀释风混合进入脱硝氨喷射 系统, 氨与空气的混合物温度维持在 175� 以 上。 3�3� 应用中容易发生的故障和应对策略 3�3�1� 腐蚀问题 尿素水解过程中会生成一些酸性物质 (如氨 基甲酸铵等 ) , 氨基甲酸铵会严重破坏不锈钢表 面的氧化膜,使系统的腐蚀速度加快,超过 190� 时,一般的不锈钢材料 (如 304SS)会遭受严重腐 蚀,当超过 220� 时,即使采用钛 ( T i)等耐腐蚀材 料,系统也会遭受腐蚀。 水解反应器由于操作温度较高, 更易受到腐 蚀。腐蚀可能造成设备的泄漏, 从而产生安全 隐患。 腐蚀问题主要从管道、设备材质的选取和工 艺设计两个方面预防。尿素级 316L和 25�22�2 材质有很好的抗腐蚀性。同时, 需要在汽提塔入 口加入防腐空气使其在管道及设备内部表面形成 一层钝化膜,具有很好的防腐效果。因此,在正常 运行中必须时刻保证有足够防腐空气加入量。 3�3�2� 管道堵塞 高浓度的尿素水溶液受热容易生成难溶于 水的缩二脲及其他缩合物, 这是造成尿素水解 系统易产生堵塞的原因之一。因此, 尿素的水 溶液最好选择较低的质量浓度, 同时,在系统停 车时, 要注意尿素溶解槽缓冲罐到汽提塔段管 路的清洗,若未完全冲洗干净, 待温度升高时会 造成该段管路的堵塞且不易疏通, 通常只能更 换管道。 4� 尿素水解和尿素热解技术经济性比较 尿素水解技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 在前期投资略低于尿素热 解技术方案 (见表 1), 在运行成本方面却远低于 后者, 主要在于尿素热解技术需要消耗大量的 燃油。 (下转第 54页 ) 41No. 6� 2010 � � � � � � � 华北电力技术 � � NORTH CH INA ELECTRIC POW ER 际工作经历及相关文献资料的参考而总结, 供相 关专业人员参考借鉴。 参考文献 [ 1] 张燕霞. 缩短查找直流接地故障的时间 [ J]. 广东输 电与变电技术, 2007, ( 3). 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[ 5] GB 50019 - 2003, 采暖通风和空气调节设计规范 [ S] . 收稿日期: 2010�02�20 作者简介:赵辉 ( 1981� ) ,男,江苏省科能电力工程咨询有限公司 土建工程师。 (本文编辑 � 卢晓华 ) 54 华北电力技术 � � NORTH CH INA ELECTRIC POWER� � � � � � � � No. 6� 2010