SCR烟气脱硝工艺还原剂系统分类与应用

1、    scr烟气脱硝工艺还原剂系统分类与应用    李靖菀摘  要：scr烟气脱硝工艺常用的还原剂系统包括液氨系统、氨水系统、尿素热解及水解系统，而如何选择最合适的还原剂系统一直是燃煤电厂、钢厂、垃圾焚烧发电厂等最为关注的问题之一。该文通过对不同还原剂系统可靠性、安全性和经济性这3个方面的对比分析发现，液氨与氨水系统可靠性高，但存在一定的安全风险。而尿素热解和水解系统，如果设计不当均可能会造成管道堵塞。尿素水解还需考虑中间产物腐蚀反应器及定期排污等问题。因此，从系统可靠性来看，尿素热解系统高于水解系统。通过对以600 mw燃煤机组为例的各还原

2、剂系统的经济性进行对比可以得出，液氨系统占有绝对的优势，而氨水系统的运行费用最高。在中、大型机组上，尿素水解系统固定投资和运行费用都要低于尿素热解系统。然而，对于小型机组来说，热解系统更有市场竞争力。以上结论可为电厂及非电行业scr脱硝还原剂系统的选型提供参考依据。关键词：scr;尿素热解;尿素水解;液氨系统：tq610        文献标志码：a0 引言scr与sncr技术是目前最为成熟且应用最普遍的2种烟气脱硝技术，其原理都是利用还原剂与烟气中对环境有害的nox反应生成无害的n2和h2o。作为脱硝反应中最大的消耗品，还原剂的选择至关重要。常用的脱硝

3、还原剂有液氨、氨水及尿素3种。1 scr脱硝还原剂系统对比1.1 系统可靠性对比对于系统可靠性来说，液氨系统与氨水系统有一定的优势。原因是系统相对简单，产生氨气的过程仅是一个物理气化过程，且系统响应迅速。尿素热解与水解系统均涉及尿素分解的化学反应。尿素热解转化率受热解炉内温度流场的影响较大。如果热解炉内存在温度相对冷点或由保温不当造成温度偏低，会导致尿素分解不完全，生成三聚氰酸、三聚氰酸酰胺、缩二脲等物质1。上述物质沉积在热解炉出口，造成堵塞，严重时影响scr脱硝催化剂表面活性及下游设备的安全运行。为了解决该问题，一些公司对热解系统的设计和运行方面进行了很多改善。首先，在热解炉入口安装旋流装置

4、，既提高了热解炉自喷枪以下的流场和温度的均匀度，又增加了尿素溶液在炉内的停留时间，使尿素分解完全。其次，在计量分配模块上设置压缩空气流量及尿素溶液流量报警装置，一旦压缩空气流量低于限值或尿素溶液流量高于限值，系统自动报警且自动停止尿素溶液喷射器，从而避免因雾化效果差造成尿素分解不完全。最后，设置自动冲洗装置，一旦出现喷射器堵塞，立即启动冲洗。另外，近年来随着非电行业（如钢厂烧结机、垃圾焚烧炉）烟气脱硝项目的增加，一些采用尿素热解的项目在scr反应器中出现了结晶。出现该问题的原因是烧结机、垃圾焚烧炉正常运行的烟温低于220 ，比燃煤电厂300420的烟温要低得多。尿素热解过程中，绝大多数尿素均能

5、完成反应（1）和（2），仅有极少量的尿素只进行反应（1）。反应（1）的产物异氰酸在温度高于300 时，与烟气中的氮氧化物也能进行反应（3），对脱硝系统功能无影响。然而，当温度低于220 时，异氰酸会通过反应（1）的逆反应重新生成尿素，反应器内有结晶的风险。为了降低该风险，可以在热解炉出口增设防逆反装置，内部布置将异氰酸转化成氨气的催化剂。尿素热解工艺的主要反应：与尿素热解相似，在尿素水解过程中，如果温度过低，会产生三聚氰胺与缩二脲等物质。与热解不同的是尿素中的杂质在水解过程中会不断浓缩。为防止设备及管道堵塞，需要定期排污。因排污水中含有对环境有害的缩二脲和微量的cr6+，因此污水需经过处理后才

6、能达到排放标准2。尿素水解系统除了上述问题外，还需考虑中间产物（氨基甲酸铵）的腐蚀性。该物质可破坏不锈钢表面的氧化膜，且随温度升高破坏性加剧。当超过190 时，普通不锈钢材料会被腐蚀，如果继续升温到220 ，反应器必须采用耐腐蚀的钛和锆内衬。然而，水解反应器内的温度也不可过低，如果低于140 ，氨基甲酸铵易在反应器壁上结晶。因此，项目实际运行过程中必须控制水解反应器内的温度在一个适宜的窗口内。1.2 安全性对比近年来，各地氨气泄漏事故不断发生3，国家对液氨等危险品的管控也日益严格。越来越多的新建scr脱硝项目选择尿素制氨，也有不少已建项目开始进行液氨改尿素的工程改造。氨水系统尽管比液氨系统安全

7、得多，但是氨水挥发出的氨气达到一定浓度时会对人体造成伤害。若达到爆炸极限，也会造成严重的安全事故。因此， 与液氨系统相同，氨水系统也需要考虑防爆、防腐、泄漏监测及事故应急救援預案。与液氨、氨水相比，尿素无疑是最安全的scr脱硝还原剂。其中，尿素热解系统不需要压力容器，比尿素水解系统更安全。1.3 经济性对比液氨系统工艺简单、设备数量少、容量小，因此固定投资是上述4种还原剂系统中最低的。由于氨水浓度不高，在相同氨需量的前提下，氨水系统所需的设备容量大，因此固定投资稍高于液氨系统。尿素热解与水解系统相对复杂，设备较多，投资成本也较高。尿素水解反应器需一用一备及防爆设计，对于氨需量较小的单机组项目来

8、说，其投资成本往往会高于热解系统。相反，对于氨需量较大的机组或多机组项目来说，尿素热解因需要电加热器或烟气换热器，投资及运行成本会超过水解系统。以600 mw燃煤机组为例，氨需量按450 kg/h，年运行小时数按 8 000 h计算。假设尿素热解采用300 的热一次风作为稀释风，从运行经济性角度考虑，液氨系统是最优选择，而氨水系统是最后的选择，其主要原因是产生同等的氨气所需的各还原剂的比例为141.781.96（液氨系统25%浓度的氨水系统尿素热解系统尿素水解系统）。而氨水系统仅还原剂费用就超过了其他系统各项运行费用的总和。尿素热解系统的运行费用稍高于尿素水解系统是因为热解电耗远高于水解，见表

9、1。各还原剂系统运行费用分项对比如图1所示。2 对比情况分析近年来，在新建scr烟气脱硝项目中，采用尿素热解的项目比例有明显增加的趋势，并且也出现了不少液氨改尿素的项目。一方面反映了企业对国家加强安全生产政策的积极响应，另一方面也说明了随着愈来愈多的项目采用尿素热解系统，其系统可靠性在不断改进，运行能耗也随着设计的改进而降低。例如，早期的尿素热解项目稀释风多采用经电加热器加热后的环境空气或热一次风，其较高的运行能耗令一些企业望而却步。而近年来对于能耗较大的项目，业主更倾向于采用烟气换热的方式将稀释风直接换热升温至尿素热解所需的温度。对比已得到广泛应用的热解系统，水解系统在scr烟气脱硝上应用的

10、时间较短，仍存在不少技术问题。首先，水解产物在温度低于140 时可形成冷凝物，腐蚀316 l不锈钢管道和阀门，造成氨气泄漏。其次，水解反应器属于压力容器，与属于常压容器的热解炉相比，安全性要低。另外，多数业主要求水解系统上的电气设备采用防爆产品，这就增加了投资成本。3 结语在scr烟气脱硝还原剂系统的选择问题上，一直没有较明确的参考准则。该文通过从系统可靠性、安全性及经济性3个方面对比4种scr烟气脱硝还原剂系统，综合分析了近年来新建及改造的项目，得出以下3个结论。1）液氨系统。系统可靠性及固定投资占优，安全性一般，其应用需考虑液氨易燃易爆的安全性风险，以及因政策改变而必须进行液氨改尿素所造成

11、的经济风险。2）氨水系统。系统安全性略高于液氨系统，但经济性处于劣势。3）尿素系统。分为热解系统和水解系统。就系统可靠性来看，两者都有管道堵塞的风险，但是尿素热解系统经过多年来的大量应用，得到了不断改善，发生上述风险的可能性要比水解系统低得多。另外，在水解过程中，尿素中的杂质不会同热解反应一样在高温下气化后进入脱硝反应器，而是会在水解反应器内不断浓缩，因此必须设置定期排污和进行污水处理。就目前來看，尿素热解系统的可靠性高于水解系统。然而，尿素水解系统在运行费用上要优于热解系统。从固定投资方面考虑，选择热解还是水解视项目规模而定。由于水解反应器需要一用一备及电气设备防爆，对于单台小机组来说，水解

12、系统的固定投资往往高于热解系统。对于中、大型或者多台机组的项目来说，热解系统中的电加热器或换热器是造成其投资成本高于水解系统的主要因素。如果企业倾向于采用能耗较低的尿素水解系统，需重点考察设计公司如何处理水解上的技术问题。对于氨需量较低的小机组来说，采用尿素热解或水解在能耗上的差异不大，但是热解系统的固定投资低于水解系统，建议采用比较成熟的热解系统。参考文献1刘成武，刘政修，王力彪，等.脱硝尿素热解系统沉积物形成原因分析及对策j.热力发电，2013，42（3）：53-57，62.2陈曦，王军丽.尿素水解制氨工艺废液处理方法讨论j.环境与发展，2018，30（3）：88-90.3杨涛，王旭炎，李艳辉，等.氨气泄漏事故的统计及后果分析j.计算机与应用化学