一種火電廠煙氣SCR脫硝尿素催化水解制氨新技術(shù)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：張毅
SCR脫硝裝置主要采用氨氣作為還原劑，在催化劑作用下，將氮氧化物(NOx)還原成氮?dú)夂退�，從而達(dá)到脫硝的目的。目前，SCR脫硝制氨技術(shù)主要有2種，一種是采用液氨法，一種是采用尿素法。液氨作為脫硝還原劑，存在較大的安全隱患，岡此尿素制氨技術(shù)在城市周邊電廠和熱電廠脫硝工程中得到了應(yīng)用。
目前．尿素制氨技術(shù)主要包括尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)、普通尿素水解技術(shù)和尿素催化水解制氨技術(shù)．尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)是利用高溫空氣加熱分解制氨，反應(yīng)速度快，應(yīng)用廣泛但需采用大功率電加熱器，耗能較高。尿素水解技術(shù)是在一定溫度壓力下，尿素溶液進(jìn)行水解反應(yīng)產(chǎn)生氨氣。尿素水解又分為普通尿素水解和尿素催化水解。普通尿素水解技術(shù)能耗水平較低，但是系統(tǒng)響應(yīng)速率較慢。為了提高尿素水解反應(yīng)速率，本文研究了一種尿素催化水解制氨技術(shù)，其在普通尿素水解技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入一種催化劑，極大地提高了水解反應(yīng)速率．能耗水平較尿素?zé)峤庥泻艽蠼档�，反�?yīng)速率又比普通尿素水解提高很多，因此具有很好的應(yīng)用前景。該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于大唐長春第二熱電廠，通過性能試驗(yàn)表明，各項指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
1 尿素催化水解新技術(shù)
1.1 技術(shù)原理
尿素催化水解新技術(shù)是在溫度135～160℃、壓力0.5～0.95 MPa條件下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的尿素溶液在催化劑作用下，發(fā)生催化水解反應(yīng)，生成氨氣( NH3)混合氣，NH3氣體積分?jǐn)?shù)為37.5%。尿素催化水解反應(yīng)速度較快，較傳統(tǒng)水解法提高約10倍以上，響應(yīng)時間可達(dá)到1min以內(nèi)。尿素水解化學(xué)反應(yīng)過程如式(1)~(4)所示。
尿素催化水解系統(tǒng)中采用的催化劑為按一定比例配置的磷酸鹽，在系統(tǒng)啟動時添加，催化劑在水解器內(nèi)可循環(huán)使用。催化劑的主要作用是通過改變反應(yīng)路徑，大大加快反應(yīng)速率，降低響應(yīng)時問。
1.2工藝流程
尿素催化水解工藝流程如圖1所示。尿素水解系統(tǒng)主要包括尿素溶液供給系統(tǒng)、蒸汽加熱和吹掃系統(tǒng)、氨氣供給系統(tǒng)以及廢液和廢氣排放系統(tǒng)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的尿素溶液和催化劑溶液分別通過輸送泵輸送到反應(yīng)器內(nèi)，在溫度135～160℃、壓力0.5～0.95 MPa條件下進(jìn)行水解反應(yīng)，生成NH3和C02。加熱蒸汽取自電廠蒸汽系統(tǒng)，蒸汽經(jīng)過減壓后進(jìn)入水解反應(yīng)器加熱盤管，從加熱盤管排出的疏水進(jìn)入疏水箱。尿素水解系統(tǒng)產(chǎn)生的廢液和廢氣由廢水箱進(jìn)行收集處理．然后再經(jīng)離心泵輸送到電廠指定的排放位置。
尿素水解混合氣包括氨氣、水蒸氣和二氧化碳，其中氨氣占38%，經(jīng)過減壓、流量控制調(diào)節(jié)后與電廠的熱一次風(fēng)進(jìn)行混合，NH3體積分?jǐn)?shù)降至5%以下,最后進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器人口煙道進(jìn)行脫硝。
1,3控制策略
尿素水解系統(tǒng)采取DCS進(jìn)行控制．控制策略主要由模擬量控制、順序控制和連鎖保護(hù)控制組成。模擬量控制的主要任務(wù)是保證尿素水解系統(tǒng)的溫度、液位和壓力運(yùn)行在設(shè)定范圍內(nèi)；模擬量控制主要包括水解反應(yīng)器液位控制、水解反應(yīng)器溫度／壓力控制和氨氣混合氣控制。
水解反應(yīng)器液位采用單回路控制系統(tǒng)．通過調(diào)節(jié)尿素溶液進(jìn)料量來調(diào)節(jié)液位。水解反應(yīng)器的溫度／壓力通過控制進(jìn)入反應(yīng)器的蒸汽流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在肩動狀態(tài)下，尿素催化水解系統(tǒng)主要控制反應(yīng)器溫度。在正常噴氨狀態(tài)，尿素催化水解系統(tǒng)主要控制反應(yīng)器的壓力。反應(yīng)器的溫度和壓力控制在滿足條件的情況下可以自動切換。氨氣混合氣控制的任務(wù)是根據(jù)脫硝氨氣需求量控制水解反應(yīng)器產(chǎn)生的氨氣混合氣量．當(dāng)氨氣需求量變化時，通過調(diào)節(jié)水解反應(yīng)器出口的調(diào)節(jié)閥淵節(jié)氨氣混合氣的流量，使產(chǎn)生的氨氣量及時跟蹤氨氣需求量，以保證達(dá)到SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)定的反應(yīng)器出口氮氧化物濃度。
尿素水解的連鎖保護(hù)系統(tǒng)主要作用是：當(dāng)水解反應(yīng)器的液位、溫度和壓力超過正常值時，采取相應(yīng)措施，確保設(shè)備和人員的安全。壓力連鎖保護(hù)控制是水解系統(tǒng)最重要的保護(hù)系統(tǒng)．水解系統(tǒng)設(shè)計了雙重壓力保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過正常運(yùn)行值50%時，采取將氨氣排入廢水箱的方式降低系統(tǒng)壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力接近設(shè)備的設(shè)計壓力時，水解反應(yīng)器的安全閥將會動作，從而達(dá)到泄壓的目的。
2尿素催化水解技術(shù)優(yōu)勢
尿素催化水解制氨技術(shù)是一種新研發(fā)的尿素制氨技術(shù)，其具有以下技術(shù)優(yōu)勢：
(1)運(yùn)行成本低。由于反應(yīng)溫度低，可以利用電廠低品質(zhì)蒸汽作為加熱熱源．使電廠制氨運(yùn)行成本大幅度降低。
(2)反應(yīng)速度快。與傳統(tǒng)尿素水解相比，由于采用了催化技術(shù)，尿素催化水解反應(yīng)速度提高10倍左右，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時，可以及時滿足脫硝工程對氨氣的需求量。
(3)設(shè)備布置方便。與尿素?zé)峤庀啾�，尿素催化水解設(shè)備比較小，布置更加靈活。
(4)設(shè)備運(yùn)行靈活性高。尿素催化水解系統(tǒng)具有2種運(yùn)行方式：母管制運(yùn)行方式和單元制運(yùn)行方式。母管制運(yùn)行可以采用1拖2，或者l拖3的方式，即1臺水解器供2臺或者3臺爐脫硝．這種方式可以同時降低運(yùn)行成本和投資成本。單元制運(yùn)行方式是指l臺水解器供l臺脫硝反應(yīng)器．這種方式系統(tǒng)簡單，但是投資成本較高。
3尿素制氨技術(shù)對比分析
尿素催化水解制氨新技術(shù)已經(jīng)過工程示范．投入商業(yè)運(yùn)行，本節(jié)主要基于示范工程中采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析．并且與尿素?zé)峤饧夹g(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。表1巾數(shù)據(jù)來自大唐長春第二熱電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。該廠l臺機(jī)組采用尿素?zé)峤饧夹g(shù)，另1臺機(jī)組采用尿素催化水解制氨技術(shù)。南于2臺機(jī)組尿素耗量相當(dāng)，因此主要對能耗成本進(jìn)行對比。其中成本計算基準(zhǔn)價：電價按0.35元／(kW·h)計，蒸汽按50元／t計：年運(yùn)行時間按5 500 h計。
分析表1數(shù)據(jù)可知．從建設(shè)成本看，采用單元制的尿素催化水解系統(tǒng)與尿素?zé)峤饧夹g(shù)建設(shè)成本相當(dāng)．但是采用母管制的尿素催化水解系統(tǒng)建設(shè)成本要低很多。從運(yùn)行成本看，由于尿素?zé)峤庀到y(tǒng)采用電加熱方式．其運(yùn)行成本遠(yuǎn)高于尿素催化水解系統(tǒng)。因此，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比分析可以得到尿素催化水解技術(shù)優(yōu)于尿素?zé)峤饧夹g(shù)。
從反應(yīng)溫度、壓力以及響應(yīng)時間等方面，對尿素催化水解、熱解和一般水解3種尿素制氨技術(shù)進(jìn)行了對比，結(jié)果如表2所示。
由表2可見．尿素催化水解技術(shù)的系統(tǒng)響應(yīng)速率遠(yuǎn)優(yōu)于普通尿素水解技術(shù)，其運(yùn)行成本又遠(yuǎn)低于尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)，因此尿素催化水解技術(shù)是一種較理想的尿素制氨技術(shù)。
4 尿素催化水解系統(tǒng)的應(yīng)用效果
日前．尿素催化水解系統(tǒng)示范工程已經(jīng)在大唐長春第二熱電廠順利完成。在示范工程中，設(shè)計了1臺尿素催化水解反應(yīng)器．設(shè)計氨氣產(chǎn)量為150 kg/h，同時設(shè)計了催化劑在線添加系統(tǒng)和廢液排放系統(tǒng)．分別用于在線添加催化劑和收集系統(tǒng)排放的廢液和廢氣。尿素催化水解系統(tǒng)涉及的各變量上下限值如表3所示，表中涉及體積的數(shù)值均已換算至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。
大唐長春第二熱電廠6號機(jī)組尿素催化水解系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)的歷史曲線如圖2和圖3所示。圖中所選數(shù)據(jù)的時間段為2015年1月2日8時一1月3日8時。為了便于在同一圖中表示不同單位的數(shù)據(jù)，圖巾所有變量的單位均以其量程（參見表3）百分?jǐn)?shù)表示。
圖2和圖3結(jié)果表明：
(1)尿素水解系統(tǒng)的壓力和液位穩(wěn)定運(yùn)行于沒定值附近。在產(chǎn)氨量變化時，壓力和液位會有所波動．但很快能進(jìn)行自動調(diào)節(jié)．達(dá)到新的平衡狀態(tài)。
(2)尿素水解反應(yīng)器產(chǎn)生的氨氣（純）平均值為73.28 kg/h，最大值為88.28 kg/h，最小值為62.02 kg/h。尿素水解系統(tǒng)的產(chǎn)氨量可根據(jù)脫硝系統(tǒng)入口氮氧化物濃度的變化而及時變化．從而滿足脫硝系統(tǒng)對氨氣的需求。
(3) SCR脫硝裝置A/B側(cè)，反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度平均值為375.75/391.35 mg/m3，出口NOx質(zhì)量濃度平均值為58.78/59.28 mg/m3，達(dá)到環(huán)保要求的排放標(biāo)準(zhǔn)：脫硝效率平均值為84.36%/84.86%，滿足設(shè)計要求。
大唐長春第二熱電廠6號機(jī)組尿素催化水解制氨系統(tǒng)的168 h試運(yùn)行順利結(jié)束．現(xiàn)已正式投入商業(yè)運(yùn)行。該系統(tǒng)性能測試由東北電力科學(xué)技術(shù)研究院進(jìn)行，主要測試結(jié)果如下：
(1)尿素水解率大于99%，平均99.53%。
(2)系統(tǒng)負(fù)荷響應(yīng)速率為13%/min，尿素水解系統(tǒng)能滿足脫硝系統(tǒng)氨負(fù)荷變化要求和調(diào)節(jié)要求，水解自動化投入率100%。
(3)尿素水解系統(tǒng)能耗成本為尿素?zé)峤庀到y(tǒng)的14%。
5結(jié)語
尿素催化水解制氨技術(shù)是一種新的尿素制氨技術(shù)，具有運(yùn)行成本低和系統(tǒng)響應(yīng)速率快的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的成功應(yīng)用將為火電廠制氨系統(tǒng)提供一種新的選擇，也將推動尿素制氨技術(shù)的升級換代。
6摘要：尿素水解制氨技術(shù)安全性較好，能耗水平較低，但系統(tǒng)響應(yīng)速率較慢，難以適應(yīng)SCR煙氣脫硝要求。為此，研究出一種尿素催化水解制氨新技術(shù)。介紹該技術(shù)原理、工藝流程和控制策略，并且對幾種尿素制氨技術(shù)進(jìn)行了綜合對比：以成功應(yīng)用于大唐長春第二熱電廠6號機(jī)組脫硝工程尿素催化水解系統(tǒng)為例，介紹該技術(shù)的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，所研究的尿素催化水解制氨技術(shù)是一種先進(jìn)的低能耗尿素制氨新技術(shù)，具有很好的市場應(yīng)用前景。
下一篇:返回列表
