火电厂脱硝系统氨气制备方案比较.pdf

第 3 3卷 第 1 2期 2 0 1 1 年 1 2月 华 电技 术 Hu a d i a n T e c h n o l o g y Vo 1 ． 33 No． 1 2 De c ． 2 01 1 火电厂脱硝 系统氨气制备方案比较 马千里 江苏省电力设计院， 江苏 南京2 1 1 1 0 2 摘要 火力发电厂选择性催化还原脱硝设备的氨气供应工艺通常有液氨、 氨水、 热解尿素及水解尿素 4种， 经过技术和 经济性对比分析， 认为热解尿素和液氨在投资造价、 运行费用、 运行管理安全性等方面各有利弊， 均适宜作为大型机组的 脱硝系统的氨气来源。 关键词 选择性催化还原法 ； 脱硝； 氨气； 制备方案； 对比分析 中图分类号 X 7 0 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 1 1 2 0 0 5 8一 O 2 0 引言 近 日， 环境保护部发布了 G B 1 3 2 2 3 --2 0 1 1 火 电厂大气污染物排放标准 ， 该标准明确规定 自 2 0 1 2年 1月 1日起 ， 燃煤机组锅炉的氮氧化物排放 限值为 1 0 0 m g ／ m。 。选择性催化还原 S C R 技术是 一 种较成熟的烟气脱硝技术， 其原理是 向温度为 3 0 0 4 0 0 o C 的省煤器出口烟气中喷人氨气， 氨气与 烟气 中的 N O 在催化剂表面发生氧化还原反应 ， 从 而达到脱除烟气中 N O 的目的。S C R脱硝装置的 氨气供应系统可以选用液氨、 尿素和氨水作为制备 氨气的原料。选用不同的制氨原料， 其工艺原理及 成本也不 同。本文对液氨 、 氨水 、 热解尿素 、 水解尿 素 4种制备氨气的工艺进行分析和对 比。 1 制备氨气的方法 1 ． 1 液氨法 液氨法的工艺原理如图1 所示。液氨在蒸发器 中被蒸汽加热后生成氨气， 氨气经过缓冲槽后被稀释 空气风机来的空气稀释成体积分数为 5 ％的混合气 体后送入 S C R脱硝装置， 与烟气在催化剂表面混合。 为了满足 S C R脱硝装置连续运行的需要 ， 液氨 贮罐的容量一般按照机组连续运行 7 d的消耗量考 虑。对于 2 X 1 0 0 0 MW 火 电机组来说 ， 需设置 2台 1 0 0 m 的液氨贮罐 ， 足以构成重大易燃、 易爆的危险 源。根据交通部 危险货物运输规则 的要求， 液氨 的运输必须由具有危险品运输资质的单位以专用的 运输工具实施运输。因此， 液氨的安全储存和运输 均需要花费较高的成本。 液氨法由于系统简单， 不需要化学反应制氨的 环节 ， 能随时跟随锅炉燃烧负荷 的动态变化调节氨 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 2 } 夜氨储 罐 图1 液氨法工艺原理图 气的供给量， 在锅炉启动和停机的各阶段始终能保 证 S C R装置的脱硝效率。 由于具有投资省、 原料费用较低的优点， 我国已 投运 的火 电厂脱硝装置大多采用液氨法制备氨气的 方案 。 1 ． 2 水解尿素制氨法 固体颗粒状尿素一般作为农业肥料使用， 能够 很容易就近购买到。国内市场的尿素价格一般为 1 5 0 0 t 。 尿素相 当安全 ， 可 以用普通火 车或货 运 汽车运输 ， 储存尿素的仓筒也不需要采取特别 的安 全措施。 水解尿素的工艺原理如下 C O N H 2 2 H 2 O_ _ 2 N H3 C 0 2 。 尿素水溶液与水在压力约 2 ． 2 MP a 、 温度约 2 0 0 ℃的加热条件下进行分解反应 ， 生成气态的氨气、 二 氧化碳和水蒸气的混合物， 与空气稀释混合后作为 烟气脱硝系统的还原剂使用。 水解尿素制氨工艺流程图如图 2所示 。先将尿 素固体颗粒在容器中完全溶解， 形成尿素溶液， 然后 用溶液泵加压送到水解槽中， 通过热交换器将溶液 加热至反应温度后与水反应生成氨气 ， 喷人烟气系 统。水解后的残液循环利用， 返回用作尿素溶剂。 第 1 2期 马千里 火电厂脱硝 系统氨气制备方案比较 5 9 图 2 水解尿素制氨法 工艺原理 图 由于水解反应速度较缓慢且不易控制 ， 整个反 应的建立需要一定的时间， 所以， 水解尿素制氨法通 常不能满足锅炉启动阶段脱硝效率的要求。为了适 应锅炉燃烧负荷的变动， 避免锅炉负荷陡降时 S C R 脱硝装置内氨气逃逸率升高， 通常于氨气供至 S C R 装置之前设置缓冲罐。氨气缓冲罐作为压力容器， 为系统运行带来了不安全因素， 与使用尿素作为氨 气来源较为安全的初衷相违背。 1 ． 3 热解尿素制氨法 热解尿素的工艺原理如下 C O N H2 2 N H 3 H N C O。 尿素在 温 度 高 于 1 5 0 2 时 不稳 定 ， 会 分 解 成 N H 和 HN C O， H N C O进一步与水反应 生成 N H 和 C02 。 HNCO H2 0 NH3CO2 。 水解尿素法和热解尿素法制备氨气， 对尿素的 消耗量是相等的。 热解尿素制氨工艺流程图如图3 所示。尿素溶 液的制备过程与水解尿素法相同。将尿素溶液喷入 经过专门设计的热解室， 使其与空气充分混合， 获得 足够的停留时间并使温度保持在 3 0 0～6 5 0℃， 通 过控制尿素 的喷射为 S C R反应 提供 氨气 。热解室 的热量来源可以是柴油、 燃气或热烟气。 尿素溶液 空气 至 S C R 装置 柴油、天然气或热烟气 图3 热解尿素制氨法工艺原理图 热解尿素制氨法跟随锅炉燃烧负荷变化的能力 较水解尿素法好， 相应时间为 5 ～ 3 0 s 。与水解尿素 法相比， 在热解尿素法工艺过程中无压力容器， 也不 需要考虑氨水腐蚀的问题， 安全性较好。由于跟随 氨气喷人 S C R装置的水蒸气量较少 ， 热解尿素制氨 法的耗水量远小于水解尿素法。 尿素的原料费用约为液氨 的 1 ． 5倍 ， 热解尿素 的工艺设备也较复杂， 运行时需燃用柴油或天然气。 因此， 使用热解尿素作为脱硝装置的氨气制备方案， 投资与原料费用都较高。国内火电厂脱硝装置使用 热解尿素法制氨气的较少， 但由于其具有不可替代 的安全性优势， 在欧美地 区已广泛使用 。 1 ． 4 氨水制氨法 氨水制 氨 的工 艺与 液氨类 似 ， 将 质量 分数 约 2 5 ％的氨水溶液通过加热装置使其蒸发， 形成氨气 和水蒸气混合物喷人烟气系统， 但氨水蒸发加热器 需要消耗较多的蒸汽。氨水制氨法工艺系统较水解 尿素和热解尿素法简单。氨水无需压力容器装运， 运输和储存安全性介于液氨和尿素之间， 但由于氨 水浓度较低， 运输和储存的效率也较低， 氨水贮罐占 地面积较大， 运输成本也高于液氨。此外， 由于氨水 有腐蚀性 ， 相关设备需考虑防腐和防泄漏。 由于有以上局限性 ， 氨水制氨法通常用 于小容 量机组的脱硝装置 。 2 制备氨气方案的技术经济对比 各种制备氨气工艺的对 比情况见表 1 。 表 1 各种制氨工艺对 比 注 以液氨方案为参照。 液氨法 工艺系统简单， 设备数量少， 设备本身 占地面积小 ， 但需要注意与周边设施保持足够的安 全距离； 投资和原料成本较低， 但运输成本较高， 对 系统的安全性有较高要求。 水解尿素制氨 工艺系统复杂， 设备较多， 投资 成本较高， 原料成本较高， 但运输成本较低， 对系统 的安全性要求较低。 热解尿素制氨 由于热解装置 下转第6 6 页 6 6 华 电技 术 第3 3卷 表4 不同脱硝技术脱硝费用比较 行成本最高 ， N O 脱除成本平均为 l 2 ． 2 0元／ 。根据 目前我国的环保法规， 火电机组只有采用低氮燃烧技术 结合S C R法才能满足N O 排放要求， 照此方案， 脱硝工 程的建设投资约为 1 7 5 ． O 0 T r _ ／ k W， 运行费用约为 0 ． 0 1 2 k W ． h 。 7 结论 目 前， 应用于电力行业的脱硝技术主要有低氮燃 烧技术、 S N C R法脱硝技术和 S C R法脱硝技术。由于我 国的煤质特点， 低氮燃烧技术可使 N O 排放质量浓度降 低 3 0 ％ 一 4 0 ％； S N C R法脱硝技术由于受到锅炉燃烧状 况及机组装机量大小的影响， 脱硝效率仅能达到3 0 ％ 左右 ； S C R法脱硝效率可达到 9 0 ％以上， 但对在役机组 改造困难， 成本较高。我国N O 排放质量浓度要求达 到1 0 0 m g ／ m 3 ， 目 前最可行的脱硝方案为低氮燃烧技术 结合 S C R法脱硝技术， 这将会成为我国脱除N 的主 流技术 ， 这种脱硝方案也将在石油、 化工、 钢铁和水泥等 行业得到有效推广和应用。 参考文献 [ 1 ] 李群． 电厂烟气脱硝技术分析[ J ] ． 华电技术， 2 O O 8 ， 3 0 9 7 47 6． [ 2 ] 张洁， 马骏彪， 胡永峰， 等． 选择性催化还原法烟气脱硝关键 技术分析[ J ] ． 华电技术， 2 0 1 0 ， 3 2 1 2 7 1 7 4 ． 编辑 白银雷 作者简介 赵胜国 1 9 6 5 一 ， 男， 陕西眉县人， 高级工程师， 从事电力、 环保工程的建设及管理方面的工作 E - m a i l z h a o s g e h e c ． t o m． c n 。 上接第5 9页 需燃用柴油或天然气， 比水解尿素法投 资和运行费用更高， 但安全陛 要求更低。 参考文献 氨水制氨 工艺系统较尿素简单， 原料成本和运输 成本均较高， 安全性要求较低， 一般用于小容量机组 电厂 。 3 结论 从技术合理性的角度出发， 液氨法和热解尿素法 都适合作为大型燃煤发电机组 S C R脱硝反应器的氨气 制备方案。在具有充分的安全运行管理保障措施的条 件下， 为节省投资和运行费用， 宜选用液氨法； 若将安 全作为首要考虑因素， 如人口密集居住区附近的发电 厂， 可采用热解尿素法， 并可探索使用烟气替代柴油或 天然气进行加热 ， 以节省运行费用。 [ 1 ] 孙海峰， 杨广春， 高景玉． 延长 S C R脱硝催化剂使用寿命的 措施探讨[ J ] ． 华电技术， 2 O O 9 ， 3 1 1 2 1 9 2 1 ． [ 2 ] 吕同波， 李林， 王淑荣， 等． 选择性催化还原法烟气脱硝装置 流动及阻力特『 生 的研究[ J ] ． 华电技术， 2 O O 9 ， 3 1 1 2 8 1 1 ． [ 3 ] 陈鹏， 胡永锋， 朱连森． 选择性催化还原法烟气脱硝装置氨站 的典型设计[ J ] ． 华电技术， 2 0 1 0 ， 3 2 1 1 7 6 7 8 ． [ 4 ] 蔡志平， 金向阳， 俞骆。 I G C C电站 N 排放控制与系统效率 提高[ J ] ． 华电技术， 2 O O 8 ， 3 0 6 1 8 2 1 ． 编辑 白银 雷 作者简介 马千里 1 9 7 9 ～ ， 男， 广东台山人， 工程师， 从事火电厂热机 专业设计方面的工作 E m a i l m a q i a n l i j s p d i ． c o n ． c a 。