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尿素热解制氨工艺的热源能耗优化方案

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随着国家环保指标的提高,燃煤电站锅炉烟气排放指标控制的越来越严格,燃煤电站烟气污染物的排放受到了国际和社会的广泛关注锅炉烟气脱硝在全国各地全面普及,传统的脱硝还原剂液氨的运用受到了安全地域等因素的限制,尿素热解技术因其安全可靠.

本文对火电厂尿素热解制氨系统运行过程中尿素热解工艺的热源进行总结分析,针对不同的问题提出控制策略或建议,并针对常规的
尿素热解制氨工艺能耗高的问题,提出了优化的方案。

国内火电厂烟气脱硝一般采用选择性催化还原技术(SCR),采用的脱硝还原剂主要有液氨、氨水、尿素3种,因液氨、氨水在运输、使用过程中采用的措施不当或设备损坏等意外因素,会引起安全事故,因此近年来选用尿素作为还原剂的电厂较多。尿素热解制氨工艺因效率高、系统简单、可靠性高而应用较广泛。

一、尿素热解制氨工艺

常规的尿素热解制氨系统包括尿素储存间、尿素溶解箱、尿素溶液混合泵、尿素溶液储罐、尿素溶液循环泵、计量和分配模块、背压控制阀、热解炉(内含喷射器)、电加热器等。

尿素热解属于直接快速的加热雾化后的尿素溶液进行分解,尿素反应较为彻底,基本没有残留的中间产物,响应时间仅为5~10s,跟踪机组负荷变化的反应速度很快。从热解炉出来的氨气浓度已经降低到5%以下,不存在氨气爆炸问题,安全性更高。


二、尿素热解工艺的热源

为降低能耗,尿素热解用稀释风通常采用经过空预器加热的一次风或二次风作为尿素热解用稀释风,其中大多数电厂采用热一次风,少数个别电厂选用热二次风。此外为达到尿素热解所需的温度,稀释风系统设置有电加热器。

经近几年的电厂运行反馈,尿素热解系统中热一次风或热二次风中均含有空预器泄露过来的烟尘,其中热二次风的含尘量较高,有些电厂能够达到1.1g/Nm3。这些烟尘沉积在U型电热器内,除增加电加热器的能耗,有时还会造成电加热器过载。在设有稀释风机的系统中,这些烟尘会造成稀释风机较快的磨损。系统故障率较高。常规百万级机组的尿素热解工艺将锅炉热一次风(温度300℃左右)加热至600℃以上时,电加热器功率通常在900~1200kW,两台机组年运行费用大约为400~500万元左右,能耗较高。

为改善上述能耗高,故障率高的问题,目前的解决方案主要有以下三种。

(1)尿素溶液直喷技术。尿素溶液直喷技术包括炉内尿素直喷技术和锅炉高温烟气旁路直喷技术两种。

炉内尿素直喷技术为在锅炉转向室处设置多个尿素溶液喷枪,尿素溶液通过尿素溶液喷枪喷入锅炉转向室,利用锅炉高温烟气将尿素直接热解成氨气和CO2,氨气与烟气的混合气体经锅炉尾部设备后进入SCR脱硝反应器,完成脱硝反应。

锅炉高温烟气旁路直喷技术是将尿素溶液喷入由锅炉尾部烟道引出的旁路烟道中,借用高温烟气热量将尿素溶液分解为氨气。

该技术简化了尿素热解系统,取消了原系统内的电加热器、热解炉、一(二)次热风管道系统、AIG设备等。

(2)炉外烟气换热器技术。炉外烟气换热器技术是将锅炉的高温烟气引出炉外,炉外设置管式烟气换热器,管外通锅炉热一次风,管内通锅炉高温烟气,通过高温换热将热一次风加热至所需的温度,然后进入尿素热解炉完成尿素热解反应。该技术通过设置烟气挡板来调节烟气流量,从而控制换热后热一次风的温度。

炉外烟气换热器可以取代传统热解工艺中的电加热器,节电效果明显,目前已有电厂实施。

(3)炉内气气换热器方案。炉内气气换热器方案是采用管式换热器对冷一次风进行加热,其原理是利用冷一次风自身的压力,将冷一次风送达到锅炉低过区域,在锅炉低过区域布置若干的蛇形管道,将冷一次风加热到尿素热解所需要的温度后,热一次风再离开锅炉区域,到达尿素热解装置。同时设置旁路管道,部分空气不经过气气管式换热器直接由旁路管道进入尿素热解反应器入口管道,与经过气气换热器加热后的空气混合调温后进入尿素热解反应器,为尿素热解提供热源。

这种方案最大的优势为采用冷一次风解决稀释风含尘问题,同时替代了传统的电加热器,节约能源。以下是对气气换热器方案与采用传统电加热器方案在技术经济方面的比较。 

序号

项目

气 - 气换热器

传统电加热器方案

1

主要设备

蛇形管道

电加热器

2

稀释风来源

可直接采用冷一次风,不含尘 。

一般采用热一次风 / 热二次风,含尘 。

3

能源

利用锅炉内烟气余热直接对冷一次风加热。

利用电能转化成热能对热一次风 / 热二次风加热。

4

对锅炉的影响

布置在低过 / 低再区域,热解风量较小,相比锅炉烟气量来说可以忽略不计。

在炉外工作,对锅炉运行无影响。

5

系统阻力

在换热管道中会有一定的阻力损

失,相对于热一次风的压头来说,其阻力损失可以接受。

电加热器本身阻力较大,比气气换热器整体阻力损失略低。

6

适应负荷能力

能适应负荷变化。

能适应负荷变化。

7

运行效果

能达到尿素热解的目的。无堵塞问题。

能达到尿素热解的目的,电加热器积灰,有堵塞隐患。

8

运行成本

不考虑

约 250 万元 / 年


1

综上所述,尿素热解制氨系统在火电厂SCR烟气脱硝系统中应用广泛,技术方案较为成熟,随着运行经验的不断积累和系统的不断改善,尿素热解制氨系统的可靠性将不断的提高,系统将更为节能、高效.

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