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300MW等級燃煤機組尿素替代液氨作為脫硝還原劑工藝方案研究

作者: 來源:本站 發表時間:2020-04-06 17:44:25 查看:
燃煤電廠距離大城市較近,脫硝液氨儲罐屬于重大危險源,必須用尿素制氨替代。尿素制氨工藝有多種,從經濟性、可靠性、改造靈活性多維度進行替代方案研究,最終選擇最優尿素制氨工藝方案,為同類型替代改造項目提供參考。

0 引言

某電廠一期工程安裝兩臺350 MW 亞臨界一次中間再熱燃煤凝汽式機組,兩臺機組分別于2013、2014 年進行脫硝改造,鍋爐進行低氮燃燒改造,并在尾部增加SCR 脫硝系統。二期工程擴建2 × 300 MW國產抽汽供熱式機組,兩臺機組分別于2007 年8 月及11 月投產,二期同步建設SCR 脫硝系統。目前,全廠4 臺機組脫硝還原劑均采用液氨,由全廠公用的氨區集中供應。電廠液氨儲存量約為113 t,遠超氨的臨界值,屬于三級重大危險源。氨區對電廠工作人員及附近居民生命財產安全造成了重大威脅。電廠距離大城市較近,且電廠周圍人口密度也較大的特點,考慮國家對液氨等危險品的管控日益嚴格,其運輸和使用受到較多的限制,有必要消除該安全隱患,對脫硝氨區進行改造,將液氨制氨工藝改為尿素制氨工藝。

1 工藝方案研究比選

尿素( CO( NH2)2) ,是白色或淺黃色的結晶體,易溶于水,在高溫( 350 ~ 650 ℃) 下可完全分解為NH3。其品質為工業或農用等級( 滿足國標GB2440—2001 要求) 的合格尿素,用于產生尿素溶液,其中自由NH3 < 5 000 μg /g,縮二脲< 5 000 μg /g; 正磷酸鹽( 作為PO4) < 6 μg /g,懸浮固態物< 10 μg /g。尿素制氨工藝一般可分為水解和熱解兩種。

1. 1 水解法

尿素水解工藝是讓尿素水溶液,在蒸汽提供高溫、高壓或催化條件下進行水解反應,生成的氣體中包含二氧化碳、水蒸汽和氨氣。其化學反應式為:

NH2-CO-NH2 + H2O →2NH3 + CO2

尿素的品質應符合國家標準GB 2440—2001 合格品的技術指標要求。

尿素水解制氨的特點:

1) 可解決安全隱患問題。

尿素是一種無害的普通化學品,尿素水解所制備的還原劑氨氣具有隨制隨用,不用儲存液氨、氨水、氨氣等危險介質。解決了液氨、氨水蒸發制氨等工藝在儲存、運輸、卸料、使用和泄漏等環節的安全隱患問題。

2) 解決了還原劑系統占地面積大的問題。

尿素溶液制備車間為普通廠房,沒有危險化學品的儲存及使用,各設備之間、車間內與道路之間,車間與外部車間之間無苛刻的防火間距要求,使得尿素水解制氨系統占地面積小。通過實際工程對比發現,采用尿素水解制氨系統只占采用液氨蒸發系統的1 /4 ~1 /2 面積。為老廠改造和征地成本高的電廠提供了可行的解決方案。

3) 相比尿素熱解技術,水解器運行溫度更為溫和,反應更為完全,不用天燃氣、柴油加熱,在首期投資和運行成本等方面更有優勢。

4) 存在腐蝕問題。操作時必須按照操作規程進行操作,溫度不得高于165 ℃,否則水解器設備腐蝕嚴重。

5) 易堵塞管道。需要對管道進行保溫和伴熱( 氣相和液相伴熱溫度不同) ,同時需要檢測產品氣的過熱器過熱度情況,否則會出現結晶堵塞管道的情況。

目前,常用的尿素水解技術主要有常規水解催化水解兩種,分別簡述如下:

1. 1. 1 常規水解法

常規尿素水解制氨法為尿素制備過程的逆反應,在化肥領域通過水解反應對尿素廢液進行回收利用。

水解反應為強吸熱反應,由兩步組成:

CO( NH2)2 + H2O→NH2COONH4 - 15. 5kJ /mol

NH2COONH4→2NH3 + CO2 + 177kJ /mol

常規水解法工藝流程如圖1 所示。顆粒狀尿素經斗式提升機輸送到尿素溶解槽,經攪拌后,配制成濃度約40% ~ 50%( w t) 的尿素溶液; 經攪拌溶解合格的尿素溶液,溫度約60 ℃,利用溶解液泵打入尿素溶液槽儲存,用尿素溶液泵送至水解換熱器,先與水解器出來溫度約200 ℃的殘液換熱,溫度升至185 ℃左右,然后進入尿素水解器進行分解。水解器頂部出口溫度約190 ℃、壓力約2. 0 MPa 的氨、二氧化碳、水蒸氣混合氣進入到緩沖罐減壓到0. 2 MPa 左右,作為電廠脫硝還原劑使用。從氣氨緩沖罐出來的NH3、CO2、H2O 等氣態混合物,與加熱后的稀釋風混合進入脫硝氨噴射系統,氨與空氣的混合物溫度維持在175 ℃以上。氨與空氣的混合物需從尿素間輸送至SCR 反應器。

4.jpg

水解反應器采用蒸汽盤管間接加熱,操作壓力為0. 6 MPa,操作溫度150 ℃。該反應速度較慢,對機組負荷變化相應慢。水解器的出力通過水解反應的速度進行控制,反應速度由溫度和液位進行調節,水解器溫度由蒸汽的用量來控制。由于尿素水解采用低品質蒸汽,且從尿素水解器出來的低溫飽和蒸汽還可以用來加熱尿素溶液,故其能耗水平相對較低。

1. 1. 2 催化水解法

與常規水解工藝的主要不同是,催化水解法在尿素水解過程中添加了催化劑( 采用磷酸二氫銨作為催化劑,生成中間產物磷酸氫二銨,磷酸氫二銨再生分成氨和磷酸二氫銨) ,從而改變了水解進度,提高了水解速度。其反應機理如下:

( NH2)2CO + 催化劑+ H2O→中間產物+ CO2中間產物→2NH3 + 催化劑綜合反應: ( NH2)2CO + H2O→2NH3 + CO2

反應器中裝有固定量的催化劑,在反應器操作狀況下催化劑呈熔融狀,控制反應器在恒溫、恒壓下運行如溫度135 ℃,壓力0. 5 MPa 的狀況下,可控制出口氣體組分,一般的NH3濃度約為37. 5%( 尿素溶液質量濃度為50%時) 。催化劑的主要作用是通過改變了反應路徑,從而大大加快反應速率,反應速度較普通水解法提高約10 倍以上,負荷響應速度達13% /min。

尿素催化水解法工藝流程圖見圖2。

3.jpg

1. 2 熱解法

熱解法主要工藝如下: 運輸卡車把尿素粉末卸到卸料倉里面。干尿素由給料機被直接從卸料倉送入混合罐溶解。用除鹽水將固體尿素溶解成40% ~55%的尿素溶液,尿素在混合罐中被攪拌器攪拌,確保尿素的完全溶解,然后通過尿素溶液循環泵輸送到尿素溶液儲罐; 循環泵將溶液抽出來,這個過程不斷重復,以維持尿素溶液存儲罐的液位。尿素溶液經由給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解室,稀釋空氣經加熱后也進入分解室。霧化后的尿素液滴在絕熱分解室內分解,生成的分解產物為NH3、H2O 和CO2,分解產物經由氨噴射系統的噴氨格柵( AIG) 之噴嘴噴人煙氣中,與煙氣混合后進入SCR催化反應器( 圖3) 。

2.jpg

熱解需要的熱源主要有熱風、電能、油和天然氣,目前國內大多采用熱風,電加熱器作為輔助手段。為減少廠用電,熱解所需要的熱風可采用空預器出口處引出的熱一次/二次風,再經電加熱器加熱將熱風溫度提升至進入熱解爐所需溫度( 450 ~ 650 ℃) 。此外,還可通過爐外高溫換熱器來加熱一次風,即利用鍋爐尾部煙道內抽出的熱煙氣在高溫煙氣換熱器內將熱風再次加熱。

熱解工藝的反應如下:

CO( NH2)2→NH3 + HNCO·HNCO + H2O→NH3 + CO2

尿素在溫度高時不穩定,會分解成NH3和HNCO·HNCO 與水反應生成NH3和CO2。該過程產生的NH3通過AIG 注射在鍋爐煙氣中,與煙氣中的NOx反應生成N2和H2O。

2 制氨工藝比較

水解及熱解尿素制氨工藝及投資比較見表1。



由于工程項目為改造項目,從工藝上考慮,常規水解響應速度慢,需要設置氨氣儲罐,風險高、占地大; 熱解工藝雖然投資相對較低,但熱解爐工作溫度高,能耗高,對鍋爐煙風系統有一定的影響,熱解爐不能集中布置。比較而言,考慮本工程應盡量減少對現有廠區布置和主機設備的影響,能集中布置和管理等,催化水解是較好的選擇。

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