浅谈尿素法SCR烟气脱硝技术

浅谈尿素法SCR烟气脱硝技术
摘要：燃煤电厂常规污染物排放与燃气发电基本同等清洁，为中国空气质量改
善做出了巨大贡献。

其中以降低火电厂氮氧化物（NOx）排放为目的的SCR烟气
脱硝技术是目前最成熟的脱硝技术之一，在火力发电厂得到广泛的应用。

本文介
绍SCR尿素制取还原剂氨通常的两种方法热解和水解的制取过程、技术特点。

关键词:脱销；还原剂；尿素；热解；水解；安全；升级改造
一、脱硝技术
1.1SNCR技术
SNCR技术是在锅炉内适当温度（900～1100℃）的烟气中喷入尿素或氨等还
原剂，将NOx还原为无害的N2和H2O，SNCR的脱硝效率可达到80%以上。

大型锅炉由于受到炉膛尺寸的影响，还原剂在炉膛内较难均匀混合，SNCR的脱硝效
率将低于40%。

该技术在发生燃烧反应时放出大量的热，使得操作温度较高，对
设备和催化剂要求高，需要有热量回收设备。

根据国外的工程经验，脱硝效率约
为25%～50%，对温度窗口要求严格，氨的逃逸率较大，可靠性差，在大型锅炉
上运行业绩较少，更适合老机组改造，目前国内应用较少。

1.2SCR技术
SCR脱硝技术的原理是烟气和氨与空气的混合物在经过SCR反应器的蜂窝式
或板式催化剂层时，烟气中的NOx（主要是NO以及少量的NO2）和加入SCR反
应器中的NH3、空气中O2发生选择性催化还原反应，生成无污染的N2和水。

SCR技术是目前应用最多而且最有成效的烟气脱硝技术，世界各国采用的SCR系
统有数百套之多，在大型锅炉上具有相当成熟的运行业绩。

SCR催化剂一般用以TiO2作为载体的V2O5、WO3及MoO3等金属氧化物，其反应过程为：NO、NH3、O2从烟气中扩散至催化剂的外表面并进一步向催化剂中的微孔表面扩散，在催化剂的微孔表面上被吸附，随后反应转化成N2和H2O。

N2和H2O从微孔内向外扩散到催化剂外表面，再从催化剂表面上脱附下来，最后扩散到主流气体中被带走，烟气完成整个脱硝过程。

上述反应温度可以在300～400℃之间进行，脱硝效率约
为70%～90%。

1.3SNCR/SCR技术
SNCR/SCR混合烟气脱硝技术是集合了SCR与SNCR技术的优势而发展起来的，脱硝系统主要由还原剂存储与制备、输送、计量分配、喷射系统、烟气系统、脱
硝反应器、电气控制系统等几部分组成。

还原剂一般以尿素为主，尿素被溶解制
备成质量分数为50%的尿素溶液，经输送泵送至计量分配模块，与稀释水模块送
过来的水混合，尿素溶液尿素的质量分数被降至10%，通过计量分配装置精确分
配到每个喷枪，然后经过喷枪喷入炉膛，实现脱硝反应，氨气随烟气进入炉后的
脱硝反应器，可达到85%的脱硝效率。

该技术发挥了SNCR工艺投资省、SCR工
艺脱硝效率高的优势，降低了SCR系统的装置成本，该工艺系统相对比较复杂，
但具有脱硝系统阻力低，催化剂用量少，运行费用低，无需尿素热解系统等特点，适合脱硝效率要求较高的情况。

1.4还原剂选择
SCR选择性催化还原法脱硝技术就是将烟气中的NOx在催化剂的作用下，与
还原剂发生反应并生成无毒无污染的氮气和水。

脱硝还原剂的来源主要有液氨、
氨水和尿素，液氨可以直接制取氨气，氨水和尿素可以间接制取氨气。

但液氨作
为还原剂存在一定的危险性，从安全角度来讲，液氨属于乙类危险品，在安全方
面具有特殊要求，对储存车间的建筑要求高。

随着脱硝还原剂储存、制备与供应
技术的日渐成熟，脱硝还原剂的选择主要从安全与经济角度考虑。

通过尿素制氨
工艺替代液氨贮存及制备工艺，可达到同等的脱硝性能。

尿素是一种稳定、无毒
的固体物料，作为脱硝用氨的理想来源，对人和环境均无害，可以被散装运输并
长期储存，运输道路无特殊要求，安全成本低。

因此，国家环评报告一般倾向于
尿素方案。

SCR技术需要的是纯氨气，尿素热解成氨气的质量转化率为1.76∶1，也就是说1.76kg尿素可以转化为1kg氨气。

氨水的氨浓度仅仅是20%～25%，所
以便宜。

对于SCR技术来讲，尿素运行费用最高，氨水次之，液氨最便宜。

但是，液氨最危险，尿素最安全。

氨水的建造以及运行成本较高，且存在一定的安全隐患。

二、尿素热解技术介绍
2.1热解法
主要工艺流程：尿素热解工艺的主要反应如下：CO(NH2)2→NH3+HNCO（尿
素→氨+异氰酸）HNCO+H2O→NH3+CO2（异氰酸+水→氨+二氧化碳）尿素热解工
艺流程主要特点：尿素溶液的质量分数为50%，常温下是过饱和溶液，实际运行
中需要对尿素溶液罐进行加热，使得尿素溶质量浓度达到要求。

尿素溶液经过喷
嘴雾化后打入热解器进行热解反应，尿素溶液雾化小液滴主要在300℃～550℃温度、常压下进行反应分解，尿素溶液的分解反应机理为温度越高，反应的速度越快，分解的也越完全。

热解室内的热量来自于电加热器或炉内热风，对负荷变化
的响应快，约为5～10s。

尿素热解制氨工艺流程图如图1所示。

SCR的尿素热解装置主要由尿素供应装置、尿素溶液罐装置、计量与分配装置、热解器等组成。

将准备好的尿素储存在尿素储仓内，通过尿素溶解罐通过加
入除盐水将干尿素溶解为50%浓度尿素溶液，通过尿素输送装置与循环模块经过
计量与分配装置输送至热解器内，在热解器内蒸发为氨气，氨气通过喷氨格栅的
喷嘴喷入烟气中与烟气混合，再经静态混合器混合充分后进入SCR反应器。

当达
到反应温度的烟气气流经SCR反应器的催化层时，氨气与NOx发生催化氧化还原
反应，将NOx还原为无害的N2和H2O。

热解器则是利用高温空气介质对尿素溶
液加热产生氨气的装置。

从空气预热器引入高温热空气，或者用电加热器加热后
通过稀释风和助燃风入口进入热解器。

2.2水解法
尿素水解制氨工艺化学反应式为：NH2-CO-NH2＋H2O→2NH3↑＋CO2↑尿素
水解法制氨气一般由尿素溶液给料系统、尿素溶液制备系统、水解反应器系统、
废水系统组成，与热解法主要区别在与水解装置反应器。

经尿素溶液制备系统制
成一定浓度的尿素溶液后，经给料泵送入水解反应器中水解反应制备出氨气，氨
气随后进入氨空气混合器后喷入烟道用作烟气脱硝的还原剂。

主要工艺流程：尿素水解尿素制氨工艺流程图如图2所示。

SCR的尿素水解装置主要由尿素供应装置、尿素溶液/存储罐装置、供给泵、
水解反应器等组成。

将尿素颗粒储仓中的尿素送入尿素溶解罐，通过和蒸汽或冷
凝水搅拌后混合后制备成40%～60%的尿素溶液，合格的尿素溶液经给料泵送至
水解反应器中，水解反应所需热量来自饱和水蒸气，为尿素水解反应提供热量。

尿素溶液在0.45Mpa～0.65Mpa，温度140℃～160℃下发生分解反应，分解出氨气，送入SCR反应器进行脱销处理。

三、液氨气化法介绍
液氨由液氨槽车运送至现场，利用液氨卸料压缩机将液氨由槽车输入液氨罐
内。

液氨罐中的液氨利用压差和自身的重力或供应泵输送到蒸发槽内蒸发为氨气，经氨气缓冲槽送至SCＲ脱硝催化反应系统的氨/空气混合器混合后送至脱硝SCＲ
催化反应系统。

液氨气化法工艺流程见图1。

四、技术比较
液氨气化法制氨工艺具有系统简单、可靠，机组负荷变化适应性好等优势，
液氨因其理化特性及危险特性，在运行生产过程中，潜在的安全、环境风险等级高。

尿素水解/热解法制氨工艺在尿素颗粒的储存、尿素溶液配制、储存及输送方面近乎相同，主要区别在于尿素分解制氨部分。

尿素制氨工艺参数控制要求更高，其优势在于无重大安全和环境风险。

表1为几种制氨工艺技术比较情况。

（1）工艺可行性分析
从燃煤电厂应用情况来看，无论是系统运行的可靠性、还是氮氧化物达标排
放的可行性方面，液氨法、尿素水解法、尿素热解法这几种制氨工艺均能够满足
机组超低排放SCＲ烟气脱硝用氨需求。

（2）安全、环境风险分析
根据《危险化学品重大危险源辨识标准》(GB18218－2009)规定，液氨储存量
超过10t即为重大危险源，这也是液氨法工艺应用中的最大的顾虑。

而尿素水解/
热解制氨工艺不存在重大危险源问题，这是尿素法对液氨法最大的优势。

（3）系统的响应性分析
液氨法、尿素热解法对机组负荷、煤种变化系统响应快，而尿素水解法相对
较慢。

当机组负荷、煤种变化导致喷氨量需求变化较大或水解器切换操作不当时，可能在短时间发生烟囱排口氮氧化物浓度超标的情况，生产运行过程中应加以注
意
五、技术比较和思考
通过上文对于不同的脱硝工艺进行了对比，我们发现SCR技术具有脱硝效率高、工艺技术成熟、装置运行稳定、对各种烟气适应性好等特点。

对于燃煤电厂
的本质安全管理有着极大的帮助，具体优势如下。

5.1工艺成熟可靠
尿素热解出的氨作为还原剂，提高了用氨安全性，产生的氨直接用于脱硫脱硝，不用储存，降低了运输、储存和使用液氨或氨水所带来的安全风险，提高了
装置运行的安全性和可靠性。

5.2应用范围广
SCR技术适应性强，可用于以烟煤、褐煤、重六、结语尿素作为还原剂用于
脱硝，在安全方面具有明显优势。

SCR技术具有脱硝效率高、工艺技术成熟、装
置运行稳定、对各种烟气适应性好等特点，且尾气排放浓度满足排放标准。

相对
于尿素脱硝而言，液氨脱硝的危险性极高，一旦泄漏极易导致人员伤亡和环境污
染事故，发电企业应高度重视SCR脱硝液氨区的安全管理内容及防范措施，并将
其纳入全厂环境风险应急预案，确保企业员工及附近居民的人身及财产安全。

油、天然气为燃料或焦炉煤气、垃圾焚烧、生物质燃烧的锅炉、窑炉、烧结机、工业
炉等不同烟气的脱硝处理。

同时适应于高尘、低尘、高温、低温不同工况下烟气
脱硝的工艺技术路线。

还原剂尿素来源容易，质优价廉。

5.3净化效率高
NOx去除效率达到85%以上，最大脱硝效率超过90%，且排放浓度达到国家
有关排放标准的要求。

出口氨气排放的体积分数＜3×10-6，SO2/SO3转化率≯1%。

适用于工业锅炉、电厂锅炉、工业冶炼炉、工业窑炉等烟气各种不同浓度NOx烟
气脱硝，运行可靠，是工程上应用最多的烟气脱硝技术[10]。

5.4环保效益好
反应器可以布置于省煤器和空预器之间，或脱硫塔之后，反应副产物为N2
和H2O，无二次污染。

具有很好的负荷适应性，在不同负荷下均能保证脱硝率和
氨的低逃逸率，安全性能好。

通过优化设计蜂窝状或板式催化剂单元及其运行方式，能有效抑制SO3的产生以降低SCR反应器出口烟气的腐蚀性。

六、应用前景
在我国，尿素作为SCR脱硝技术还原剂的项目逐步增多，主要原因就是安全，近期也有一些原来已经采用液氨的项目改造为采用尿素的项目。

从安全和环境风
险角度看，尿素是火电厂脱硝工艺中最安全可靠的还原剂。

在节能减排大背景下，脱硝行业发展空间广阔。

目前，在国内尿素水解法的工程运行业绩较少。

尿素热
解法SCR技术在应用中也逐步完善。

因各电厂脱硝效率不一样等因素，很难统一
脱硝所使用的尿素量是多少，如国内的燃煤锅炉烟气尿素法SCR脱硝技术全面推广，尿素的需求量将形成规模，大幅拉动尿素在新应用领域消费的增长。

尿素为
一般的农业用肥料，可以用火车或汽车运输，其运输和储存不需要特别的安全措施。

因此，尿素作为还原剂用于脱硝，在安全方面具有明显优势。

SCR技术具有
脱硝效率高、工艺技术成熟、装置运行稳定、对各种烟气适应性好等特点，且尾
气排放浓度低于相关规定，因此可以良好适应国家环保政策的日益严格和节能减
排工作的需要，广泛地应用在电力、化工、建材、造纸、印染、冶金等工业行业
锅炉烟气、废弃物焚烧废气和工业用气等脱硝设施中。

参考文献
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