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摘要：简要介绍了尿素炉内直喷热解技术及其工艺特点，并通过实际工程经验分析影响尿素直喷技术脱硝效果的关键因素。
关键词：尿素热解；脱硝；炉内直喷；SCR
引言
尿素热解法SCR是当今主流的安全脱硝技术，越来越多的脱硝项目采用安全的尿素替代传统的液氨作为脱硝还原剂。但相对于采用液氨作为还原剂的脱硝装置，尿素热解工艺设备复杂，前期投资较大，且热解工艺所需的电耗较大已经成为尿素热解工艺广泛普及应用的主要障碍。为了突破上述技术瓶颈，洛卡环保在2014年成功研发尿素炉内直接喷射制氨工艺技，并于次年在王滩电厂投运成功。凭借着显著的节能降耗性能，该技术一经推出便迅速获得了火电企业的青睐。目前已在国内多家火电企业成功改造运行。
1尿素直喷的工艺特点
尿素热解炉内直喷技术将尿素溶液通过安装在锅炉转向室内的特殊的喷射器，直接喷射在温度为500～700℃的锅炉转向室高温烟气中，利用高温烟气的热量分解尿素制氨。其整个脱硝原理如下图：
尿素炉内直喷热解制氨脱硝原理图
首先，在尿素溶液制备系统中制备尿素溶液，尿素溶液经由循环泵、计量装置、分配装置输送到设置于锅炉转向室内的尿素溶液喷射器组，尿素溶液喷射器组喷出的尿素液滴与烟气混合，在转向室中迅速被加热并分解出氨气。氨气与烟气的混合物依次穿过锅炉省煤器、静态混合器、烟气导流板和整流格栅等，进入装有催化剂的SCR反应器。在催化剂作用下，氨气与烟气中的氮氧化物发生还原反应，生成无害的氮气和水。
与传统热解技术相比较，尿素炉内直喷技术简化了热解系统，取消了原有热解制氨系统的炉区设备（电加热器、热解炉、热风管道系统以及AIG系统），减少了电耗以及热量消耗。具有以下工艺特点：
1）炉内直喷是在锅炉转向室内直接进行尿素溶液的喷射，利用锅炉高温烟气的热量对尿素溶液进行加热分解，从而获得SCR所需要的氨气；而传统的热解需要消耗电能把一次风加热到尿素热解所需要的温度。这样炉内直喷热解技术就减少了传统热解技术消耗大量高品质能源的弊端；
2）炉内直喷取消了传统热解技术所需的电加热器、绝热分解室、热风管道系统以及AIG系統等设备，大大简化了系统，且消除尿素分解不完全或低温结晶而导致AIG结晶堵塞的风险。可以使尿素制氨技术在保持原有的技术性能情况下，工程造价和运行费用大幅下降。
3）炉内直喷取消了用于尿素热解的锅炉一次风的耗量，也不需要再消耗电能给一次风加热升温，节约了运行成本。
4）由于简化了热解系统，取消了一些设备的使用，便于制定高效合理的检修，维护计划，从而降低检修人员检修维护工作量，同时降低了检修成本。
由于炉内直喷技术符合国内电站烟气脱硝技术发展趋势和国家产业鼓励政策，有利于降低能耗、消除由于尿素热解热源发生故障后的巨大损失。越来越多的火电企业开始将原有的尿素炉外热解改造成炉内直喷热解制氨
2关键因素
炉内直喷技术简化了尿素制氨的过程，减少了传统热解所需的各种设备。为了更好的保证整个SCR系统效率，利用尿素炉内直喷热解脱硝需要解决以下几点关键因素。
1）要对锅炉内部结构和运行参数特性进行深入研究，对锅炉变工况、变煤种、变燃烧方式进行综合分析，通过对锅炉转向室的流场进行CFD模拟，寻找满足温度、流动方向、等流动时间适合尿素溶液分解的最佳区域。保证能利用锅炉尾部转向室内高温烟气顺利将尿素热解成NH3、H20和C02，取代原有热解炉系统。
2）采用独特的多喷嘴喷射器结构，使喷射器冷却管路从后端至前端壁厚逐渐变薄，减轻喷射器前端重量，从而能够使其固定于烟炉中时重心后移，减少由于喷射器自身重力原因产生的形变。而喷射器采用伸缩机构的做法，则能够精确地控制喷射器运动的距离和预期深入炉膛内的位置，在锅炉内复杂流场下，做到对尿素热解快速反应的控制。
3）确定喷射器的合理喷射速度。在溶液流量一定的前提下，液滴喷射速度的增大可以加速液滴蒸发，增大液滴的有效贯穿距离，有利于不同气体组分的混合，但是强烈的扩散降低了反应物浓度不利于化学反应的进行，产生的回流抑制了氨气向下方的流动；液滴粒径的增大可以延长蒸发时间但降低了蒸发速率。随液滴粒径的增大，液滴穿透距离增大，液滴轨迹延长至反应区域中心，增强了混合的均匀性，但是蒸发速率的降低延缓了化学反应的进行，降低了氨气的产量。那么就需要根据计算机的模拟结果，确定喷射器的合理喷射速度，选择一个使尿素溶液雾化以及液滴与烟气混合的最佳范围值。
4）选择合理的尾部烟气的流速，保证足够的反应停留时间，让尿素可以完全热解，不会对下游设备造成腐蚀和损害。
5）由于炉内尿素直喷氨取消了喷氨格栅，氨气与烟气混合程度比原热解系统差，原有SCR入口均流裝置需要改造，需要增加波纹板混合器，对烟气与氨气混合提供了进一步改善的机会，保证混合均匀性。波纹板混合器是洛卡公司研发的一种用于脱硝系统烟道内氨气和烟气，氮氧化物和烟气充分混合的一种混合器装置，它可以使浓度高的一侧氨气或氮氧化物经过波纹板混合器交叉混合后，流向浓度低的一侧烟道，从而使氨气或是氮氧化物在烟道内得到均匀分布。经验证波纹板混合器阻力相对其它导流板阻力也是很小的，对于尿素炉内直喷改造项目而言，波纹板混合器不失为一种优先考虑的混合系统，它可以大幅度改善催化剂上方NOX/NH3浓度均匀性，减少氨逃逸。
结语
过量的尿素溶液会对炉膛内部造成一定的腐蚀，这也是大部分火电企业对尿素炉内直喷技术一直持观望态度的原因，洛卡公司通过大量精密的计算，对各种工况科学的模拟，已基本解决这个问题。相信尿素炉内直喷作为一项高效、清洁的热解技术，会为实现国内NOX超低排放做出应有的贡献。
关键词：尿素热解；脱硝；炉内直喷；SCR
引言
尿素热解法SCR是当今主流的安全脱硝技术，越来越多的脱硝项目采用安全的尿素替代传统的液氨作为脱硝还原剂。但相对于采用液氨作为还原剂的脱硝装置，尿素热解工艺设备复杂，前期投资较大，且热解工艺所需的电耗较大已经成为尿素热解工艺广泛普及应用的主要障碍。为了突破上述技术瓶颈，洛卡环保在2014年成功研发尿素炉内直接喷射制氨工艺技，并于次年在王滩电厂投运成功。凭借着显著的节能降耗性能，该技术一经推出便迅速获得了火电企业的青睐。目前已在国内多家火电企业成功改造运行。
1尿素直喷的工艺特点
尿素热解炉内直喷技术将尿素溶液通过安装在锅炉转向室内的特殊的喷射器，直接喷射在温度为500～700℃的锅炉转向室高温烟气中，利用高温烟气的热量分解尿素制氨。其整个脱硝原理如下图：
尿素炉内直喷热解制氨脱硝原理图
首先，在尿素溶液制备系统中制备尿素溶液，尿素溶液经由循环泵、计量装置、分配装置输送到设置于锅炉转向室内的尿素溶液喷射器组，尿素溶液喷射器组喷出的尿素液滴与烟气混合，在转向室中迅速被加热并分解出氨气。氨气与烟气的混合物依次穿过锅炉省煤器、静态混合器、烟气导流板和整流格栅等，进入装有催化剂的SCR反应器。在催化剂作用下，氨气与烟气中的氮氧化物发生还原反应，生成无害的氮气和水。
与传统热解技术相比较，尿素炉内直喷技术简化了热解系统，取消了原有热解制氨系统的炉区设备（电加热器、热解炉、热风管道系统以及AIG系统），减少了电耗以及热量消耗。具有以下工艺特点：
1）炉内直喷是在锅炉转向室内直接进行尿素溶液的喷射，利用锅炉高温烟气的热量对尿素溶液进行加热分解，从而获得SCR所需要的氨气；而传统的热解需要消耗电能把一次风加热到尿素热解所需要的温度。这样炉内直喷热解技术就减少了传统热解技术消耗大量高品质能源的弊端；
2）炉内直喷取消了传统热解技术所需的电加热器、绝热分解室、热风管道系统以及AIG系統等设备，大大简化了系统，且消除尿素分解不完全或低温结晶而导致AIG结晶堵塞的风险。可以使尿素制氨技术在保持原有的技术性能情况下，工程造价和运行费用大幅下降。
3）炉内直喷取消了用于尿素热解的锅炉一次风的耗量，也不需要再消耗电能给一次风加热升温，节约了运行成本。
4）由于简化了热解系统，取消了一些设备的使用，便于制定高效合理的检修，维护计划，从而降低检修人员检修维护工作量，同时降低了检修成本。
由于炉内直喷技术符合国内电站烟气脱硝技术发展趋势和国家产业鼓励政策，有利于降低能耗、消除由于尿素热解热源发生故障后的巨大损失。越来越多的火电企业开始将原有的尿素炉外热解改造成炉内直喷热解制氨
2关键因素
炉内直喷技术简化了尿素制氨的过程，减少了传统热解所需的各种设备。为了更好的保证整个SCR系统效率，利用尿素炉内直喷热解脱硝需要解决以下几点关键因素。
1）要对锅炉内部结构和运行参数特性进行深入研究，对锅炉变工况、变煤种、变燃烧方式进行综合分析，通过对锅炉转向室的流场进行CFD模拟，寻找满足温度、流动方向、等流动时间适合尿素溶液分解的最佳区域。保证能利用锅炉尾部转向室内高温烟气顺利将尿素热解成NH3、H20和C02，取代原有热解炉系统。
2）采用独特的多喷嘴喷射器结构，使喷射器冷却管路从后端至前端壁厚逐渐变薄，减轻喷射器前端重量，从而能够使其固定于烟炉中时重心后移，减少由于喷射器自身重力原因产生的形变。而喷射器采用伸缩机构的做法，则能够精确地控制喷射器运动的距离和预期深入炉膛内的位置，在锅炉内复杂流场下，做到对尿素热解快速反应的控制。
3）确定喷射器的合理喷射速度。在溶液流量一定的前提下，液滴喷射速度的增大可以加速液滴蒸发，增大液滴的有效贯穿距离，有利于不同气体组分的混合，但是强烈的扩散降低了反应物浓度不利于化学反应的进行，产生的回流抑制了氨气向下方的流动；液滴粒径的增大可以延长蒸发时间但降低了蒸发速率。随液滴粒径的增大，液滴穿透距离增大，液滴轨迹延长至反应区域中心，增强了混合的均匀性，但是蒸发速率的降低延缓了化学反应的进行，降低了氨气的产量。那么就需要根据计算机的模拟结果，确定喷射器的合理喷射速度，选择一个使尿素溶液雾化以及液滴与烟气混合的最佳范围值。
4）选择合理的尾部烟气的流速，保证足够的反应停留时间，让尿素可以完全热解，不会对下游设备造成腐蚀和损害。
5）由于炉内尿素直喷氨取消了喷氨格栅，氨气与烟气混合程度比原热解系统差，原有SCR入口均流裝置需要改造，需要增加波纹板混合器，对烟气与氨气混合提供了进一步改善的机会，保证混合均匀性。波纹板混合器是洛卡公司研发的一种用于脱硝系统烟道内氨气和烟气，氮氧化物和烟气充分混合的一种混合器装置，它可以使浓度高的一侧氨气或氮氧化物经过波纹板混合器交叉混合后，流向浓度低的一侧烟道，从而使氨气或是氮氧化物在烟道内得到均匀分布。经验证波纹板混合器阻力相对其它导流板阻力也是很小的，对于尿素炉内直喷改造项目而言，波纹板混合器不失为一种优先考虑的混合系统，它可以大幅度改善催化剂上方NOX/NH3浓度均匀性，减少氨逃逸。
结语
过量的尿素溶液会对炉膛内部造成一定的腐蚀，这也是大部分火电企业对尿素炉内直喷技术一直持观望态度的原因，洛卡公司通过大量精密的计算，对各种工况科学的模拟，已基本解决这个问题。相信尿素炉内直喷作为一项高效、清洁的热解技术，会为实现国内NOX超低排放做出应有的贡献。