尿素水解工藝及其在燃煤電廠的應(yīng)用

屈曉凡　，趙偉俊　，李紫龍，聶　華（中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司，重慶　401122）

尿素水解工藝及其在燃煤電廠的應(yīng)用

屈曉凡，趙偉俊，李紫龍，聶華
（中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司，重慶401122）

摘要：隨著國(guó)家對(duì)燃煤電廠NOX排放要求的日趨嚴(yán)格，選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術(shù)在國(guó)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用。SCR煙氣脫硝常用的還原劑是液氨、氨水和尿素，出于安全性和實(shí)用性的考慮，近年來(lái)尿素水解制氨工藝得到逐步推廣。本文介紹了尿素水解原理、工藝流程、運(yùn)行情況及其在燃煤電廠的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠;煙氣脫硝;選擇性催化還原;尿素水解

1　前言

“十二五”期間，NOx減排工作被納入國(guó)家大氣污染物總量減排的重點(diǎn)任務(wù)，截至2014年底，已投運(yùn)燃煤電廠煙氣脫硝機(jī)組容量約6.87億千瓦，占全國(guó)火電機(jī)組容量的75.0%。由于我國(guó)煤質(zhì)復(fù)雜、煙氣中NOx含量高，因此技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定且具有較高脫硝效率的選擇性催化還原SCR技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了極大推廣[1,2]。

SCR煙氣脫硝是通過(guò)催化劑（金屬氧化物）的催化作用，在溫度300～400℃的條件下，利用NH3把煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化成對(duì)環(huán)境無(wú)害的氮?dú)夂退甗3]。液氨、氨水和尿素均可作為煙氣脫硝還原劑。氨水中的氨濃度較低，運(yùn)輸成本高，其中的金屬離子對(duì)催化劑的壽命有一定影響，因此較少在燃煤電站的SCR工程中應(yīng)用；液氨有毒性且易燃，儲(chǔ)存量超過(guò)10t即成為重大危險(xiǎn)源，其運(yùn)輸和儲(chǔ)存均有嚴(yán)格要求，審批的難度也越來(lái)越大[4]。尿素是NH3的理想來(lái)源，對(duì)人和環(huán)境均無(wú)害，運(yùn)輸和儲(chǔ)存都不需要特殊程序。近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)要求的提高，各大發(fā)電集團(tuán)電廠的脫硝改造技術(shù)路線要求原則上采用尿素作為脫硝還原劑。

目前尿素制氨主要有尿素?zé)峤夂湍蛩厮鈨煞N工藝。尿素?zé)峤庵瓢笔抢酶邷貧怏w將尿素分解，該工藝的尿素利用率較低，單臺(tái)1000 MW機(jī)組電加熱器的功率在1000kW以上，運(yùn)行成本高，經(jīng)濟(jì)性較差[3]。與尿素?zé)峤夤に囅啾?，尿素水解效率高，耗能低，運(yùn)行成本低，近年來(lái)逐步在燃煤電廠SCR煙氣脫硝領(lǐng)域得到推廣。

2　尿素水解技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1技術(shù)原理

尿素水解反應(yīng)是尿素合成反應(yīng)的逆反應(yīng)，尿素溶液在一定壓力（0.45～0.65MPa）和一定溫度（140～160℃）的條件下進(jìn)行水解反應(yīng)生成NH3和CO2，反應(yīng)方程式如下所示[5]：

第1步反應(yīng)為尿素與水生成氨基甲酸胺鹽，該過(guò)程為放熱反應(yīng)；第2步氨基甲酸胺迅速分解生成NH3和CO2，為吸熱反應(yīng)，尿素溶液中過(guò)量水可以加快反應(yīng)速率的進(jìn)行。

2.2工藝流程

袋裝尿素通過(guò)卡車輸送到尿素儲(chǔ)存間存放，通過(guò)電動(dòng)葫蘆將袋裝尿素輸送到尿素溶解罐卸料口，拆包后的尿素從卸料口進(jìn)入溶解罐。加入除鹽水配制成質(zhì)量濃度為40-60%尿素溶液，通過(guò)尿素溶液循環(huán)泵輸送到尿素溶液儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐中的尿素溶液經(jīng)由輸送泵進(jìn)入水解反應(yīng)器，飽和蒸汽通過(guò)U型盤(pán)管間接加熱水解器內(nèi)的尿素溶液，尿素溶液分解產(chǎn)生NH3、CO2和水蒸氣，從水解器排出的混合氣進(jìn)入氨氣—煙氣混合系統(tǒng)，并由氨噴射系統(tǒng)噴入SCR脫硝系統(tǒng)。水解器的壓力和溫度由蒸汽供應(yīng)量控制，供給泵的流量控制水解器的液位。

2.3尿素水解工藝運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題

尿素在水解反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一些中間產(chǎn)物（如氨基甲酸銨等），氨基甲酸銨會(huì)破壞不銹鋼表面的氧化薄膜，當(dāng)溫度超過(guò)190℃時(shí)，一般的不銹鋼材料腐蝕嚴(yán)重。因此尿素水解器的材質(zhì)一般采用316L，反應(yīng)溫度不超過(guò)160℃。

尿素溶液會(huì)產(chǎn)生由凝結(jié)的尿素和分解副產(chǎn)物縮二脲組成的沉積物。當(dāng)溫度超過(guò)133℃，高活性的中間產(chǎn)物HNCO就會(huì)和尿素反應(yīng)生成縮二脲，這是造成尿素水解系統(tǒng)易產(chǎn)生堵塞的原因之一。因此，尿素水解工藝采用的尿素溶液質(zhì)量濃度一般不超過(guò)60%，并且在系統(tǒng)停車時(shí)要對(duì)管路進(jìn)行清洗，以防當(dāng)溫度升高時(shí)會(huì)造成管路堵塞。

尿素中的雜質(zhì)、去離子水中的雜質(zhì)（如鈣）和其它溶解固體物會(huì)聚積在水解器內(nèi)，必須定期排污。排污的頻率根據(jù)尿素和去離子水的純度而定，若使用工業(yè)級(jí)尿素，每月排污一次，每次排掉水解器中10%液體量。

3　尿素水解工藝在火電廠的應(yīng)用

目前，尿素水解制氨工藝已在國(guó)電青山電廠、國(guó)電宣威電廠、新鄉(xiāng)豫新電廠等多個(gè)機(jī)組得到應(yīng)用。以新鄉(xiāng)豫新電廠SCR煙氣脫硝項(xiàng)目為例，2臺(tái)鍋爐（2×330MW）的脫硝裝置共用一個(gè)還原劑儲(chǔ)存、制備及供應(yīng)區(qū)域，按照85%脫硝效率設(shè)計(jì)，水解反應(yīng)器尿素進(jìn)料濃度范圍40-60%，單臺(tái)尿素水解器最大產(chǎn)氨量為240kg/h，滿足一臺(tái)鍋爐0-115%BMCR氨耗量，單臺(tái)水解反應(yīng)器電耗量為15kW，蒸汽耗量為1.5 t/h。

4　結(jié)論及建議

尿素水解工藝與尿素?zé)峤夤に囅啾龋哂心芎牡?、尿素分解率高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在我國(guó)燃煤電廠SCR煙氣脫硝工程中得到應(yīng)用，但系統(tǒng)自動(dòng)化水平還不高，今后可進(jìn)行尿素溶解系統(tǒng)的小型化、撬裝化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)及多樣化布置的研究，以減少系統(tǒng)的維護(hù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，降低設(shè)備和建設(shè)成本，使尿素水解工藝具有更大的應(yīng)用空間。通過(guò)對(duì)尿素水解裝置的技術(shù)優(yōu)化，尿素水解工藝定會(huì)以其安全性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)在燃煤電廠SCR煙氣脫硝領(lǐng)域得到迅速推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 侯祥松,常東武,張海.循環(huán)灰對(duì)NH3氧化反應(yīng)影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(5):57-62.

[2] 陳海彩,張軍,沈樂(lè),李煥新,李明,李惠萍.火電廠尿素?zé)峤夂退夤に囇芯?電力科學(xué)與工程,2014,30(6):16-19.

[3] 姚宣,沈?yàn)I,鄭鵬,鄭偉.煙氣脫硝用尿素水解裝置性能分析.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(14):38-43.

[4] 惠潤(rùn)堂,韋飛,閆世平,劉曙東,楊愛(ài)勇,姜艷靚,鄭偉.國(guó)產(chǎn)首套尿素水解裝置在大型火電廠的工業(yè)應(yīng)用及技術(shù)優(yōu)化.2013,47(7):150-155.

[5] 慕國(guó)巍,嚴(yán)利貞,王時(shí)珍.氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1988:1-5.