SCR尿素熱解系統尿素結晶的預防與對策

裴慶春，章新偉

（北京福泰克環保科技有限公司，北京 100101）

SCR尿素熱解系統尿素結晶的預防與對策

裴慶春，章新偉

（北京福泰克環保科技有限公司，北京 100101）

分析了SCR尿素熱解系統中尿素結晶的原因，對系統設計、流場控制、設備選型、工藝水和壓縮空氣品質要求等方面進行了優化與選擇，以期對熱解爐尿素結晶的現象進行有效地預防和提供有針對性的對策。

尿素熱解;尿素結晶;選擇性催化還原技術;預防與對策

1 前言

2012年1月1日起實施的新修訂的《火電廠大氣污染物排放標準》規定：2003年12月31日前投運或通過審批的機組NOx排放濃度不得大于200mg/Nm3，之后的現役或新建機組NOx排放濃度不得大于100mg/Nm3。隨著嚴格的新標準的實施，煙氣脫硝系統成為火電廠必不可少的設備之一，選擇性催化還原反應（Selective Catalyst Reduction，簡稱SCR）以其脫硝效率高的優點成為了電廠脫硝項目的技術首選，得到了越來越廣泛的應用。

SCR技術中還原劑NH3的來源有3種：液氨（anhydrous Ammonia）、氨水（Aqueous Ammonia）和尿素（Urea）。由于液氨是危險化學品，隨著國家對安全的日益重視，逐漸出臺一系列相關的限制措施，使得電廠在用液氨時會在審批、工期、占地等諸多方面受到越來越多的制約，投運后通過環保驗收的程序也較為繁瑣；氨水也因為其運行成本居高不下而受到應用的局限。作為無危險的制氨原料，尿素具有與液氨相同的脫硝性能，是綠色肥料、無毒性，使用完全，因而沒有法規限制，并且便于運輸、儲存和使用。目前在國內SCR脫硝采用尿素為還原劑已經成為一種趨勢，并逐漸成為主流，尤其是在一些重點區域和離居民區較近的城市電廠，已有了越來越多的應用。

2 尿素水解和熱解技術簡述

尿素制取氨通常有兩種方法：熱解和水解。水解法是將尿素以水溶液的形式進行分解。熱解法是將直接快速加熱霧化后的尿素溶液進行分解。

2.1 尿素水解技術

尿素水解主要采用AOD方法和U2A方法，AOD法起始于1996—1997 年，U2A方法約始于1999 年，兩種方法的第一個示范項目都建于2000年。尿素水解技術的缺點在于需要采用高壓設備和復雜的廢水處理系統，并且會隨著反應產生聯二脲、1，3-二氨基甲酰尿素、氰尿酸（Biurea、Triuret、Cyanuric Acid）等聚合物，這些副產物會和“爆米花狀”（popcorn）的飛灰黏合在一起，極易造成催化劑的堵塞。由于高壓、堵塞、腐蝕及系統復雜等問題長期得不到徹底解決，缺陷率較高的尿素水解工藝方法越來越難以被客戶接受，因而正逐漸退出市場。與此相比，尿素熱解工藝發展迅速，工程應用不斷擴大。

2.2 尿素熱解技術

目前，電廠的催化劑越來越多傾向于采用尿素熱解技術，尿素熱解目前主要采用NOxOUT ULTRA方法。NOxOUT ULTRA是美國某燃料公司（Fuel Tech Inc.）尿素熱解制氨工藝的注冊名稱。目前尿素熱解系統在國內已有40余臺機組的業績，最大的機組容量是2010年運行的華能玉環電廠4×1000MW機組。

2006年開始，華能北京熱電有限公司對其4臺830t/h燃煤鍋爐實施煙氣脫硝技術改造，設計4臺機組的SCR 系統公用一套還原劑儲存、制備及供應裝置，采用NOxOUT ULTRA 尿素熱解制氨技術，這是國內首例采用尿素熱解方法分解出還原劑進行SCR煙氣脫硝的工程。

3 尿素熱解工藝原理

尿素熱解系統的主體設備包括尿素儲倉、尿素溶解罐、尿素溶液儲罐、稀釋風機、尿素溶液噴嘴、熱解爐和電加熱器（也可選用燃油或燃氣加熱器），主要的工藝流程為固體尿素經溶解配置成40%～60%的尿素溶液，混合/給料泵將尿素溶液輸送至尿素溶液儲罐，尿素溶液經專門設計的噴槍噴入熱解爐中，在高溫下分解為NH3，熱解需要的熱量來源于經過加熱器加熱后的熱一次風或二次風，稀釋風機輸送來的稀釋空氣與分解得到的氨混合成為氨濃度小于5%的氨/空氣混合氣，經氨氣噴射隔柵（Ammonia Injection Grid，AIG）噴射入煙氣系統中。其工藝流程見圖1。

圖1 尿素熱解工藝流程

4 尿素的性質

4.1 尿素的物理性質

尿素的分子式為CO(NH2)2，分子量為60.06，是無色或白色針狀或棒狀結晶體，工業或農業品為無臭無味、白色略帶微紅色的固體顆粒（如圖2所示）。尿素含氮量約為46.67%，是固體氮肥中含氮量最高的。密度1.335g/cm3，熔點132.7℃，溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿，呈弱堿性。

圖2 尿素

4.2 尿素的化學性質

尿素在酸、堿、酶作用下（酸、堿需加熱）能水解生成氨和二氧化碳。尿素對熱不穩定，在高溫下可進行縮合反應，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸，具體反應為加熱至150℃脫氨成縮二脲，若迅速加熱將會脫氨而三聚成六元環化合物三聚氰酸（機理：先脫氨生成異氰酸HN=C=O，再三聚），加熱至160℃分解，產生氨氣同時變為氰酸。

尿素易溶于水，100ml的水在20℃時可溶解105g尿素，水溶液呈中性。尿素產品有兩種，結晶尿素呈白色針狀或棱柱狀晶形，吸濕性強；粒狀尿素為粒徑1～2mm的半透明粒子，外觀光潔，吸濕性有明顯改善。20℃時臨界吸濕點為相對濕度80%，但在30℃時，臨界吸濕點降至72.5%，所以尿素的儲存要盡量保持干燥，尤其要避免在盛夏潮濕氣候時敞開存放。目前有采用在尿素生產中加入石蠟等疏水物質的方法，可使其吸濕性大大下降。

5 熱解爐尿素結晶產生的原因分析

根據對國內外幾十臺套尿素熱解系統的跟蹤反饋了解到，尿素熱解系統運行安全穩定性高，基本沒有運行過程中需離線檢修的情況。但有個別熱解系統在機組停機檢修的過程中發現，熱解爐在底部和尾管處有蜂窩狀沉積物，據化驗沉積物為尿素結晶，運行過程中的表現為熱解爐出入口壓差略有增大。熱解的兩個重要因素是足夠的熱量和較好的尿素溶液霧化效果，尿素未熱解形成結晶的機理比較復雜，據分析主要有以下幾種原因：

（1）熱解室內部流場設計問題

熱解室設計出現偏差，一方面也許會導致內部流場分布不均勻，溫度場控制失誤，熱解室局部低溫形成尿素結晶；另一方面可能致使霧化后的尿素溶液在熱解室內停留時間過短，部分未熱解的尿素在熱解室尾部形成結晶。

（2）尿素噴槍霧化效果差

尿素噴槍是尿素熱解系統的關鍵部件之一。噴槍將尿素溶液霧化的好壞，直接影響到尿素制氨轉換率的高低。尿素噴槍霧化效果不好，極易導致尿素結晶現象的發生。

（3）尿素溶解水品質較差

尿素溶解水中的礦物質和離子含量如果比較高，一方面會促使尿素產生結晶，另一方面雜質和離子也會對SCR催化劑的活性成分產生影響或毒害。

（4）尿素溶液霧化空氣品質較差

如果尿素霧化用壓縮空氣品質較差，霧化空氣中油、水和塵等含量較高，運行時間長后容易堵塞浮子流量計，浮子流量計不報警，尿素溶液得不到霧化，直接噴入尿素熱解爐，影響其熱解效果，尿素結晶便會沉積到熱解爐尾管。

6 熱解爐尿素結晶的預防與對策

根據熱解爐尾部尿素結晶形成的原因，通過理論分析、實驗研究和工程實例，提出以下對熱解爐尿素結晶情況進行有效預防的對策。

6.1 設計合理的熱解室流場

為了保證尿素溶液能在熱解室中被徹底氣化、混合和分解，在進行熱解爐的設計過程中應使用具有液滴軌跡模型的計算流體力學（CFD），并結合化學動力學模型（CKM）進行建模，最大程度上在設計環節做到合理、優化，保證工程實施后的運行效果，有效避免因工藝設計原因引起的尿素結晶等缺陷。

6.2 保證尿素噴槍霧化效果

通過實驗研究比較和對工程項目的用戶反饋情況，擁有專利技術的進口尿素噴槍在尿素溶液的霧化效果、噴嘴防堵塞、使用壽命等方面的確更勝一籌。保證尿素溶液的霧化效果，是保證尿素制氨的轉換率、預防尿素結晶的關鍵。

6.3 提高尿素溶解水品質

尿素溶解水的水質要求為水硬度≤150ppm（以CaCO3表示），一般采用去離子水或去礦物質水，若水中的礦物質和離子含量達不到要求時，可以考慮添加一些添加劑，提高溶解水的品質。保證尿素溶解水品質可以有效增強噴射霧化，將尿素因水的不純而產生的沉淀降到最低，防止尿素發生結晶的情況。

6.4 保證尿素溶液霧化空氣品質

火電廠一般常用的壓縮空氣有兩種：儀表用氣和雜用壓縮空氣。雜用氣用途廣、品質低，一般要求為壓力0.7MPa，所含最大粒子尺寸40μm，常溫下最大粒子濃度為10mg/m3，空氣中水蒸氣含量以壓力露點表示，最高壓力露點10℃，最大含油量25mg/m3。儀表用氣為控制儀表和氣動儀表用壓縮空氣，品質較好，壓力0.7MPa，所含最大粒子尺寸1μm，常溫下最大粒子濃度1mg/m3，最高壓力露點-40℃，最大含油量1mg/m3。雜用氣和儀用氣的品質還是有一定差距的，尿素溶液霧化空氣建議使用儀表用氣，可以有效防止由于空氣中油、水和塵等含量高而造成尿素結晶現象。

7 工程實例

某電廠共有4臺200MW抽汽供熱機組，每機配一臺670t/h燃煤鍋爐。2007—2008年，根據環保要求，該電廠4臺爐相繼進行了脫硝改造，經過詳細的經濟、技術比較，最終選用尿素熱解SCR工藝。設備安裝見圖3。

圖3 在安裝過程中的尿素熱解爐

尿素熱解系統按照每臺爐氨需量160kg/h來設計，并留有10%的裕量，100%尿素消耗量為296kg/h，熱解爐尺寸為：Φ2.3m ×12.5m，采用燃燒輕質柴油加熱器做為熱源，燃油耗量107kg/h，稀釋水用量296kg/h，霧化壓縮空氣耗量120Nm3/h。第一臺爐的脫硝系統2007年5月投入運行，驗收合格，達到 83%的脫硝效率，尿素熱解系統運行安全穩定。2008年機組小修時，檢查發現在尿素熱解爐下部靠近爐壁部分有沉積物，沉積物較為堅硬，有氣孔，成蜂窩狀，經檢驗為尿素結晶。經技術人員對現場運行情況進行了解后，發現尿素熱解系統用溶解水為冷卻水，品質稍差；壓縮空氣為雜用空氣。

檢修后，更換了霧化空氣的供氣來源，將原有雜用空氣更換為儀用空氣，并定期檢查壓縮空氣系統的運行狀況，及時維護，保證系統的清潔和暢通。經過實際使用情況表明，此方法可以有效地解決熱解爐尾部管道沉積物堵塞的問題。

8 結語

由于尿素在熱解制氨的過程中，稍有偏差便容易形成結晶，嚴重時還會發生管路堵塞、系統氨氣供應量不足等情況。但通過近十幾年多個應用項目的反饋情況來看，尚未發生過由于尿素結晶嚴重而影響熱解系統運行的情況，而且只要在系統設計、流場控制、設備選型、工藝水和壓縮空氣品質要求等多個方面進行優化與選擇，就可以有效防止和控制尿素結晶的現象。尿素熱解制氨系統是一種安全有效的氨氣來源，能夠保證SCR系統長期安全穩定運行的需要，因此必將得到越來越廣泛的應用。

參考資料：

[1]GB13323—2011.火電廠大氣污染物排放標準[S].

[2]張強.燃煤電站SCR煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]杜成章，劉誠.尿素熱解和水解技術在鍋爐煙氣脫硝工程中的應用[J].華北電力技術，2010，（6）.

[4]趙冬賢，劉紹培，吳曉峰，孟德潤.尿素熱解制氨技術在SCR脫硝中的應用[J].熱力發電，2009，38（8）.

[5]汪建光.燃煤電站SCR脫硝技術中尿素熱解和水解制氨技術對比[J].環保技術，2008，（4）.

Prevention and Countermeasures on Urea Crystal of SCR Urea Pyrolysis System

PEI Qing-chun, ZHANG Xin-wei
(Beijing Fuel Tech Environmental Technologies Co., Ltd, Beijing 100101, China)

The article analyzes the reason of urea crystal in SCR urea pyrolysis system and makes optimization and selection of quality demand on system design, flowing field control, equipment selection, craftwork liquid and compress air so as to prevent effectively the phenomena on urea crystal in pyrolysis furnace and provide pertinence countermeasures.

urea pyrolysis; urea crystal; selective, catalyzing and deoxidizing technology; prevention and countermeasure

X773

A

1006-5377（2012）04-0049-04