火電廠脫硝的尿素制氨技術(shù)概述

朱 沖，耿桂淦，騰建軍，宋正華

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

火電廠脫硝的尿素制氨技術(shù)概述

朱 沖，耿桂淦，騰建軍，宋正華

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

選擇性催化還原法（簡(jiǎn)稱(chēng)SCR）脫硝用還原劑氨氣的制備原料主要有液氨、氨水及尿素三種。由于液氨工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)輸、投資、運(yùn)行成本較低，在目前的工程中已廣泛應(yīng)用，但存在的缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的安全性要求較高。根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB18218—2009），液氨儲(chǔ)量超過(guò)10噸視為重大危險(xiǎn)源，因此，某些特殊地區(qū)（如北京、廣州等地）要求還原劑制備系統(tǒng)采用安全性要求較低的尿素工藝。尿素工藝又分為熱解法和水解法制氨，本文分別說(shuō)明了兩種工藝的技術(shù)原理、工藝流程。

SCR脫硝;尿素;熱解;水解;熱解爐

1 前言

NOx是主要的大氣污染物之一，直接或間接影響大氣環(huán)境質(zhì)量，如光化學(xué)煙霧、大氣酸沉降、平流層臭氧損耗等，此外，氮沉降量的增加會(huì)導(dǎo)致地表水的富營(yíng)養(yǎng)化和陸地、濕地、地下水系的酸化和毒化，從而對(duì)陸地和水生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，最終對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生不利影響。

2 火電廠脫硝還原劑的選擇

火電廠是NOx等大氣污染物排放的主要來(lái)源。根據(jù)中國(guó)工程院的研究，我國(guó)的環(huán)境容量中氮氧化物為1200噸。以2009年的排放數(shù)據(jù)來(lái)看，僅電力行業(yè)就已經(jīng)排放了1400噸氮氧化物，并且排放量還在持續(xù)增加。為了控制大氣NOx污染，環(huán)保部要求以火電行業(yè)為重點(diǎn)，開(kāi)展工業(yè)氮氧化物污染防治。在京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)，新建火電廠必須同步建設(shè)脫硝裝置，2015年底前，現(xiàn)役機(jī)組全部完成脫硝改造。新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》增加的4個(gè)強(qiáng)制性污染物排放指標(biāo)就包括氮氧化物。我國(guó)火電廠NOx排放控制尚處于起步階段，依靠低氮燃燒技術(shù)控制NOx排放仍不能滿(mǎn)足要求時(shí)，則需要實(shí)施煙氣脫硝。煙氣脫硝技術(shù)中脫硝效率最高、最為成熟的是選擇性催化還原法（SCR），就是將煙氣中的NOx在催化劑的作用下，與還原劑發(fā)生反應(yīng)并生成無(wú)毒無(wú)污染的氮?dú)夂退Ｃ撓踹€原劑主要有液氨、氨水和尿素，其中液氨作為還原劑存在有一定的危險(xiǎn)性，國(guó)外使用較少。氨屬化學(xué)危險(xiǎn)品分類(lèi)中的2、3類(lèi)，在職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)為IV（輕度危害），為可燃、易爆、有毒物質(zhì)。在國(guó)內(nèi)，根據(jù)《重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》的規(guī)定，氨的使用量若超過(guò)40噸，就成為重大危險(xiǎn)源。

尿素是氨的理想來(lái)源，它是一種穩(wěn)定、無(wú)毒的固體物料，對(duì)人和環(huán)境均無(wú)害，可以被散裝運(yùn)輸并長(zhǎng)期儲(chǔ)存。它不需要運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面的特殊程序，它的使用不會(huì)對(duì)人體和周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不良影響，安全成本低。近期在美國(guó)市場(chǎng)中，尿素作為液氨與氨水的替代產(chǎn)品越來(lái)越多地用于煙氣脫硝工程中。尿素也可以同時(shí)脫硫和脫硝。二氧化硫與尿素反應(yīng)生成硫酸銨，凈化后的煙氣可直接排放，硫酸銨可作為化肥出售，尿素衍生物和脫硫脫硝所用氨氣也可以聯(lián)產(chǎn)三聚氰酸。此運(yùn)行模式占地面積小，無(wú)二次污染，產(chǎn)物可以綜合利用，脫硫和脫硝投資運(yùn)行費(fèi)用低，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展理念。三種不同還原劑的技術(shù)比較見(jiàn)下表。

SCR還原劑尿素、氨水與液氨的技術(shù)比較表

3 尿素制氨基本工藝

尿素制氨有熱解工藝和水解工藝。目前國(guó)際上應(yīng)用的尿素?zé)峤饧夹g(shù)是由美國(guó)Fuel Tech公司設(shè)計(jì)的NOxOUT ULTRA（r）尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)，水解技術(shù)在1999年才開(kāi)始運(yùn)用在國(guó)外鍋爐煙氣脫硝工程，目前這樣的技術(shù)主要有AOD法、U2A法及SafeDeNOx法三種。以下將分別對(duì)這兩種工藝進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 尿素?zé)峤庵瓢惫に嚱榻B

尿素的分子式為CO(NH2)2，亦稱(chēng)脲，分子量為60.06，無(wú)色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體，工業(yè)或農(nóng)業(yè)品為白色略帶微紅色固體顆粒，無(wú)臭無(wú)味，密度1.335g/cm3，熔點(diǎn)132.7℃，溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微堿性，可與酸作用生成鹽。對(duì)熱不穩(wěn)定，加熱至150℃～160℃將脫氨成縮二脲，若迅速加熱將完全分解為氨氣和二氧化碳。

3.1.1 尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)

如圖1所示，尿素顆粒儲(chǔ)存于儲(chǔ)倉(cāng)，由稱(chēng)重給料機(jī)（或計(jì)量罐）輸送到溶解罐里，用去離子水將固體尿素溶解成40%～55%的尿素溶液（需要外部加熱，溶液溫度保持在高于結(jié)晶溫度5℃），通過(guò)尿素溶液混合泵輸送到尿素溶液儲(chǔ)罐；尿素溶液經(jīng)由給料泵、計(jì)量與分配裝置、霧化噴嘴等進(jìn)入絕熱分解室，稀釋空氣經(jīng)加熱后也進(jìn)入分解室。霧化后的尿素液滴在絕熱分解室內(nèi)分解，生成的分解產(chǎn)物為氨氣和二氧化碳，分解產(chǎn)物經(jīng)由氨噴射系統(tǒng)進(jìn)入脫硝煙道。熱解室利用柴油作為熱源或者由電加熱器加熱來(lái)自鍋爐的一次風(fēng)，來(lái)完全分解尿素。在所要求的溫度（300℃～650℃）下，熱解室提供了足夠的停留時(shí)間以確保尿素到氨的100%轉(zhuǎn)化率。熱解室的容積是依據(jù)尿素分解所需的體積來(lái)確定。熱空氣將通過(guò)燃燒器控制裝置或者電加熱器以維持適當(dāng)?shù)哪蛩胤纸鉁囟取Ｄ蛩亟?jīng)過(guò)噴射器注入到熱空氣中，尿素的添加量是由SCR反應(yīng)器的需氨量來(lái)決定，負(fù)荷跟蹤性將適應(yīng)鍋爐負(fù)荷變化要求。系統(tǒng)在熱解室出口處提供空氣/氨氣混合物。氨/空氣混合物中的氨體積含量小于5%，具體反應(yīng)式為

該工藝的主要特點(diǎn)是反應(yīng)完全、不易產(chǎn)生中間聚合物，但是需要另外的熱量加熱熱解室，需要非常良好的氣流組織形式，對(duì)控制系統(tǒng)的水平要求也高。

圖1 尿素?zé)峤夥ㄖ瓢绷鞒?/p>

3.1.2 絕熱熱解室體積

絕熱熱解室是尿素?zé)峤夤に囍兄匾脑O(shè)備之一，其提供了霧化的尿素溶液和熱空氣混合的空間，是尿素發(fā)生熱解的場(chǎng)地，絕熱熱解室體積的大小直接影響到尿素溶液熱解效率，間接影響到氨的生成率，從而影響脫硝效率。

首先根據(jù)氨氣消耗量推算出尿素的消耗量，尿素是100%分解的，尿素溶液的質(zhì)量濃度為40%～50%；根據(jù)研究，尿素液滴蒸發(fā)完成后在152℃下熱解，但是現(xiàn)在設(shè)計(jì)的熱解爐的熱風(fēng)溫度都在650℃左右，最低400℃；根據(jù)尿素溶液蒸發(fā)吸收的熱量、熱解需要的熱量來(lái)確定輸入的熱風(fēng)風(fēng)量；根據(jù)風(fēng)量來(lái)確定分解爐內(nèi)的風(fēng)速和熱解爐的直徑，根據(jù)停留時(shí)間來(lái)確定熱解爐的高度/長(zhǎng)度，一般的停留時(shí)間不小于5s，然后就可以得到熱解爐的基本體積。

熱風(fēng)的來(lái)源可以是空氣，也可以是鍋爐的二次風(fēng)，然后對(duì)來(lái)源進(jìn)行加熱。熱源可以是燃油、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐，也可以使用電加熱器。

熱解爐可以做成立式的，與熱風(fēng)爐分體而置，上小下大（空氣膨脹的原因），分解后的氣體從熱解爐的下端引出送至脫硝裝置；也可以做成與熱風(fēng)爐合體的臥式的，熱風(fēng)爐在一端，在熱風(fēng)爐后噴入尿素溶液，在熱解爐的另一端引出至SCR裝置。

3.2 尿素水解制氨工藝介紹

如圖2所示，運(yùn)輸卡車(chē)首先把尿素傾倒到一個(gè)傾卸罐里儲(chǔ)存，從傾卸罐出來(lái)的尿素進(jìn)入一個(gè)混合箱，在混合箱里干尿素和利用循環(huán)泵打入的熱水混合，在攪拌器的作用下逐漸溶解，等尿素完全溶解后，用泵把尿素溶液送入溶液儲(chǔ)罐儲(chǔ)存；從儲(chǔ)罐出來(lái)的溶液在泵的作用下經(jīng)過(guò)熱交換器吸熱加熱到反應(yīng)溫度后進(jìn)入水解槽。熱交換器的熱量來(lái)源為水解后的尿素殘液帶出的余熱，尿素溶液在水解槽內(nèi)水解，產(chǎn)生氨氣，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

圖2 水解干尿素制取氨氣流程

該工藝的主要特點(diǎn)是安全、可靠，避免了SCR系統(tǒng)直接使用液氨或氨水帶來(lái)的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和運(yùn)行中所面臨的相關(guān)安全問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題。

4 結(jié)論

由于尿素相對(duì)于液氨具有安全性，尿素分解制氨技術(shù)在國(guó)內(nèi)逐漸為更多的用戶(hù)選擇，并且由于專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的不斷應(yīng)用創(chuàng)新和技術(shù)改造，尿素?zé)峤夂退庑枰哪茉粗饾u被電廠低品質(zhì)的能源代替，尿素?zé)峤夂退獾倪\(yùn)行成本將會(huì)降低到一個(gè)更加合理的水平，其應(yīng)用會(huì)逐漸得到推廣。

[1]中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]張強(qiáng).燃煤電站SCR煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]孫克勤，鐘泰.火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]華能北京熱電有限責(zé)任公司.尿素?zé)峤夂退饧夹g(shù)在鍋爐煙氣脫硝工程中的應(yīng)用[Z].北京，2010-5-6.

[5]火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)（二次征求意見(jiàn)稿）[S].2011.

Technical Summarization on Ammonia Manufacture from De-saltpeter Urea in Power Plant

ZHU Chong, GENG Gui-gan, TENG Jian-jun, SONG Zheng-hua
(Jiangsu Kehang International Engineering Group Co., Ltd, Yancheng Jiangsu 224051, China)

The preparation materials of SCR de-saltpeter which uses reducing agent ammonia gas are liquid ammonia,ammonia and urea. Since liquid ammonia technology system is simple and the transportation, investment and operation costs are lower, so it has been applied widely in the present project, but the security demand of the system is strict. In line with《the Discrimination Standard for Major Hazardous Source of Hazardous Chemicals》（GB18218—2009）, when the reserve of liquid ammonia exceeds 10 tons, then it is regarded as a major hazardous source. Therefore, some special cities (such as Beijing, Guangzhou) demand that the preparation system of reducing agent adopts urea technology of low security demand.The urea technology use pyrogenation method and hydrolyzation method to produce ammonia. The article separately explains the tech-nical principle and technology flow of two technologies.

SCR de-saltpeter; urea; pyrogenation; hydrolyzation; pyrogenation furnace

X701

A

1006-5377（2012）10-0047-03