尿素水解工藝及其在燃煤電廠的應用

屈曉凡　，趙偉俊　，李紫龍，聶　華（中電投遠達環保工程有限公司，重慶　401122）

尿素水解工藝及其在燃煤電廠的應用

屈曉凡，趙偉俊，李紫龍，聶華
（中電投遠達環保工程有限公司，重慶401122）

摘要：隨著國家對燃煤電廠NOX排放要求的日趨嚴格，選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術在國內大規模應用。SCR煙氣脫硝常用的還原劑是液氨、氨水和尿素，出于安全性和實用性的考慮，近年來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、運行情況及其在燃煤電廠的應用。

關鍵詞：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減排工作被納入國家大氣污染物總量減排的重點任務，截至2014年底，已投運燃煤電廠煙氣脫硝機組容量約6.87億千瓦，占全國火電機組容量的75.0%。由于我國煤質復雜、煙氣中NOx含量高，因此技術成熟、運行穩定且具有較高脫硝效率的選擇性催化還原SCR技術在國內得到了極大推廣[1,2]。

SCR煙氣脫硝是通過催化劑（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轉化成對環境無害的氮氣和水[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，運輸成本高，其中的金屬離子對催化劑的壽命有一定影響，因此較少在燃煤電站的SCR工程中應用；液氨有毒性且易燃，儲存量超過10t即成為重大危險源，其運輸和儲存均有嚴格要求，審批的難度也越來越大[4]。尿素是NH3的理想來源，對人和環境均無害，運輸和儲存都不需要特殊程序。近年來隨著國家對安全生產要求的提高，各大發電集團電廠的脫硝改造技術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熱解和尿素水解兩種工藝。尿素熱解制氨是利用高溫氣體將尿素分解，該工藝的尿素利用率較低，單臺1000 MW機組電加熱器的功率在1000kW以上，運行成本高，經濟性較差[3]。與尿素熱解工藝相比，尿素水解效率高，耗能低，運行成本低，近年來逐步在燃煤電廠SCR煙氣脫硝領域得到推廣。

2　尿素水解技術簡介

2.1技術原理

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

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

2.2工藝流程

袋裝尿素通過卡車輸送到尿素儲存間存放，通過電動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入溶解罐。加入除鹽水配制成質量濃度為40-60%尿素溶液，通過尿素溶液循環泵輸送到尿素溶液儲罐。儲罐中的尿素溶液經由輸送泵進入水解反應器，飽和蒸汽通過U型盤管間接加熱水解器內的尿素溶液，尿素溶液分解產生NH3、CO2和水蒸氣，從水解器排出的混合氣進入氨氣—煙氣混合系統，并由氨噴射系統噴入SCR脫硝系統。水解器的壓力和溫度由蒸汽供應量控制，供給泵的流量控制水解器的液位。

2.3尿素水解工藝運行中出現的問題

尿素在水解反應會產生一些中間產物（如氨基甲酸銨等），氨基甲酸銨會破壞不銹鋼表面的氧化薄膜，當溫度超過190℃時，一般的不銹鋼材料腐蝕嚴重。因此尿素水解器的材質一般采用316L，反應溫度不超過160℃。

尿素溶液會產生由凝結的尿素和分解副產物縮二脲組成的沉積物。當溫度超過133℃，高活性的中間產物HNCO就會和尿素反應生成縮二脲，這是造成尿素水解系統易產生堵塞的原因之一。因此，尿素水解工藝采用的尿素溶液質量濃度一般不超過60%，并且在系統停車時要對管路進行清洗，以防當溫度升高時會造成管路堵塞。

尿素中的雜質、去離子水中的雜質（如鈣）和其它溶解固體物會聚積在水解器內，必須定期排污。排污的頻率根據尿素和去離子水的純度而定，若使用工業級尿素，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用

目前，尿素水解制氨工藝已在國電青山電廠、國電宣威電廠、新鄉豫新電廠等多個機組得到應用。以新鄉豫新電廠SCR煙氣脫硝項目為例，2臺鍋爐（2×330MW）的脫硝裝置共用一個還原劑儲存、制備及供應區域，按照85%脫硝效率設計，水解反應器尿素進料濃度范圍40-60%，單臺尿素水解器最大產氨量為240kg/h，滿足一臺鍋爐0-115%BMCR氨耗量，單臺水解反應器電耗量為15kW，蒸汽耗量為1.5 t/h。

4　結論及建議

尿素水解工藝與尿素熱解工藝相比，具有能耗低、尿素分解率高、運行成本低等優點，逐漸在我國燃煤電廠SCR煙氣脫硝工程中得到應用，但系統自動化水平還不高，今后可進行尿素溶解系統的小型化、撬裝化、自動化設計及多樣化布置的研究，以減少系統的維護量和勞動強度，降低設備和建設成本，使尿素水解工藝具有更大的應用空間。通過對尿素水解裝置的技術優化，尿素水解工藝定會以其安全性、運行經濟性等優點在燃煤電廠SCR煙氣脫硝領域得到迅速推廣。

參考文獻：

[1] 侯祥松,常東武,張海.循環灰對NH3氧化反應影響的實驗研究[J].中國電機工程學報,2008,28(5):57-62.

[2] 陳海彩,張軍,沈樂,李煥新,李明,李惠萍.火電廠尿素熱解和水解工藝研究.電力科學與工程,2014,30(6):16-19.

[3] 姚宣,沈濱,鄭鵬,鄭偉.煙氣脫硝用尿素水解裝置性能分析.中國電機工程學報,2013,33(14):38-43.

[4] 惠潤堂,韋飛,閆世平,劉曙東,楊愛勇,姜艷靚,鄭偉.國產首套尿素水解裝置在大型火電廠的工業應用及技術優化.2013,47(7):150-155.

[5] 慕國巍,嚴利貞,王時珍.氮肥工藝設計手冊[M].北京:化學工業出版社,1988:1-5.