電站尿素熱解和水解制氨工藝研究

趙瑞敏

摘 要：本文對脫硝還原劑的選擇進行了比較，從目前的環保政策和安全性的考慮，本文重點論述了尿素熱解工藝和尿素水解工藝，并對兩種工藝做了技術性和經濟性的比較。

關鍵詞：SCR煙氣脫硝；還原劑；尿素熱解；尿素水解

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.177

0 前言

國內某2×1000MW超超臨界機組工程，鍋爐采用超超臨界參數一次再熱鍋爐，BMCR蒸發量2×3182 t/h，鍋爐采用低氮燃燒器，控制鍋爐出口煙氣中NOx濃度小于180mg/Nm3，脫硝工藝采用選擇性催化還原法（SCR），脫硝裝置入口NOx濃度按300mg/Nm3設計，脫硝催化劑按2+1層配置，脫硝效率按87%考慮。本文對尿素熱解工藝和尿素水解工藝從技術、經濟性兩方面進行分析比較。

1 煙氣脫硝還原劑

脫硝用還原劑一般有液氨、氨水和尿素三種。

（1）通過分解尿素來制取氨氣的工藝為尿素制氨工藝。尿素制取氨氣有兩種工藝：熱解工藝和水解工藝。熱解工藝是直接快速加熱霧化后的尿素溶液進行分解。水解工藝是將尿素以水溶液的形式加以分解。目前熱解工藝和水解工藝均有較多應用。

（2）液氨制氨工藝：是通過蒸汽加熱直接把液態氨轉化成氨氣。

（3）氨水制氨工藝：是通過加熱裝置將質量濃度25%的氨水溶液蒸發，產生氨氣和水蒸汽。

三種還原劑制同等量氨時的耗量關系為：

液氨∶氨水（25%濃度）：尿素=1∶4∶1.83。

三種工藝比較見表1。

上述三種還原劑制氨工藝：液氨方案投資和運行成本最低，但其通常是危險源，對安全性要求非常高。氨水方案通常在有較為便宜的來源或作為化工廢棄物綜合利用時考慮，且其需要消耗大量熱能用來蒸發其中的水。尿素制氨的方法最安全，但其投資和運行費用較高。目前有運行業績的煙氣脫硝的還原劑主要為液氨和尿素。隨著相關部門對安全性不斷的重視，本文重點對兩種尿素制氨工藝進行論述。

2 尿素熱解技術

尿素熱解技術是將尿素溶液噴入高溫熱解爐內，在熱解爐內熱空氣作用下完成熱解產生氨氣和二氧化碳。熱解爐的熱源可電加熱器或高溫煙氣加熱空氣的形式導入。整個工藝過程需要監測壓力、流量及溫度以滿足SCR脫硝裝置的要求，其中NH3的濃度控制在5%以下。

2.1 工藝流程

尿素熱解工藝主要包括尿素儲存及溶液制備系統、尿素溶液輸送泵、計量分配裝置、尿素熱解爐及噴槍、控制系統等。

袋裝尿素顆粒儲存于尿素堆料間內，破袋后尿素顆粒與除鹽水一同送入尿素溶解箱內，配置成質量濃度50%的尿素溶液，合格的尿素溶液通過混合泵送至尿素溶液儲罐。尿素溶液儲罐儲存的尿素溶液通過尿素溶液輸送泵，并經計量分配裝置送入熱解爐內，與被加熱到600℃以上的空氣混合熱解，生成NH3、H2O和CO2。

熱解工藝尿素制氨需要一定的熱源，通常做法是將鍋爐空氣預熱器溫度約300℃的熱一次風，再通過電加熱器加熱到550℃～600℃。這種方式能源消耗大，長期運行不經濟。而采用爐內氣氣換熱器能很好的解決熱解加熱的方式，同時降低電耗，是一種比較節能的熱解方案。

2.2 氣氣換熱器方案

常規的尿素熱解技術采用電加熱器方案，系統能耗過大、運行成本較高。百萬機組單臺電加熱器功率約1200kW，如按電價0.35元、年利用5000小時計，則兩臺機組年運行費用將高達420萬元。

為進一步節能減排，滿足市場需求，尿素熱解氣氣換熱器技術方案最大限度降低了尿素熱解的能量消耗，有效降低了電廠運行成本。該技術已在國內電廠上有應用。

2.2.1 氣氣換熱器原理及工藝流程

在鍋爐的低溫過熱器或低溫再熱器區域布置氣氣換熱器管束，將鍋爐冷一次風引入管束中，高溫煙氣對流經管束的冷風進行加熱，使其離開管束時的溫度達到600～650℃尿素熱解所需要的溫度，尿素溶液在熱解反應器中被高溫空氣加熱后完全分解產生氣態NH3，并噴入脫硝反應器煙道中與煙氣混合均勻后進入SCR反應器催化劑層參與脫硝還原反應。

氣氣換熱器的工藝流程簡圖：

氣氣換熱器管束布置間距以及管壁厚度的選取考慮了煙氣沖刷可能產生的磨損，提高了換熱管的抗磨損能力，滿足氣氣換熱器高溫運行條件。

氣氣換熱器從鍋爐煙氣中吸收熱量，該熱量損失如折算為煤耗量，相當于在整個鍋爐機組煤耗量的基礎上僅增加約0.03%，煙氣量的增加也僅0.03%，這對鍋爐整體傳熱的影響非常小，幾乎可以忽略不計。

3 尿素水解技術

尿素溶液通過溶液輸送泵送到水解反應器中，通過與蒸汽熱交換將溶液加熱至反應溫度從而生成氨氣。

該工藝的主要原理是利用尿素溶液在高溫、高壓條件下（約160℃）分解，另一方面通過高壓控制水汽化，將水中殘留的氨氣等氣體解吸出來。

水解產物成分如下表水解產物成分：

注：從安全考慮，為將水解反應產生的氨氣濃度稀釋至5%體積濃度以下，水解工藝通常須設置稀釋風。

3.1 主要工藝流程

尿素水解制氨工藝主要包含：尿素儲存及溶液制備系統、尿素水解反應器撬塊、蒸汽加熱系統、計量供給系統、控制系統等。

水解工藝尿素溶液制備、儲存系統與熱解工藝相同。約40～60%濃度的尿素溶液被輸送至水解反應器內，水解反應器中設置有蒸汽盤管，通過蒸汽將尿素溶液加熱到水解反應的溫度區間。在水解反應器中嚴格控制溫度、壓力、溶液停留時間，尿素在一定條件下被分解成氨和二氧化碳。氨、二氧化碳和水蒸氣從水解反應器頂部排出，分解產物與稀釋空氣混合均勻并噴入煙氣脫硝系統。根據SCR系統對于氨的需求量，控制進入尿素水解反應器的尿素溶液流量。具體工藝流程見下圖所示：

該系統的主要缺點是腐蝕性強和管道堵塞：

尿素水解過程中可能會產生少量的氨基甲酸銨，氨基甲酸銨的腐蝕性較強，會破壞304不銹鋼表面氧化膜，使腐蝕速度加快。因此，水解反應器設備及管道通常選用316L材質。此外為避免水解反應器被腐蝕，應嚴格控制水解反應器的反應溫度。

尿素溶液受熱容易生成縮二脲及三聚氰胺等，會造成管道堵塞。因此，尿素溶液濃度建議控制在50%以下，在系統停運時要及時清洗管路。

此外，尿素水解工藝通常采用熱一次風，熱一次風理論上是不含塵的，但實際由于空預器存在漏風的原因，熱一次風都會有含塵情況，長期運行后會是噴氨格柵母管和支管等出現嚴重的堵灰現象。

4 尿素熱解工藝和水解工藝的比較

4.1 工藝比較

尿素熱解工藝與水解工藝的最大不同點是沒有在額外的壓力和溫度下液相的水解，尿素熱解沒有壓力容器中液態尿素上面的氣態氨-液態尿素界面和類氨反應劑的儲罐。其對比情況如下：

4.2 尿素熱解和水解的經濟比較

5 結論

綜上所述，尿素熱解氣氣換熱器方案初投資成本低，運行費用與尿素水解方案相當，系統簡單，故障率低，具有良好的經濟效益，可以作為尿素熱解方案中的首先方案。尿素水解方案比尿素熱解方案投資費用略高，運行費用與熱解方案相當，但其對水解反應器的性能和運行控制水平要求較高，安全性要求較高，副產物對設備管道存在腐蝕和堵塞的問題，從技術上角度比尿素熱解方案稍差一些。

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