火力發電廠尿素催化水解制氨技術應用

黃 琳

（廣東省粵瀧發電有限責任公司，廣東羅定 527200）

0 引言

我國燃煤電站NOx的排放量隨著火電行業的發展呈不斷增長的趨勢[1-2]。近年來，我國對NOx的控制指標越來越嚴格[3]，控制NOx排放，已經成為治理大氣的必經途徑。火力發電廠脫硝所需的還原劑通常采用液氨和氨水，這兩種物資的運輸過程、儲存和使用都存在著較大的安全隱患；一旦發生泄漏事故可能會造成經濟影響、環境污染和公眾健康等方面的影響；特別是城市周邊及人口密集區的電廠面臨的安全壓力尤為突出，采用一種安全、經濟的還原劑制備方式在以上區域電廠是必經之路。

1 設備概況

羅定電廠鍋爐為東方鍋爐廠制造的DG420/13.7-Ⅱ2一次中間再熱П型布置、超高壓自然循環鍋爐，采用四角切園燃燒方式。機組于2004年投產，設計燃用無煙煤。改造前裝設煙氣脫硝SNCR+SCR（非催化還原+選擇性催化還原的耦合脫硝工藝）系統。為實現50 mg/m3的超低排放要求，對現有的SCR脫硝進行改造，由于原有脫硝系統沒有配備液氨或氨水系統，SCR所需的還原劑需要重新改造增設，現有的尿素制備系統已經有尿素的溶解、儲存等設備。

2 尿素制氨技術現狀分析

目前尿素制氨技術主要有尿素熱解、普通水解和尿素催化水解技術3種。熱解技術是利用熱空氣作為熱源，在（450～600）℃來快速分解40%～55%的尿素溶液[4]。水解技術都是先將尿素溶解制成50%左右濃度的尿素水溶液，將尿素溶液輸送到水解器，在水解器內將尿素轉化為氨氣，再將氨氣輸送給SCR系統，不同的尿素水解技術的核心及差異在于其是否添加催化劑。不同的尿素制氨工藝技術對比見表1，注：①安全性是與液氨系統相比較；②投資、能耗也是以液氨系統為基準，液氨和能耗的比為1。水解由于采用電廠較為豐富的蒸汽作為熱源，能耗較低。但普通水解技術，反應較慢需要龐大的水解器和緩沖裝置，其投資和能耗較高。

表1 尿素制氨工藝技術對比

3 尿素催化水解制氨工藝原理

3.1 化學反應原理

尿素催化水解基本原理如圖1所示，反應器中裝有固定量的催化劑，在反應器操作狀況下催化劑呈熔融狀，控制反應器在恒溫、恒壓下運行如溫度140℃，壓力0.5 MPa的狀況下，可控制出口氣體組分，一般的NH3濃度約為37.5%，液位線為水解反應器直徑的50%，加熱蒸汽參數1 MPa，180℃。催化劑的主要作用是通過改變了反應路徑，從而大大加快反應速率，反應速度較普通水解法提高約10倍以上，負荷響應速度達13%/min。

3.2 工藝流程說明

將尿素倒入尿素溶液儲罐，儲罐由蒸汽加熱維持一定的溫度保證尿素正常配制到50%濃度。配制好的尿素溶液由尿素輸送泵送至尿素溶液儲罐進行儲存。濃度約50%、溫度為50℃的尿素溶液通過高壓泵從尿素儲罐打入催化水解器中，在溫度（135～155）℃、壓力（0.4～0.55）MPa及催化劑的作用下進行水解反應生成含氨氣、二氧化碳的混合氣。混合氣中含氨濃度約37.5%（體積濃度），通過水解器上面的汽水分離器分離后，經由減壓、流量控制調節與稀釋風在氨空氣混合器混合，稀釋氨濃度至5%以下，最后進入煙道進行脫硝。

圖1 尿素催化水解基本原理

4 催化水解特點

（1）能耗低、能耗成本低。調試期間，水解系統平均每產生1 kg氨氣消耗4.12 kg參數為1 MPa，180℃的飽和蒸汽，每公斤氨氣耗能8296.9 kJ，蒸汽按電廠外銷價格每噸51元人民幣計算，則水解制氨每公斤氨氣能耗成本為0.21元人民幣；調試期間，熱解系統平均電功率為342.2 kW，平均每產生1 kg氨氣消耗電量4.4 kW·h，耗能為15 840 kJ，電價按照廠用電價格計算，為0.35元人民幣/kW·h，則熱解制氨每公斤能耗成本為1.54元人民幣；水解能耗約為熱解的52%，但是由于水解消耗的是低品位蒸汽，而熱解消耗的是高品位電能，水解能耗成本約為熱解的14%。

（2）脫硝系統的可靠性高。尿素催化水解系統制取的氨氣沒有任何中間副產物，對催化劑和機組沒有任何副作用：尿素催化水解系統產品氣理論產氨量為28.3%（wt），實際產品氣氨氣質量濃度為27.5%～29.2%，平均氨氣質量濃度為28.47%（wt）。

（3）反應速度快，提高系統的響應速率，提高脫硝系統考核指標。無催化劑的活化能 Ea（J/mol）=指前因子 A（s-1）exp（-136 34/T）η=7.746×1010exp（-136 34/T）η=1.134×105（J/mol）；加入催化劑（催化劑1）的活化能Ea（J/mol）=指前因子A（s-1）exp（-8718.5/T）η=8.847×105exp（-8718.5/T）η=0.725×105（J/mol），其中，T為溫度，η為某時刻水解率。通過對活化能Ea的比較可以看出，加入催化劑后，Ea值得到顯著降低，說明催化劑降低了尿素水解反應的閾值，使反應更加容易進行。140℃下不同配方的水解率方程和速率常數比較見表2，其中，t為時間。

表2 140℃下不同配方的水解率方程和速率常數比較

氨氣響應速度達（3～4）min，普通水解雖然能耗低，但反應慢，設備龐大，無法滿足機組變負荷的要求。增加了催化劑后的催化水解系統不只是節能，而且大大加快了反應速度，響應速度是普通水解的10倍；氨氣量的響應速度達到滿負荷。

5 結論

尿素催化水解系統為運行系統，可大大提高脫硝系統的運行可靠性。能耗低、能耗成本低、尿素利用率高，產生氨氣純度高，無中間副產物，因此，實施尿素催化水解改造工程是必要的。