兩種尿素水解制氨技術理論分析及應用對比

花立存，吳春華，馬文杰，朱文瑜，鄭 偉

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075：2.上海電力大學環境與化學工程學院，上海 200090；3.成都銳思環保技術股份有限公司，四川 成都 610091）

自《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）發布和執行以來，國內絕大多數火電廠進行了脫硝改造，截止2017年底，全國71%的燃煤機組完成了超低排放改造[1]。目前，國內80%以上煙氣脫硝裝置還原劑采用液氨蒸發工藝制備。但液氨屬于有毒危險化學品，其運輸和儲存存在較大的安全隱患，當其儲存量超過10 t 時，即為重大危險源[2]。

國家能源局《國能函安全（2018）12 號文）》，鼓勵電廠將液氨裝置改造為更加安全的尿素裝置[3]。目前，尿素制氨技術有尿素熱解和尿素水解2 種。尿素熱解工藝由于能耗高，故障率高，逐漸被尿素水解制氨技術取代，國產尿素水解制氨技術自2012年投運以來成為了國內主流的煙氣脫硝制氨工藝[4-5]。在尿素水解制氨工藝中，有添加催化劑和不添加催化劑2 種。本文對是否添加催化劑的2 種尿素水解制氨技術，就反應速率、響應鍋爐負荷變化速度等進行對比。

1 工藝比較

尿素水解無論是否添加催化劑，其工藝流程相似（圖1[6]），其區別僅在于是否配有催化劑加藥裝置。催化劑添加在水解器定排排污后進行補充，水解器通常是每周排污1 次，同時補充催化劑。

圖1 尿素水解工藝Fig.1 Flow chart of the urea hydrolysis technology

2 種尿素水解工藝技術參數見表1[7-12]。表1中，尿素水解制氨工藝無論是否添加催化劑，其運行溫度、壓力、加熱蒸汽量、反應器體積等工藝條件都較相近。

表1 2 種尿素水解主要工藝技術參數對比Tab.1 Comparison of main technical parameters between the two urea hydrolysis technologies

2 尿素水解制氨原理及反應速率

2.1 水解制氨原理

質量分數約50%的尿素溶液經加熱，發生水解反應，生成含氨混合氣，反應方程式為[13]：

添加催化劑后化學反應方程式為[14]

An 為陰離子，即HAn 為酸。從以上反應式可以看出，酸性條件能夠促進尿素的水解。目前，國內多采用磷酸二氫銨和磷酸氫二銨作為尿素水解催化劑，在水解反應器中，其占溶液質量分數的7%～10%[15]。

2.2 反應速率

尿素水解反應的反應速率是溫度和尿素溶液濃度的函數，其速率方程為

式中：k為反應速率常數，min–1；–γA為反應速率，mol/(L·min)；CA為尿素溶液濃度，mol/L；尿素水解反應屬于1 級反應，式中n=1。k滿足阿倫尼烏斯定律：

式中：A為指前因子，min–1；E為反應活化能，kJ/mol；k0為頻率因子，lnk0=A；R為氣體摩爾常量，J/(mol·K)；T為熱力學溫度，K。

根據《尿素催化水解系統及工程應用和示范工程》，在尿素反應中，其質量分數為50%，反應溫度為135～160 ℃條件下，分別測得添加和不添加催化劑2 種情況下尿素水解反應的指前因子A和反應活化能E，結果見表2[16,5]。根據表2，計算不同溫度下的反應速率常數，結果如圖2所示。

表2 尿素水解動力學方程Tab.2 The reaction kinetics equations of urea ydrolysis

圖2 2 種尿素水解反應速率常數Fig.2 The urea hydrolysis reaction rate constants of the two technologies

由表2及圖2可知：相同溫度下，添加催化劑后，降低了的水解反應的活化能，但同時也大幅降低了指前因子，即其反應速率曲線的斜率比不添加催化劑時更小，導致其水解速率隨溫度的變化率變低；在同一反應速率下（即同一需氨負荷），添加催化劑后較不添加催化劑時水解所需反應溫度要低0～5 ℃；反應溫度越高，反應速度越快，但二者速率隨溫度變化率不一樣，二者反應速度在159 ℃時相等。

反應溫度越高，腐蝕速率越快。當溶液溫度在165 ℃以下時，腐蝕率隨溫度的變化不大；當溫度從165 ℃升到200 ℃時，腐蝕率增大3～4 倍[17-18]。對不添加催化劑的尿素水解反應器，在不同材質不同溫度下進行腐蝕試驗，結果如圖3所示。考慮到設備腐蝕性及設備大小，2 種尿素水解工藝都選擇160 ℃作為水解器最大出力的設計溫度。

由于催化劑顯酸性，當添加催化劑時，pH 值會降低[19]，這會增大反應器（316L 材質）的腐蝕。

圖3 尿素水解反應器腐蝕速率Fig.3 The corrosion rates of the urea hydrolysis reactor

3 產氨量隨機組負荷變化的響應速度

3.1 能耗

尿素水解制氨能耗主要有：加熱尿素溶液到反應溫度所需熱量、反應熱、剩余水的蒸發熱。根據蓋斯定律，化學反應的熱效應只與始態和終態有關，與反應途徑無關，無論是否添加催化劑，尿素水解制氨的反應熱均相同[20]。

當反應溫度為160 ℃時，50%的尿素溶液3.53 kg，從50 ℃加熱到160 ℃，所需的熱量為1 534 kJ；采用物質的生成焓計算反應熱為3 724 kJ[20-22]；剩余水的蒸發熱為2 600 kJ。因此，每產生1 kg 氨所需的能耗為7 858 kJ。

3.2 響應速度

水解器的產氨能力及變化率需要滿足機組負荷的變化率。不同負荷下的反應速率常數見表3。

表3 不同生產負荷下所需反應速率常數Tab.3 The reaction rate constants needed for different production loads

以300 MW機組BMCR工況下需氨量為160 kg/h為例，按水解器有效反應溶液體積為2.4 m3，換熱面積22.4 m2，傳熱系數980 W/(m2·℃)，計算負荷變化，產氨量變化所需的時間。

3.2.1 升負荷

當需氨負荷由50%提升到100%時，水解器的反應速率和反應溫度均要同步增加。其液相質量為mL=1 110×2.4=2 664 kg，按照機組負荷每分鐘5%BMCR 的變化量，計算尿素水解從50%的負荷上升到100%時，產氨負荷變化所需時間，結果見表4。

表4 升負荷時產氨負荷變化所需時間Tab.4 The time taken by the ammonia production load change during load rising

升負荷熱量平衡

傳熱總量

式中：K為傳熱系數，W/(m2·℃)；A為換熱面積，m2；ΔTm為加熱溫差（蒸汽與反應器內液相溫差），K；tmin為花費的最少時間；Q1為反應所需要的熱量；Q2為原溶液升溫所需熱量。

式中：2 226 為反應1 kg 質量分數為50%的尿素溶液所需熱量kJ；4.7=80×3.53/60，為產氨量80 kg/h時，尿素進料量。

式中：W0為原水解器中的混合溶液，kg/h；cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K)，ΔT為溫度變化（反應器尿素溶液的溫度變化），K。

從表4看出，尿素水解從50%負荷升到100%時，無論是否添加催化劑，尿素水解制氨花費時間均小于機組負荷變化所需時間10 min，能夠滿足機組負荷變化需求。

3.2.2 降負荷

機組負荷按照每分鐘5%BMCR 的速率下降，需氨量從100%降低到50%。此時，應停止蒸汽供給，靠反應消耗的熱量降低反應器的液相溫度，從而降低產氨量。降負荷時產氨負荷變化所需時間計算結果見表5。

表5 降負荷時產氨負荷變化所需時間Tab.5 The time taken by the ammonia production load change during load descending

降負荷熱量平衡

降溫放出的熱量

溶液降溫放出的熱

式中：9.4=160×3.53/60，為產氨量為160 kg/h 時，尿素進料量。

從表5可見，尿素水解產氨量從100%負荷降低到50%，無論是否添加催化劑，尿素水解制氨降負荷花費時間均小于機組負荷變化所需的時間10 min，能夠滿足降負荷變化需求。

3.3 實際運行情況

對2 種工藝的實際運行情況進行數據采集和分析，圖4、圖5分別為實際現場采集的國電成都金堂發電有限公司和華能長春熱電廠運行情況示意[23]。

圖4 不添加催化劑尿素水解制氨工藝運行情況Fig.4 The actual operation situation of ammonia production by urea hydrolysis without catalyst

由圖4和圖5可以看出，在實際運行中，無論尿素水解制氨工藝是否添加催化劑，均能完全適應機組負荷變化，對其具有很好地及時響應性能。圖4和圖5中，鍋爐負荷在50%～100%的升降變化花費時間至少需1 h。2 種尿素水解制氨工藝在負荷升、降變化區間為50%～100%時，理論計算其產氨負荷變化花費時間均在10 min 以內（表4、表5），小于鍋爐實際運行中的負荷變化時間。

圖5 添加催化劑尿素水解制氨工藝運行情況Fig.5 The actual operation situation of ammonia production by urea hydrolysis with catalyst

不添加催化劑的尿素水解制氨技術已經在國內外約300 余臺機組中成功使用，涵蓋的機組范圍包括50～1 050 MW。添加催化劑的“催化水解”工藝并未大幅降低反應條件，由于其催化劑的酸性會導致設備腐蝕性增強，同時含催化劑的廢水無相應處理手段，致使其應用受限。目前國外投運約6 套，國內約26 套。

4 結 論

1）尿素水解制氨技術無論是否添加催化劑，均能滿足脫硝系統對氨氣的需求，其反應能耗、反應條件及所需外界蒸汽參數（溫度、壓力條件）相當。

2）尿素水解制氨技術添加催化劑后，雖然降低了水解反應的活化能，但同時也大幅降低了指前因子，即其水解速率隨溫度的變化更加不敏感，導致其在跟隨機組負荷變化過程中，性能劣于不添加催化劑的方案。

3）在實際運行中，不添加催化劑尿素制氨工藝和添加催化劑尿素制氨工藝均能很好地滿足鍋爐負荷變化。目前，尿素水解制氨的國內外使用業績遠高于催化水解工藝。