尿素催化水解技術在中小型燃用煤粉機組的應用及推廣

張勇

摘要：當前火電廠脫硝環節中使用的尿素制氨工藝普遍采用尿素熱解普通水解技術，這兩種技術存在著能耗高、運行成本高、水解效率低等問題。本文基于當前尿素制氨環節的痛點，深入研究了尿素催化水解制氨工藝，闡述尿素水解系統的優點，根據某電廠350MW機組實例，對其應用尿素水解系統進行節水，并對應用后運行效果、試驗數據及計算結果進行統計分析，得出尿素水解系統對中小型燃煤機組具有廣闊的推廣應用前景。

關鍵詞：尿素水解系統;節能應用;可行性及性能保證

中圖分類號：TQ319 ?文獻標識碼：A

0引言

隨著近年來環保形勢越來越嚴峻，SCR脫硝技術已經成為電廠主流脫硝技術，其還原劑NH3的來源有三種：液氨、氨水和尿素。由于液氨是危險化學品，隨著國家對安全的日益重視，逐漸出臺一系列相關的限制措施，使得電廠在用液氨時會在審批、工期、占地等諸多方面受到越來越多的制約，投運后通過環保驗收的程序也較為繁瑣;氨水也因為其運行成本居高不下而受到應用的局限。作為無危險的制氨原料，尿素具有與液氨相同的脫硝性能，是綠色肥料、無毒性，使用完全，因而沒有法規限制，并且便于運輸、儲存和使用。目前在國內SCR脫硝采用尿素為還原劑已經成為一種趨勢，并逐漸成為主流，尤其是在一些重點區域和離居民區較近的城市電廠，已有了越來越多的應用。

而尿素制氨工藝中，目前在300MW及以下的中小機組比較成型的是尿素熱解工藝，熱解制氨工藝其主要缺點就是能耗高，副產物多，運行成本高。隨著尿素水解技術的不斷成熟，熱解終將被水解制氨技術所取代。但傳統水解技術也存在一定弊端，初始投資大，氨氣產生慢，反應器體積龐大，造成其在中小機組難以普及，這就逐漸催生出尿素催化水解技術。

1尿素催化水解制氨工藝介紹

1.1 反應原理

低能耗尿素催化水解技術是在尿素普通水解和熱解技術的基礎上，提出的一種新型尿素制氨技術。其基本原理是將尿素顆粒運至電廠以后氣力輸送至儲倉，利用融溶或加蒸汽的方式配制出指定濃度（40-100%，一般為50%）的尿素溶液，再利用尿素供給泵輸送至水解反應器。反應器中裝有固定量的催化劑，主要成分包括NH4H2PO4（MAP）及（NH4）2HPO4（DAP）兩種成分，都是很常見的化工用品，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155℃，壓力0.8Mpa的狀況下，可控制出口氣體組分，一般的NH3濃度約為30%。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，可較傳統水解法的30-60min提高約30倍。

尿素的水解反應為吸熱反應。為了使反應速率恒定，尿素、水和熱量都必須按照正確的比例供給水解器。水解器中裝有固定量的催化劑，催化劑在水解器內可循環使用，在每次大修時更換即可。催化劑的主要作用是通過改變反應路徑，從而大大加快反應速率，降低響應時間。催化水解工藝使用的反應器充分考慮了尿素中雜質的排除問題，在雜質累計到一定程度后可手動將其從反應器中排出，因此對于尿素的品質沒有特殊要求。

1.2 工藝流程簡介

袋裝尿素人工拆包采用斗提機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水解器中，在溫度135-160℃、壓力0.4-0.9MPa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。

1.3 尿素催化水解技術優勢

使用低能耗尿素催化水解技術改造后不僅能夠降低成本，還具有以下優勢：

（1）提高脫硝系統的可靠性：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），經測試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），與理論相當。

（2）提高系統的響應速率，優化脫硝系統指標：尿素熱解系統需要通過增加尿素溶液來實現氨氣量的增加，且傳熱滯后，沒有蓄熱，也不允許尿素溶液量快速變化，因此，氨氣響應速度達3-4分鐘，而水解系統可以直接對氨氣量進行調節和控制，此外尿素催化水解技術增加了催化劑，大大加快了反應速度，氨氣量的響應速度達到滿負荷的13%/min，能夠大幅度提高NOx控制的精度，優化指標。

2應用尿素催化水解制氨工藝的實施方案

2.1 系統布置

根據尿素催化水解系統各管道、設備內流動的介質參數不同，將整個系統分為反應系統、供給系統、氨空混合系統、排污系統、除鹽水系統、催化劑給料系統、反吹系統等。

2.1.1 反應系統

水解器是尿素水解系統的主要設備，用于尿素水解產生氨氣。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水解器中，在溫度135-160℃、壓力0.4-0.9MPa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。

設計雙氣室尿素催化水解反應器，主氣室用于反應加熱，小氣室用于表面排污，實現了良好的表面排污及排污的二次分解，提高了尿素利用率，減少了排污損失，水解器中設有加熱盤管，以保證反應區域的溫度。加熱盤管中的加熱介質是爐后母管的高溫過熱蒸汽減溫減壓至170℃、0.7MPa的飽和蒸汽，加熱后形成的170℃、0.7MPa的飽和水通過疏水管道進入疏水擴容器。疏水管道上設置疏水器、旁路手動門等閥門。

水解器上設有催化劑進入口，催化劑通過高壓泵加入水解器中，催化劑在水解器內可循環使用，排污過程中排掉的尿素和催化劑排入到尿素-催化劑箱經過藍式過濾器過濾后重新回到水解反應器，重復利用。

水解器底部設有尿素溶解進入口，與尿素溶液系統相連，該進口亦為水解器初始進水口。此外，當系統故障或停機時，需用除鹽水清洗水解器，可用高壓泵通過該進口將除鹽水打入水解器中。該進口管道上設置壓力傳感器、氣動球閥、逆止閥及手動閥等。

水解器上設置排污口分別與廢水箱和尿素-催化劑箱連接，泄壓口與廢水箱連接，水解器上設有兩個雷達液位測量計和三個溫度傳感器，用于測量水解器中的尿素溶液的液位和溫度。

2.1.2 供給系統

尿素供給系統主要用于向水解器提供50%的尿素溶液。為了能根據脫硝需要NH3的量控制供給尿素溶液的流量，設置了質量流量控制系統，此外在尿素溶液進入水解器的管道上設置相應的電動門、氣動關斷球閥、氣動調節閥、逆止閥門及壓力傳感器。

蒸汽供給系統為水解器提供反應所需的熱量。蒸汽由電廠的爐后母管供給，通過減溫系統減溫減壓至170℃、0.7MPa的飽和蒸汽，此后，分為兩路，一路送入水解器的加熱盤管中，用于加熱反應區。進入加熱盤管的管道上需要設置壓力傳感器、溫度傳感器、氣動球閥、氣動調節閥、手動閥及相應的閥門;另一路用于沖洗尿素溶液、氨氣和排污管道，防止管道堵塞。

2.1.3 安全和排污系統

安全和排污系統主要是由一級排污管線、二級排污管錢、三級排污管線和手動排污管線組成。一級排污管線和手動排污管線與水解器底部的排污口相連，用于日常系統排渣這是由于尿素中含有雜質，當雜質積累到一定程度，需要進行排污。此外，設備出現故障及停機時，需要進行沖洗排污，也使用這兩個排污管道.一般情況下，用一級排污管線自動排污，當一級排污出現故障時，使用手動排污。排污廢水均排入尿素-催化劑箱。一級排污管道上設置了相應的氣動球閥、逆止閥、其他閥門及壓力傳感器，手動排污管道上設置了手動閥和其他閥門。

當水解器壓力大于1.2MPa時，二級排污管道動作，進行泄壓排污，保護水解器。當經過二級排污后，水解器的壓力還在繼續加大，當壓力達到1.9MPa時，三級排污管道動作。二級排污管道上設置了氣動球閥、逆止閥、壓力傳感器等，三級排污管道上設置了安全閥和壓力傳感器。兩排污管道均與廢水箱連接。

2.1.4 廢水處理系統

廢水處理系統主要是除掉細沙顆粒物，處理后的溶液循環使用，達到零排放的目的。

尿素水解正常運行時，需要在線排污，將水解反應器排污管道分兩個支路，一路進廢液-催化劑箱，一路進廢水箱。廢液-催化劑箱有兩個作用，一是：系統開車時用來溶解催化劑，將催化劑通過藍式過濾器，催化劑泵注入水解反應器;一是：正常運行排污時，將排污液排入廢液-催化劑箱，廢液-催化劑箱中的液位最高不超高廢液-催化劑箱高度的80%，開始將廢液-催化劑箱中的排污液經過藍式過濾器過濾，濾液由催化劑泵注入水解反應器，進行循環使用，達到零排放的目的。

設備停機時，將水解反應器剩余的的尿素和催化劑混合溶液注入廢液-催化劑箱。下次啟動時重新注入到尿素水解反應器，將脫鹽水清洗液注入廢水箱，由廢水泵將脫鹽水清洗液注入到尿素溶解區，用于溶解干尿素，脫鹽水清洗液循環使用，達到零排放的目的。

2.1.5 除鹽水系統

除鹽水供給系統分為三個支路：一路為用于水解器尿素溶液的稀釋;一路用于廢水箱稀釋;一路用于催化劑溶解箱的沖洗。除鹽水由電廠提供，其水質要求為：SiO2≤ 20μg/L、Hardness～0μg/L、Conductivity（25DegC）≤ 0.40μS/cm，溫度為30℃，壓力為0.25MPa。

2.2 應用情況

某電廠150MW燃用煤粉機組實際改造應用，尿素催化水解系統性能評估期間，熱解與水解系統各測量系統運行正常，負荷及NOx基本接近，尿素溶液濃度均為50%（wt）。改造后應用性能如下：

（1）尿素催化水解系統對尿素溶液的平均水解率為99.46%，達到較高水平。

（2）平均脫除1kgNOx，熱解系統平均需要1.65kg尿素，尿素催化水解系統需要0.99kg尿素，尿素催化水解系統比熱解系統節省40%尿素;熱解系統需要3.94kwh電量，尿素催化水解系統需要2.12kg蒸汽量和0.35kwh電量，經核算，尿素催化水解系統較熱解系統節省成本60%

3結語

可見，尿素催化水解技術在中小型機組中能夠良好應用，能夠滿足快速變負荷過程中脫硝的合格率，控制氮氧化物穩定排放，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的要求，能夠實現節能與降低成本，因此尿素催化水解技術在中小型機組中是有推廣意義的。

參考文獻

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