脫硝尿素催化水解技術(shù)研究

高 磊

（陜西榆林能源集團楊伙盤煤電有限公司，陜西神木 719316）

電力行業(yè)發(fā)展至今，已經(jīng)有了相當?shù)囊?guī)模和先進的科學技術(shù)水平，同時為國家經(jīng)濟做出突出貢獻。燃煤和燃氣電站的煙氣必須進行脫硝處理，選擇性催化還原法（SCR）是目前世界上技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多的電廠煙氣脫硝工藝。根據(jù)反應(yīng)原理，SCR煙氣脫硝所需還原劑為氨氣。現(xiàn)有煙氣脫硝工程中還原劑（氨氣）的原料可在液氨、氨水、尿素中進行選擇，液氨和氨水都是有毒物質(zhì)，其運輸、卸料、儲存、運行、檢修等環(huán)節(jié)具有較大的安全風險，已被列為重大危險源，故現(xiàn)今電廠選用尿素作為煙氣脫硝還原劑的原材料。

1 尿素制氨工藝

尿素制氨的工藝原理是尿素水溶液在一定溫度下進行分解，生成氣體二氧化碳、氨氣、水蒸氣的混合氣，其化學反應(yīng)式為。尿素制氨工藝主要有兩種：熱解法和水解法。尿素熱解和水解工藝是在不同溫度壓力條件下進行，有著不同的化學反應(yīng)過程。水解法是將尿素以水溶液的形式加以分解，熱解法是直接將快速加熱霧化后的尿素溶液進行分解。

2 尿素催化水解工藝系統(tǒng)簡介

尿素催化水解制氨工藝主要由尿素顆粒儲存系統(tǒng)溶解輸送系統(tǒng)、尿素水解系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 尿素催化水解制氨系統(tǒng)簡圖

尿素采用袋裝50kg，總氮≥46.4%，粒徑1.18～3.35mm執(zhí)行《尿素》（GB/T 2440—2017）。尿素通過運輸車運到尿素溶液制備區(qū)后，儲存在尿素儲存間內(nèi)，在配制尿素溶液時，通過拆包破袋后送至斗提機，尿素顆粒通過斗式提升機提升到一定高度后進入尿素溶解罐。在溶解罐中，用除鹽水制成一定濃度的尿素溶液。蒸氣盤管加熱系統(tǒng)啟動，使溶液保持一定的溫度，提供尿素溶解所需的熱量，尿素溶液在配制過程中可通過開啟尿素溶液混合泵將尿素溶液進行循環(huán)攪拌，使尿素顆粒得到充分的溶解。尿素溶液在尿素溶解罐內(nèi)配制完畢后，通過尿素溶液混合泵輸送至尿素溶液儲存罐。為了防止尿素溶液因溫度過低造成結(jié)晶，尿素溶液儲存罐同樣配有加熱盤管，使尿素溶液保持一定的溫度（50～70℃）。

3 尿素催化水解系統(tǒng)

尿素催化水解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，為了使反應(yīng)速率恒定，尿素、水和熱量都必須按照正確的比例供給反應(yīng)器，使其源源不斷地產(chǎn)生氨氣。尿素催化水解制氨系統(tǒng)是將濃度約為50%、溫度為50～70℃的尿素溶液通過高壓泵從尿素儲存罐打入尿素水解反應(yīng)器中，在壓力0.4～0.9MPa、溫度135～160℃和催化劑的作用下進行水解反應(yīng)，產(chǎn)生氨氣、二氧化碳、水蒸氣混合氣。混合氣經(jīng)由減壓、流量控制調(diào)節(jié)與稀釋風在氨、空混合器中混合，將氨氣濃度稀釋至5%以下，由氨噴射裝置噴入SCR反應(yīng)器內(nèi)與煙氣中的NOX反應(yīng)。

4 尿素催化水解制氨工藝在煙氣脫硝中的應(yīng)用

4.1 尿素供應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化措施

尿素供應(yīng)采用人工拆袋、間斷供應(yīng)方式，尿素溶液儲存罐液位較高時停止供應(yīng)，液位低時拆袋供應(yīng)。工人在供應(yīng)前先將袋裝尿素集中在斗提機下料口周圍，然后拆袋，在人工投料過程中容易存在將袋繩及其他雜物掉入斗提機內(nèi)的情況。為了防止尿素溶液管道堵塞，在尿素溶液混合泵前加裝濾網(wǎng)，定期進行清理，可有效防止因尿素溶液堵塞造成系統(tǒng)停運，也可防止雜質(zhì)混入水解模塊，影響制氨效率。通常尿素供應(yīng)只有一套斗提機加注尿素的設(shè)備，當斗提機出現(xiàn)故障或檢修時，不能滿足尿素的正常供應(yīng)，故在尿素溶解罐的上部另設(shè)計一個人工加注口，在斗提機不能正常使用時可保證尿素正常供應(yīng)。

4.2 尿素溶液室外輸送管道的防凍措施

尿素制備區(qū)與尿素水解區(qū)距離約200m，陜北冬季室外最低溫度可達-28℃，為防止尿素在管道內(nèi)結(jié)晶，管道伴熱采用蒸汽伴熱和電伴熱，正常運行時用蒸汽伴熱，在蒸汽伴熱出現(xiàn)故障時采用電伴熱。伴熱的可靠性對輸送管路正常運行至關(guān)重要。

4.3 催化水解排污處理措施

尿素及催化劑含有雜質(zhì)及反應(yīng)過程中產(chǎn)生的污染物，所以需要定時清理反應(yīng)器中的固體、沉積物和其他污染物，使其保持至最小值。推薦排污時間及頻率：①反應(yīng)器廢水排污時間為2min，每周進行1次，將反應(yīng)器底部雜質(zhì)排凈；②反應(yīng)器表面排污時間為2min，每2周進行1次，將反應(yīng)器表面雜質(zhì)排凈。

根據(jù)化驗?zāi)蛩厝芤褐苽鋸U水水質(zhì)，可將尿素溶液制備廢水排至鍋爐零米煤泥水池，1周產(chǎn)生廢水約10m3，尿素溶液呈中性，不會對煤泥水系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕作用。

4.4 管道氣體置換措施

氨氣爆炸極限為15%～28%，其火災(zāi)危險性屬乙類第2項物品。對于電廠在機組初次投運脫硝供氨系統(tǒng)時，噴氨管道需先進行惰性氣體（氮氣）置換，防止管路中的氨氣濃度達到爆炸極限。當供氨管路和箱罐檢修時，也必須進行惰性氣體置換，防止由于氨氣處于極限濃度范圍內(nèi)，導致爆炸現(xiàn)象發(fā)生。緊急停運時，必須及時手動吹掃氨氣管線，以防止氨氣在管路中結(jié)晶，堵塞管路。

5 尿素催化水解制氨與尿素熱解制氨對比

尿素催化水解制氨系統(tǒng)的尿素利用率高、能耗成本低、可靠性高。通過表1可以看出，尿素熱解反應(yīng)需要的溫度較高，且熱源一般由熱一次風來提供，溫度偏低時還需要投入電加熱器使溫度達到要求；而尿素催化水解的熱源由電廠富裕的低品質(zhì)蒸汽提供，故而尿素催化水解的能耗成本較低。

表1 尿素催化水解制氨與尿素熱解制氨對比表

尿素熱解反應(yīng)方程式：CO（NH2）2（液）→CO（NH2）2（固）+H2O（氣）；CO（NH2）2→NH3↑+HNCO；HNCO+H2O→NH3↑+CO2↑，可見尿素熱解制氨需要三步來完成，且存在中間產(chǎn)物異氰酸，異氰酸需要在≥400℃的溫度下水解生成氨氣，溫度過低影響尿素利用率且對系統(tǒng)運行不利；而尿素催化水解系統(tǒng)制取氨氣沒有任何中間副產(chǎn)物，尿素利用率＞99%，對系統(tǒng)運行沒有任何副作用。

6 尿素水解反應(yīng)器合理布置及安全性評價

合理優(yōu)化氨氣管道路徑，可有效防止氨氣管道因溫降導致結(jié)晶的故障。經(jīng)綜合考慮，將尿素水解罐布置在鍋爐房零米，尿素水解后的氨氣管道布置在鍋爐房內(nèi)，可有效降低熱損失，提高氨氣管道輸送的可靠性。在尿素水解項目中，水解器制氨系統(tǒng)是集壓力容器、閥門儀表、電氣控制、鋼結(jié)構(gòu)底座、電伴熱系統(tǒng)防腐保溫為一體的整體模塊化產(chǎn)品，其壓力容器和閥門管道已在出廠前進行了全面檢測，并且其中的電機、執(zhí)行機構(gòu)和相關(guān)設(shè)備均采用防爆產(chǎn)品。水解器制氨系統(tǒng)不屬于火災(zāi)危險性較高的設(shè)備，從以下兩方面說明。

6.1 設(shè)備設(shè)計角度

水解器本身有多重安全防護，包括不限于關(guān)斷蒸汽輸入、泄放水解器內(nèi)氣相壓力、泄放水解器內(nèi)液相溶液、安全閥起跳、爆破片爆破等，以及在會產(chǎn)生泄漏的管道接口、法蘭接口均設(shè)置氨氣泄漏檢測儀，一旦檢測到氨氣泄漏聯(lián)鎖控制切斷氨氣供應(yīng)，停止繼續(xù)產(chǎn)生氨氣并將壓力容器內(nèi)的氨氣排入水解器旁的廢水箱內(nèi)融水稀釋處理。

6.2 產(chǎn)品氣成分角度

水解氣產(chǎn)品氣為尿素分解后的氨氣、二氧化碳、水蒸氣的混合氣，其中氨氣體積僅占產(chǎn)品氣的37.5%。氨氣為非易燃氣體，由于其引燃的靈敏度較小，在正常處理中很少發(fā)生易燃的情況。在溫度為651℃的條件下，如果出現(xiàn)火焰或火花，氨蒸氣將會被點燃，但僅限于空氣中氨的體積占15%～28%的范圍內(nèi)，燃燒所產(chǎn)生的熱量不足以維持繼續(xù)燃燒，因此在移除火源之后將被撲滅。

7 結(jié)束語

由于制氨原材料氨水和液氨都屬于重大危險源，存在重大安全隱患，脫硝還原劑由液氨、氨水改為尿素勢在必行。通過對尿素催化水解系統(tǒng)在運行中存在的問題進行設(shè)計優(yōu)化，采取相應(yīng)的保障措施，保證了尿素催化水解制氨系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，有效保障了電站鍋爐煙氣脫硝效率，滿足了煙氣NOx排放指標，具有較高的應(yīng)用推廣價值。