大型燃煤機組液氨改尿素技術

文_鐘志良 福建龍凈環保股份有限公司

1 概述

液氨蒸發制取氨氣，是我國燃煤機組SCR脫硝工藝的主要還原劑來源。液氨制氨系統，因其投資低、運行維護簡單，一直是燃機組制取還原劑的主流工藝。由于液氨的存儲超過一定量時，屬于重大危險源，其設計要滿足《建筑設計防火規范》和《石油化工企業設計規范》等相關規范要求。2019年江蘇響水發生特別重大爆炸事故，損失慘重、教訓深刻。 隨后國家能源局發布《國家能源局綜合司關于切實加強電力行業危險化學品安全綜合治理工作的緊急通知》中明確指出，在運燃煤發電廠要積極開展液氨罐區重大危險源治理，加快推進尿素升級改造工作。2020年8月，國家能源再次要求，各電力企業要加強危化品技術管控，落實危化品防火防爆要求。要積極實施危化品技術改造升級工程，加快推動燃煤發電廠尿素替代液氨改造，加快推動危化品系統自動化控制和安全儀表系統升級，大力提升電力行業危化品本質安全水平。

隨著國家對安全問題的日益重視，以及一系列相關限制措施的出臺，使得電廠在使用液氨時受到了越來越多的制約。國內燃煤機組液氨區重大危險源升級改造，勢在必行。

2 尿素制氨工藝

采用尿素替代液氨的最大優勢在于，尿素不屬于危險產品，運輸和儲存安全方便，受熱分解即可制成氨氣。2011年8月，長源青山電廠2×350MW機組在國內首次采用U2A尿素水解工藝制氨。近年來，隨著尿素熱解和水解工藝國產化的不斷推進，尿素制氨工藝在國內大型燃煤機組上得到越來越廣泛的應用。

2.1 尿素熱解技術

尿素熱解工藝是將40%～50%的尿素溶液噴入分解室內，在高溫（350～650℃）條件下熱解成氨和二氧化碳。尿素熱解制氨工藝主要以美國燃料公司的Noxout Rltra燃燒加熱技術和奧地利Envigry公司的高溫空氣加熱技術為代表。

尿素顆粒加入到溶解罐，在攪拌器的作用下與除鹽水進行充分溶解。尿素溶液的質量分數一般控制在50%左右。尿素溶液通過溶解泵輸送到儲罐；儲罐內的尿素溶液經給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入高溫分解室，在550℃左右的高溫下，分解生成NH3、H2O和CO2。分解后的產物經氨噴射系統進入SCR系統。尿素熱解法制氨系統主要設備包括尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液儲罐、供液泵、計量和分配裝置、背壓控制閥、絕熱分解室、電加熱器及控制裝置等。

在高溫分解室內，尿素溶液的主要反應過程如下：

尿素熱解工藝系統對機組負荷變化的響應較快，但高溫分解需要的能耗很高，運行經濟性差，大大制約了尿素熱解的運用推廣。同時，尿素熱解對熱解設備和管道的保溫要求高。在實際運行中，若保溫不合理或伴熱不充分，極容易導致管道或閥門結晶，嚴重影響系統的正常運行。尿素溶液在熱解室內，也要有足夠的停留時間，確保尿素溶液能夠完全分解。停留時間過短,會導致未分解的尿素在熱解室的尾部形成結晶、同時尿素的利用率低。

2.2 尿素水解技術

尿素水解工藝是將50%左右濃度的尿素溶液，在一定的溫度、壓力條件下，通過水解器的作用，分解為水、氨氣和二氧化碳。尿素水解主要以意大利Siirtec Nigi公司的Ammogen工藝和美國Wahlco公司及Hamon公司的U2A工藝為代表。2012年尿素水解工藝在國電金堂電廠成功應用，標志我國尿素水解系統全面國產化。實踐證明，國產尿素水解工藝運行狀態穩定，還原劑制備效果良好，但存在結晶的問題需要注意。

尿素顆粒加入到溶解罐，用除鹽水將其溶解成質量分數為50%左右的尿素溶液，通過溶解泵輸送到儲罐。儲罐內的尿素溶液經給料泵進入尿素水解反應器。水解反應器中產生出來的含氨混合氣流首先進入計量模塊，經與熱風稀釋后進入煙道。尿素水解制氨系統主要設備有尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液儲罐、尿素溶液給料泵及尿素水解制氨模塊等。水解反應器為管式換熱器，反應所需熱量由管內蒸汽提供。

水解器是尿素水解器系統的核心設備。水解反應器內的尿素溶液氣液兩相平衡體系的壓力約為0.5～0.6MPa，溫度約為120～155℃。對于50%的尿素溶液進料情況下，水解反應器中產生出來的含氨氣流約包含37.5%的氨氣、18.7%的二氧化碳和43.8%的水蒸氣。

尿素水解系統主要的反應式為：

該反應是尿素生產的逆反應。通常溫度大于110℃時，反應向正向進行；溫度小于110℃時，反應向逆向進行。反應速率是溫度和濃度的函數，反應所需熱量可由電廠輔助蒸汽或電加熱提供。

在普通的尿素水解系統內，添加一些磷酸銨鹽類催化劑，可降低尿素水解反應所需活化能，保證尿素在溫度130～160℃、壓力約 0.45～0.6MPa下進行水解反應。與普通水解相比，催化水解采用催化劑，理論上可以降低反應活化能，提高反應速率常數，系統響應速度相比普通水解較快；由于反應速度的加快，催化水解工藝的控制響應時間也大大縮短，當系統對NH3需求量有變化時，催化水解工藝可快速調整NH3輸出量。同時由于催化水解具有較快的反應速度，理論上水解器需要的緩沖空間較小，反應器體積較小。

在實際生產中，催化水解與普通水解的水解器都是撬塊化生產，催化水解雖然擁有較快的響應速度，但在實際運行中，由于普通水解器可以通過較大的緩沖空間，彌補響應速度不足來滿足機組快速變負荷過程中脫硝系統對制氨的要求。兩種工藝在實際運行中差異不明顯。

3 工程案例

2019年10月，華夏電力4×300MW機組脫硝還原劑制備系統液氨改尿素水解項目順利投運，各項技術指標均達到設計要求。

本項目改造范圍包括尿素存儲、輸送系統、尿素溶解、尿素溶液存儲系統、尿素水解系統、廢水系統、氨計量系統、稀釋風系統、氨噴射系統、伴熱系統。華夏電力全廠4臺爐脫硝裝置的總尿素消耗量約為716.4kg/h，水解器采用普通水解工藝，按二用一備設置，單臺尿素水解反應器制氨設計能力應不低于240kg/h,水解反應器采用撬裝模塊化供貨，撬裝模塊需要集成與水解器本體相連的所有閥門、管道、儀表及電伴熱控制系統等。每臺水解器能夠給四臺機組供氨，每臺水解器能夠可靠隔離；每個尿素溶液儲罐能夠給任意一臺水解器提供尿素溶液，每個尿素溶液儲罐能夠可靠隔離。

通過運行數據顯示，只要水解系統的各設備參數選型合理，尿素水解系統可以很好的適應鍋爐SCR脫硝系統的制氨要求。運行穩定、可靠。

對于尿素水解系統，腐蝕和結晶是運行中兩個主要的問題。

尿素在水解過程中會產生氨基甲酸銨等酸性物質，氨基甲酸銨會破壞不銹鋼表面的氧化薄膜,使管道的腐蝕速度加快,當溫度超過190℃時,一般的不銹鋼材料會遭受嚴重腐蝕。當溫度超過133℃高活性的中間產物HNCO就會和尿素反應生成縮二脲,這是造成尿素水解系統易產生堵塞的原因之一。

為保障尿素水解系統的穩定運行，管道系統的伴熱和保溫設計、施工，尤其重要。不合理的伴熱和保溫會導致系統內閥門、管道、儀表等設備嚴重結晶堵塞，影響系統的正常運行。同時，在尿素水解過程中產生酸性物質會對設備造成腐蝕,而水解反應器溫度較高,因此更易受到腐蝕而造成泄漏現象,再加上水解反應器中壓力較高,在運行過程中存在極大的安全隱患。運行過程中要加強對水解器的監控。

4 結語

SCR脫硝還原劑中液氨屬于危險品，液氨在運輸、貯存和使用過程中存在安全隱患。根據日趨嚴格的安全、環保形勢要求，電廠進行液氨改尿素是必然趨勢。

尿素熱解系統和水解系統都能夠提供穩定、安全、可靠的氨氣供應。但相對于尿素水解系統而言，尿素熱解系統總體能耗大，適應鍋爐負荷變化靈活性較差。

尿素水解系統能耗低、適應性強、穩定可靠，能在電力行業廣泛運用。隨著技術不斷的改進和創新,尿素水解制氨技術的運行費用將更低,尿素水解技術也將更完善。