尿素催化水解制氨工藝在火電廠SCR 脫硝工程中的應用

彭偉 曹東

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

2015年12月環境保護部、發展改革委、能源局印發的全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案中提出將東部地區原計劃2020年前完成的超低排放改造任務提前至2017年前總體完成，燃煤機組必須安裝高效脫硝除塵設施，以推動實施煙氣脫硝全工況運行，脫硝還原劑將被大量使用。當前火電廠SCR脫硝還原劑主要有液氨、氨水和尿素三種。脫硝還原劑的選擇和使用應綜合考慮技術、安全和經濟等因素，為規范脫硝還原劑的選擇和使用，國家、行業及部分地方政府出臺了相應規范和指導意見，對其安全、合理使用提出了要求。GB 50660—2011大中型火力發電廠設計規范提出，位于大中城市及近郊區的電廠，宜選擇尿素作為還原劑。環發［2010］10號《火電廠氮氧化物防治技術政策》通知，還原劑的選擇應綜合考慮安全、環保、經濟等多方面因素，位于人口稠密區的煙氣脫硝設施，宜選用尿素作為還原劑。

1 尿素催化水解技術原理

尿素催化水解制氨流程為:配制尿素溶液時，將儲存于尿素儲存間的袋裝尿素人工拆包，拆包后的尿素經斗提機輸送到溶解罐里，或者將尿素罐車運輸來的尿素顆粒通過氣力輸送至溶解罐里。用除鹽水將干尿素溶解成50%質量濃度的尿素溶液，通過尿素溶解泵輸送到尿素溶液儲罐。尿素溶液儲存罐里的尿素溶液利用蒸汽加熱對其進行保溫，溫度維持在40℃ ～50℃。通過尿素溶液輸送泵輸送至尿素水解反應器，水解生成NH3，H2O和CO2，分解產物與煙氣混合均勻而后噴入脫硝系統，見圖1。

圖1 尿素催化水解制氨系統示意圖

2 尿素催化水解與尿素熱解工藝對比

尿素熱解法制氨系統一般包括尿素制備間、斗提機、尿素溶劑罐和儲罐、給料泵、尿素溶液循環傳輸裝置、電加熱器、絕熱分解室(內含噴射器)、控制裝置等設備。采用螺旋給料機將儲存于儲倉的尿素顆粒輸送到溶解罐，用除鹽水將尿素顆粒溶解成質量分數約為50%的尿素溶液，再利用給料泵輸送到儲罐;將尿素溶液經由計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解器內分解，生成NH3，H2O和CO2，分解產物與稀釋空氣混合均勻產生氨氣濃度小于5%的混合氣并噴入脫硝系統。

2.1 尿素熱解法制氨產生的問題

尿素熱解爐及加熱器必須考慮熱一次風含塵對裝置的影響，并采取有效措施。電加熱器要能根據熱負荷變化自動調節加熱功率。并能保證出口溫度不高于650℃。電加熱器底部需設置清灰口，能將內部沉積的飛灰排出。

尿素熱解電加熱法考慮到電加熱片的易損特性，電加熱方式的綜合運行維護成本比煙氣換熱方式要高得多;同時由于電加熱片的易損特性導致系統可靠性下降。

如果負荷降低將導致熱風溫度較低，造成熱解爐內結晶。

2.2 尿素催化水解優勢

1)運行成本低:由于反應溫度低，尿素催化水解系統可以利用電廠低品質蒸汽作為加熱熱源，使電廠制氨運行成本大幅度降低。根據已經投運項目對比，尿素催化水解單位能耗成本僅為熱解技術的14%;

2)反應速度快:與傳統尿素水解相比，由于采用了催化手段，使水解反應速度提高10倍左右，更好地滿足電站鍋爐負荷調整及脫硝用氨量變化需求;

3)系統可靠性高:由于尿素催化水解制氨技術取消了高溫電加熱設備，避免了設備可能出現的超溫隱患，提高了煙氣脫硝系統的整體可靠性;

4)設備布置靈活:尿素催化水解系統采用蒸汽作為加熱熱源，與熱解技術相比，沒有熱風輸送距離的限制，使尿素催化水解設備可以根據現場條件靈活布置;

5)設備運行靈活性高:采用蒸汽加熱方式，使尿素制氨系統可以避免受到鍋爐運行工況的影響，實現制氨系統獨立運行，在鍋爐未達到特定工況的情況下，提前啟動制氨設備，實現制氨系統快速投用。

3 尿素普通水解和尿素催化水解制氨

1)催化水解制氨能力與氨氣需求之間的響應時間可以縮短為1min，比普通水解提高10倍以上，可以避免脫硝系統氮氧化物由于制氨系統反應滯后導致的超標問題，滿足電廠機組靈活性調峰需要。

2)尿素催化水解反應溫度比普通水解溫度降低20℃左右，能耗較普通水解能耗降低17%，從全生命周期考慮具有更好的成本優勢由于溫度低，腐蝕物質大幅度下降。

3)尿素水解工藝可能由于溫度原因產生氨基甲酸銨，氨基甲酸銨屬于強腐蝕性物質，水解反應器采用316L等材質可避免腐蝕，同時可通過控制產品氣輸送溫度避免腐蝕。

現就尿素水解、尿素催化水解技術，對其進行詳細論證。表1分析對比了這兩種SCR脫硝還原劑制備工藝。

表1 尿素普通水解和尿素催化水解制氨比較

4 工程應用

廣東某2×100 MW+2×60 MW燃煤機組采用SCR技術進行全煙氣脫硝，采用SCR技術進行全煙氣脫硝，液氨作為還原劑，入口 NOX按照 350 mg/Nm3(標干，6%O2)，出口按照 NOX≤40 mg/Nm3(標干，6%O2)設計，3層催化劑條件下在性能考核期間脫硝效率88.6%，氨逃逸不大于3 ppm，SO2/SO3轉換率不大于1%。2018年該廠4臺機組改造采用尿素催化水解制氨工藝。根據1號～4號機組超低排放改造參數及多次性能試驗結果，改造后的尿素催化水解制氨工藝主要技術經濟指標如表2所示。

表2 主要技術經濟指標統計表

5 結語

現有成功的尿素水解、尿素催化水解運行案例表明，均能滿足脫硝還原劑供給的要求。目前集團公司提出氮氧化物控制在經濟水平下，控制水平距離排放限值較近時，如果制氨系統反應速度慢，很容易導致氮氧化物超標問題，催化水解的快速響應對實現氮氧化物的經濟控制提供了技術保障。

通過技術上的對比發現，尿素催化水解運行成本低、反應速度快、運行更加穩定可靠，產品氣品質更穩定，有利于后續SCR脫硝裝置的高效穩定運行。