脫硝尿素催化水解技術(shù)研究

高 磊

（陜西榆林能源集團(tuán)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(dāng)?shù)囊?guī)模和先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)水平，同時為國家經(jīng)濟(jì)做出突出貢獻(xiàn)。燃煤和燃?xì)怆娬镜臒煔獗仨氝M(jìn)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?，F(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(jìn)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(fēng)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(jìn)行分解，生成氣體二氧化碳、氨氣、水蒸氣的混合氣，其化學(xué)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?zé)峤夂退夤に囀窃诓煌瑴囟葔毫l件下進(jìn)行，有著不同的化學(xué)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(jìn)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(jī)，尿素顆粒通過斗式提升機(jī)提升到一定高度后進(jìn)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(jìn)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(jìn)行水解反應(yīng)，產(chǎn)生氨氣、二氧化碳、水蒸氣混合氣?；旌蠚饨?jīng)由減壓、流量控制調(diào)節(jié)與稀釋風(fēng)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)加注尿素的設(shè)備，當(dāng)斗提機(jī)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(jī)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(dá)-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(jìn)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(jìn)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(jī)組初次投運脫硝供氨系統(tǒng)時，噴氨管道需先進(jìn)行惰性氣體（氮氣）置換，防止管路中的氨氣濃度達(dá)到爆炸極限。當(dāng)供氨管路和箱罐檢修時，也必須進(jìn)行惰性氣體置換，防止由于氨氣處于極限濃度范圍內(nèi)，導(dǎo)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?zé)峤庵瓢睂Ρ?/h2>

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?zé)峤夥磻?yīng)需要的溫度較高，且熱源一般由熱一次風(fēng)來提供，溫度偏低時還需要投入電加熱器使溫度達(dá)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?zé)峤庵瓢睂Ρ缺?/p>

尿素?zé)峤夥磻?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?zé)峤庵瓢毙枰絹硗瓿?，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(dǎo)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(jìn)行了全面檢測，并且其中的電機(jī)、執(zhí)行機(jī)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(hù)，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?xì)怏w，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(jìn)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(biāo)，具有較高的應(yīng)用推廣價值。