尿素水解工艺及其在燃煤电厂的应用

屈晓凡　，赵伟俊　，李紫龙，聂　华（中电投远达环保工程有限公司，重庆　401122）

尿素水解工艺及其在燃煤电厂的应用

屈晓凡，赵伟俊，李紫龙，聂华
（中电投远达环保工程有限公司，重庆401122）

摘要：随着国家对燃煤电厂NOX排放要求的日趋严格，选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术在国内大规模应用。SCR烟气脱硝常用的还原剂是液氨、氨水和尿素，出于安全性和实用性的考虑，近年来尿素水解制氨工艺得到逐步推广。本文介绍了尿素水解原理、工艺流程、运行情况及其在燃煤电厂的应用。

关键词：燃煤电厂;烟气脱硝;选择性催化还原;尿素水解

1　前言

“十二五”期间，NOx减排工作被纳入国家大气污染物总量减排的重点任务，截至2014年底，已投运燃煤电厂烟气脱硝机组容量约6.87亿千瓦，占全国火电机组容量的75.0%。由于我国煤质复杂、烟气中NOx含量高，因此技术成熟、运行稳定且具有较高脱硝效率的选择性催化还原SCR技术在国内得到了极大推广[1,2]。

SCR烟气脱硝是通过催化剂（金属氧化物）的催化作用，在温度300～400℃的条件下，利用NH3把烟气中的NOx转化成对环境无害的氮气和水[3]。液氨、氨水和尿素均可作为烟气脱硝还原剂。氨水中的氨浓度较低，运输成本高，其中的金属离子对催化剂的寿命有一定影响，因此较少在燃煤电站的SCR工程中应用；液氨有毒性且易燃，储存量超过10t即成为重大危险源，其运输和储存均有严格要求，审批的难度也越来越大[4]。尿素是NH3的理想来源，对人和环境均无害，运输和储存都不需要特殊程序。近年来随着国家对安全生产要求的提高，各大发电集团电厂的脱硝改造技术路线要求原则上采用尿素作为脱硝还原剂。

目前尿素制氨主要有尿素热解和尿素水解两种工艺。尿素热解制氨是利用高温气体将尿素分解，该工艺的尿素利用率较低，单台1000 MW机组电加热器的功率在1000kW以上，运行成本高，经济性较差[3]。与尿素热解工艺相比，尿素水解效率高，耗能低，运行成本低，近年来逐步在燃煤电厂SCR烟气脱硝领域得到推广。

2　尿素水解技术简介

2.1技术原理

尿素水解反应是尿素合成反应的逆反应，尿素溶液在一定压力（0.45～0.65MPa）和一定温度（140～160℃）的条件下进行水解反应生成NH3和CO2，反应方程式如下所示[5]：

第1步反应为尿素与水生成氨基甲酸胺盐，该过程为放热反应；第2步氨基甲酸胺迅速分解生成NH3和CO2，为吸热反应，尿素溶液中过量水可以加快反应速率的进行。

2.2工艺流程

袋装尿素通过卡车输送到尿素储存间存放，通过电动葫芦将袋装尿素输送到尿素溶解罐卸料口，拆包后的尿素从卸料口进入溶解罐。加入除盐水配制成质量浓度为40-60%尿素溶液，通过尿素溶液循环泵输送到尿素溶液储罐。储罐中的尿素溶液经由输送泵进入水解反应器，饱和蒸汽通过U型盘管间接加热水解器内的尿素溶液，尿素溶液分解产生NH3、CO2和水蒸气，从水解器排出的混合气进入氨气—烟气混合系统，并由氨喷射系统喷入SCR脱硝系统。水解器的压力和温度由蒸汽供应量控制，供给泵的流量控制水解器的液位。

2.3尿素水解工艺运行中出现的问题

尿素在水解反应会产生一些中间产物（如氨基甲酸铵等），氨基甲酸铵会破坏不锈钢表面的氧化薄膜，当温度超过190℃时，一般的不锈钢材料腐蚀严重。因此尿素水解器的材质一般采用316L，反应温度不超过160℃。

尿素溶液会产生由凝结的尿素和分解副产物缩二脲组成的沉积物。当温度超过133℃，高活性的中间产物HNCO就会和尿素反应生成缩二脲，这是造成尿素水解系统易产生堵塞的原因之一。因此，尿素水解工艺采用的尿素溶液质量浓度一般不超过60%，并且在系统停车时要对管路进行清洗，以防当温度升高时会造成管路堵塞。

尿素中的杂质、去离子水中的杂质（如钙）和其它溶解固体物会聚积在水解器内，必须定期排污。排污的频率根据尿素和去离子水的纯度而定，若使用工业级尿素，每月排污一次，每次排掉水解器中10%液体量。

3　尿素水解工艺在火电厂的应用

目前，尿素水解制氨工艺已在国电青山电厂、国电宣威电厂、新乡豫新电厂等多个机组得到应用。以新乡豫新电厂SCR烟气脱硝项目为例，2台锅炉（2×330MW）的脱硝装置共用一个还原剂储存、制备及供应区域，按照85%脱硝效率设计，水解反应器尿素进料浓度范围40-60%，单台尿素水解器最大产氨量为240kg/h，满足一台锅炉0-115%BMCR氨耗量，单台水解反应器电耗量为15kW，蒸汽耗量为1.5 t/h。

4　结论及建议

尿素水解工艺与尿素热解工艺相比，具有能耗低、尿素分解率高、运行成本低等优点，逐渐在我国燃煤电厂SCR烟气脱硝工程中得到应用，但系统自动化水平还不高，今后可进行尿素溶解系统的小型化、撬装化、自动化设计及多样化布置的研究，以减少系统的维护量和劳动强度，降低设备和建设成本，使尿素水解工艺具有更大的应用空间。通过对尿素水解装置的技术优化，尿素水解工艺定会以其安全性、运行经济性等优点在燃煤电厂SCR烟气脱硝领域得到迅速推广。

参考文献：

[1] 侯祥松,常东武,张海.循环灰对NH3氧化反应影响的实验研究[J].中国电机工程学报,2008,28(5):57-62.

[2] 陈海彩,张军,沈乐,李焕新,李明,李惠萍.火电厂尿素热解和水解工艺研究.电力科学与工程,2014,30(6):16-19.

[3] 姚宣,沈滨,郑鹏,郑伟.烟气脱硝用尿素水解装置性能分析.中国电机工程学报,2013,33(14):38-43.

[4] 惠润堂,韦飞,闫世平,刘曙东,杨爱勇,姜艳靓,郑伟.国产首套尿素水解装置在大型火电厂的工业应用及技术优化.2013,47(7):150-155.

[5] 慕国巍,严利贞,王时珍.氮肥工艺设计手册[M].北京:化学工业出版社,1988:1-5.