尿素催化水解制氨工艺在火电厂SCR 脱硝工程中的应用

彭伟 曹东

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

2015年12月环境保护部、发展改革委、能源局印发的全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案中提出将东部地区原计划2020年前完成的超低排放改造任务提前至2017年前总体完成，燃煤机组必须安装高效脱硝除尘设施，以推动实施烟气脱硝全工况运行，脱硝还原剂将被大量使用。当前火电厂SCR脱硝还原剂主要有液氨、氨水和尿素三种。脱硝还原剂的选择和使用应综合考虑技术、安全和经济等因素，为规范脱硝还原剂的选择和使用，国家、行业及部分地方政府出台了相应规范和指导意见，对其安全、合理使用提出了要求。GB 50660—2011大中型火力发电厂设计规范提出，位于大中城市及近郊区的电厂，宜选择尿素作为还原剂。环发［2010］10号《火电厂氮氧化物防治技术政策》通知，还原剂的选择应综合考虑安全、环保、经济等多方面因素，位于人口稠密区的烟气脱硝设施，宜选用尿素作为还原剂。

1 尿素催化水解技术原理

尿素催化水解制氨流程为:配制尿素溶液时，将储存于尿素储存间的袋装尿素人工拆包，拆包后的尿素经斗提机输送到溶解罐里，或者将尿素罐车运输来的尿素颗粒通过气力输送至溶解罐里。用除盐水将干尿素溶解成50%质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶解泵输送到尿素溶液储罐。尿素溶液储存罐里的尿素溶液利用蒸汽加热对其进行保温，温度维持在40℃ ～50℃。通过尿素溶液输送泵输送至尿素水解反应器，水解生成NH3，H2O和CO2，分解产物与烟气混合均匀而后喷入脱硝系统，见图1。

图1 尿素催化水解制氨系统示意图

2 尿素催化水解与尿素热解工艺对比

尿素热解法制氨系统一般包括尿素制备间、斗提机、尿素溶剂罐和储罐、给料泵、尿素溶液循环传输装置、电加热器、绝热分解室(内含喷射器)、控制装置等设备。采用螺旋给料机将储存于储仓的尿素颗粒输送到溶解罐，用除盐水将尿素颗粒溶解成质量分数约为50%的尿素溶液，再利用给料泵输送到储罐;将尿素溶液经由计量与分配装置、雾化喷嘴等进入绝热分解器内分解，生成NH3，H2O和CO2，分解产物与稀释空气混合均匀产生氨气浓度小于5%的混合气并喷入脱硝系统。

2.1 尿素热解法制氨产生的问题

尿素热解炉及加热器必须考虑热一次风含尘对装置的影响，并采取有效措施。电加热器要能根据热负荷变化自动调节加热功率。并能保证出口温度不高于650℃。电加热器底部需设置清灰口，能将内部沉积的飞灰排出。

尿素热解电加热法考虑到电加热片的易损特性，电加热方式的综合运行维护成本比烟气换热方式要高得多;同时由于电加热片的易损特性导致系统可靠性下降。

如果负荷降低将导致热风温度较低，造成热解炉内结晶。

2.2 尿素催化水解优势

1)运行成本低:由于反应温度低，尿素催化水解系统可以利用电厂低品质蒸汽作为加热热源，使电厂制氨运行成本大幅度降低。根据已经投运项目对比，尿素催化水解单位能耗成本仅为热解技术的14%;

2)反应速度快:与传统尿素水解相比，由于采用了催化手段，使水解反应速度提高10倍左右，更好地满足电站锅炉负荷调整及脱硝用氨量变化需求;

3)系统可靠性高:由于尿素催化水解制氨技术取消了高温电加热设备，避免了设备可能出现的超温隐患，提高了烟气脱硝系统的整体可靠性;

4)设备布置灵活:尿素催化水解系统采用蒸汽作为加热热源，与热解技术相比，没有热风输送距离的限制，使尿素催化水解设备可以根据现场条件灵活布置;

5)设备运行灵活性高:采用蒸汽加热方式，使尿素制氨系统可以避免受到锅炉运行工况的影响，实现制氨系统独立运行，在锅炉未达到特定工况的情况下，提前启动制氨设备，实现制氨系统快速投用。

3 尿素普通水解和尿素催化水解制氨

1)催化水解制氨能力与氨气需求之间的响应时间可以缩短为1min，比普通水解提高10倍以上，可以避免脱硝系统氮氧化物由于制氨系统反应滞后导致的超标问题，满足电厂机组灵活性调峰需要。

2)尿素催化水解反应温度比普通水解温度降低20℃左右，能耗较普通水解能耗降低17%，从全生命周期考虑具有更好的成本优势由于温度低，腐蚀物质大幅度下降。

3)尿素水解工艺可能由于温度原因产生氨基甲酸铵，氨基甲酸铵属于强腐蚀性物质，水解反应器采用316L等材质可避免腐蚀，同时可通过控制产品气输送温度避免腐蚀。

现就尿素水解、尿素催化水解技术，对其进行详细论证。表1分析对比了这两种SCR脱硝还原剂制备工艺。

表1 尿素普通水解和尿素催化水解制氨比较

4 工程应用

广东某2×100 MW+2×60 MW燃煤机组采用SCR技术进行全烟气脱硝，采用SCR技术进行全烟气脱硝，液氨作为还原剂，入口 NOX按照 350 mg/Nm3(标干，6%O2)，出口按照 NOX≤40 mg/Nm3(标干，6%O2)设计，3层催化剂条件下在性能考核期间脱硝效率88.6%，氨逃逸不大于3 ppm，SO2/SO3转换率不大于1%。2018年该厂4台机组改造采用尿素催化水解制氨工艺。根据1号～4号机组超低排放改造参数及多次性能试验结果，改造后的尿素催化水解制氨工艺主要技术经济指标如表2所示。

表2 主要技术经济指标统计表

5 结语

现有成功的尿素水解、尿素催化水解运行案例表明，均能满足脱硝还原剂供给的要求。目前集团公司提出氮氧化物控制在经济水平下，控制水平距离排放限值较近时，如果制氨系统反应速度慢，很容易导致氮氧化物超标问题，催化水解的快速响应对实现氮氧化物的经济控制提供了技术保障。

通过技术上的对比发现，尿素催化水解运行成本低、反应速度快、运行更加稳定可靠，产品气品质更稳定，有利于后续SCR脱硝装置的高效稳定运行。