脱硝 SCR氨站改尿素制氨技术分析

刘峰云

阳城国际发电有限责任公司 山西省阳城县 048102

摘要：随着各发电企业对安全的要求越来越高，火电机组烟气脱硝还原剂使用尿素来代替换液氨成为趋势。尿素制氨技术最早起源于美国，一般是采用尿素热解、水解这两种方式来制备氨气，这两种方式在实际的运用过程中都有各自的优缺点，现对尿素热解制氨技术、水解制氨技术进行对比分析，并得出相关结论。

关键词：SCR脱硝；尿素；热解；水解；催化

引言

在燃煤锅炉烟气脱硝工艺中，选择液氨作为还原剂是最经济高效的，但液氨是危险化学品，运输受到严格的限制，液氨储存又是重大危险源。随着国家对安全生产要求的不断提高，液氨用作脱硝还原剂的安全性问题越来越被各发电企业所重视，而安全性高的尿素成了替代液氨的不二选择。

1 SCR脱硝技术

选择性催化还原法（SCR）是目前烟气脱硝技术中使用最广泛的技术，因为过程无公害、无污染，技术成熟、系统简单、操作方便、脱硝效率高等优势，在市场上得到广泛应用。SCR脱硝的还原剂主要是液氨、氨水和尿素。液氨是纯氨，只需将其蒸发即可，投资及运行费用都很低，是SCR脱硝的主流制氨工艺，缺点就是液氨是危险化学品，运输、储存和使用过程中存在安全隐患。氨水制氨是将20%-25%浓度氨水加热蒸发形成氨气和水蒸汽，缺点一个是蒸发气化能耗高，再一个设备腐蚀，目前主要是应用在小机组上。尿素制氨则需要先将尿素颗粒溶解成溶液，再将溶液送至热解炉或水解槽中，通过加热使尿素分解成氨气。尿素最大的优势就是安全，常温下性质稳定，运输、存储、使用都非常便捷，缺点就是运行成本高。受地理条件、已有厂区空间限制以及国家、行业及各地方政府的相关规范指导，尿素制氨成了一些电厂的必然选择。尿素制氨技术目前有热解和水解两种应用比较多的技术。另外有研究人员已开始探索尿素直喷技术，该技术使投资大大降低，但由于还不成熟，处于摸索阶段，本文不再介绍，以下只对热解和水解技术进行分析。

2热解制氨技术

2.1工艺原理

尿素热解制氨主要是来源于美国燃料公司的技术，将尿素溶液喷入高温热解室，尿素在高温状态下不稳定，会被分解成NH₃和HNCO，HNCO和水发生化学反应，生成NH₃和CO₂。之后含有气态氨的混合物通过氨注射系统进入SCR脱硝装置。热解室的热源可以直接引入高温热空气或者使用燃油、燃气燃烧器、电加热空气等形式来导入。

2.2工艺流程

尿素热解制氨系统包括尿素溶液制备存储系统、输送设备、计量分配设备、热解室、稀释风机等。尿素颗粒存储在储仓内，使用给料装置将其输送到溶解罐，用除盐水把干尿素溶解成质量浓度为50%的尿素溶液，通过输送泵输送到储罐内，经过输送装置、计量分配装置、雾化喷枪等进入热解室内生成NH₃、H₂O和CO₂，分解产物与空气或高温烟气混合均匀喷入SCR脱硝系统，计量分配装置根据系统需要自动控制喷入量。热解室可以通过燃油、燃气或电加热稀释风，来达到热解目的，只是这样能源消耗巨大，运行过程不够经济，故现在一般均采用高温烟气换热或蒸汽加热来达到热解目的。

2.3热解系统运行过程中存在的问题

首先采用热一次风作为风源后，由于该风携带灰尘会粘附在加热器表面，导致换热效果下降，出现局部温度过高导致跳闸的现象，从而对脱硝工作产生影响；其次是热解室出口存在结晶堵塞问题，部分电厂在检查热解室尾部水平管段过程中发现流通面积有大约有1/3的部分遍布三聚氰酸，其余部分管壁光滑、没有异物；再次，热解室出口温度测点布置不够合理，影响温度控制；最后，尿素溶液喷枪存在堵塞和脱落的现象。

3水解制氨技术

目前国内掌握水解技术的单位有成都锐思、西安热工院、大唐环境等。

3.1工艺原理

将尿素溶液通过输送泵输送到水解槽当中，通过热交换器将溶液加热之后，和水发生反应生成氨气。工艺原理主要是尿素溶液在高温和高压的条件下进行分解，还能够通过高压控制水汽化将水中残留的氨气释放出来。

3.2工艺流程

水解法尿素制氨工艺的反应系统主要包括尿素水解反应器、计量器、控制系统等。水解法尿素溶液的配置和热解法一样，配制好溶液之后输送到水解反应器当中，在水解反应器当中利用盘管将蒸汽的热量引入，尿素在一定温度下被分解，生成NH₃、H₂O和CO₂的混合气体。混合气体经一调节阀调至一定压力后进入供氨母管。从母管来的混合气体和加热后的稀释风混合均匀喷入SCR系统当中，根据SCR对氨气的需求量控制调节装置，再通过水解器的液位来控制尿素溶液量。

常规尿素水解反应缓慢，响应性差，为了满足尿素水解脱硝系统的适应性和调节功能，现在技术可以在水解过程当中添加催化剂，来提高尿素水解的反应速度。

3.3水解系统运行过程中存在的问题

（1）腐蚀问题。尿素水解过程中生成的氨基甲酸铵具有很强的腐蚀性，会破坏不锈钢表面的氧化膜，增加系统的腐蚀速度。当温度超过190℃时，普通的不锈钢会被严重腐蚀；超过220℃，就会腐蚀性能比较强的材料，比如Ti等。水解反应器的各个阀门和水解反应器本身是这个过程中比较常见的容易被腐蚀的设备，尤其是水解反应器，其在运行过程中温度高，更容易被腐蚀。腐蚀会造成阀门内漏，设备减薄等形成安全隐患。腐蚀问题主要可从管道和设备材质选择、工艺设计多个方面进行综合防治，比如316L尿素级管材、25-22-2等材质具备良好的抗腐蚀性能；还可以在合适的位置加入防腐空气，让管道和设备在内部表面形成钝化膜，具备良好的防腐效果，需要注意的是，在工艺进行的过程中，应控制防腐空气进入系统内部。

（2）管道堵塞。高浓度的尿素溶液在受热之后很容易生成难溶于水的缩二脲等缩合物，这些物质会导致水解系统产生堵塞。因此，尿素溶液最好选择浓度比较低的产品。在系统停运时，应对尿素溶解槽、管路段进行清洗。如果没有完全冲洗干净，等到温度升高之后就会造成管路堵塞，而且不容易疏通。

4尿素制氨技术对比

目前在国内，无论热解还是水解均有成熟的运行业绩，各有特点，各有优势，均能满足SCR脱硝用氨的需求。热解和水解的公用系统尿素溶液制备基本相同，不需多说，以下从技术和经济性方面对比下两种技术。

4.1尿素热解所需热量以前一般由燃油，燃气或电加热稀释风的方式提供，现在则采用蒸汽或高温烟气换热方式辅以电加热作为备用或调温。采用烟气换热节能效果显著，但抽取高温烟气会造成SCR脱硝反应器出口氮氧化物排放浓度的增加。另尿素热解一般采用单元制，分解速度快，响应负荷能力强。

4.2尿素水解可以采用单元制或公用制，可以备用水解反应器。水解需要解决的问题是制成的混合气体在输送过程中需要有保温伴热措施，另外，如果没有催化技术加持的话，水解产氨响应时间和产品气的达标时间有一定的滞后，应充分考虑负荷的响应及时性，同时结晶堵塞问题要考虑设备增加备用裕度。

4.3尿素制氨从投资成本上考虑，热解较低，水解3台机组以上采用公用制的话较低，运行成本则水解要比热解低。

结语

综上所述，尿素热解方式的分解速度快，负荷变化响应速度快；而水解技术能耗低，同时可实现多机组公用。考虑到投资运行成本、适用范围、机组运行安全可靠性等因素，在实际选择尿素制氨方式时，各企业应根据实际情况科学合理地作出选择。

参考文献

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