组合伴热防结晶技术在尿素水解系统中的应用

于航

（广东红海湾发电有限公司，广东省 汕尾市 516600）

摘要：随着国家对于重大风险源管控力加大，火力发电厂脱硝氨站将逐步由尿素制备氨气系统取代，在尿素水解制氨系统中，氨气管道温度这一参数尤为重要，低温将导致整个系统出现堵塞、结晶等诸多问题，本文简要介绍了尿素水解的原理及工艺流程，结合广东某电厂实际改造过程进行分析，针对尿素水解系统伴热问题，提出了一种蒸汽伴热与电伴热结合的技术手段，并介绍了部分施工要点以及注意事项。

关键词：尿素，产品气，伴热，温度

2019年4月2日，国家能源局综合司发出《国家能源局综合司关于进一步加快推进电力行业危险化学品安全综合治理工作的通知》。文中提及了各电力企业要加强对液氨、氢气、氯气、燃油、天然气、民用爆炸物、放射性材料等易燃易爆和有毒有害物质的源头管控，尤其针对液氨指出了“在运燃煤发电厂仍采用液氨作为脱硝还原剂的，有关电力企业要按照国家能源局《关于加强燃煤机组脱硫脱硝安全监督管理的通知》、《燃煤发电厂液氨罐区安全管理规定》等文件规定，积极开展液氨罐区重大危险源治理，加快推进尿素替代升级改造进度。”为贯彻落实国家能源局要求，广东某电厂开展脱硝SCR液氨改尿素项目。

目前，尿素制氨工艺主要包含热解制氨和水解制氨两种技术，相比于热解技术，尿素水解技术对尿素的利用率较高，运行成本及能耗均低于热解^[1]，因此尿素水解制氨法在火力发电厂脱硝SCR领域应用较为广泛。

1 尿素水解工艺简介

1.1原理

尿素水溶液在一定温度下会发生水解反应产生氨气，具有低压，温度较低，系统简单、工期较短，投资成本及运行成本低等优点，其化学反应式如下^[2]：

NH₂CONH₂ + H₂O 2NH₃ + CO₂ （1）

尿素溶液先生成中间产物氨基甲酸铵，再分解为氨气和二氧化碳，50%的尿素溶液在水解后生成的产品气，其中NH₃、H₂O、CO₂质量比约为0.28：0.35：0.37。

1.2工艺流程

颗粒状尿素经气力输送系统输送到尿素溶解罐，经搅拌后配制成浓度约40%-60%的尿素溶液，经搅拌溶解合格的尿素溶液，温度约60℃，利用溶解液泵注入尿素溶液储罐储存，用尿素溶液泵将尿素溶液输送至水解器进行分解。

尿素水解器采用蒸汽间接加热方式，将饱和蒸汽通过盘管方式进入水解反应器加热，蒸汽与尿素溶液间不混合，气液两相平衡体系的压力约为0.4-1.0MPa，温度约150℃。从水解反应器出来的低温饱和蒸汽，用来预加热进入水解反应器前的尿素溶液。水解器顶部出口温度约160℃、压力约0.5-0.6MPa的氨、二氧化碳、水蒸气混合气在水解反应器的缓冲空间存储，输送至氨气混合器，作为脱硝还原剂使用。

水解器中饱和蒸汽经过换热后温度降至90℃成为蒸汽疏水，疏水量约1t/h，部分进入疏水箱，可作为溶解液或冲洗用水，多余疏水量通过管道排放至厂区废水系统，尿素溶液制备区域伴热蒸汽耗量较少，疏水量较少，就近排放至废水系统。

从水解反应器生成的NH₃、CO₂、H₂O等气态混合物，与加热后的稀释风混合进入脱硝氨喷射系统，氨与空气的混合物温度维持在175℃以上。

2 尿素水解过程易产生堵塞结晶问题

2.1尿素溶液输送管路堵塞

高浓度的尿素水溶液受热发生缩合反应，容易生成难溶于水的缩二脲及其他缩合物^[3]，其生成速率伴随温度升高而逐渐加大，这是造成尿素水解系统易堵塞的原因之一。此外，不同浓度的尿素溶液有着不同的结晶点，40%尿素溶液结晶点约为4℃，50%尿素溶液浓度结晶点约为19℃。综上所述，主要有两点因素易导致尿素溶液输送管道堵塞：1、温度过高导致的缩二脲形成杂质；2、温度过低尿素溶液结晶。

2.2氨气输送管路堵塞

尿素水解制氨产品气是氨气、二氧化碳和水蒸气的混合气。由于尿素水解制氨反应是一个可逆的反应，水解产生的含氨产品气管线伴热效果不佳时，会使管道内的含氨产品气液化，生成氨基甲酸铵等物质堵塞管道^[4]。

3 应用多种伴热方法组合防止结晶

广东某电厂2021年-2022年完成脱硝SCR液氨改尿素项目改造，尿素溶液管道采用电伴热方式，水解器废气废液排放管道采用高温电伴热方式，考虑运行的安全性和稳定性，水解器出口含氨产品气管道采用分段蒸汽伴热。

3.1产品气管道分段蒸汽伴热

3.1.1工艺原理

蒸汽伴热温度较高，能够提供的热量大，可以有效的保证产品气管道的温度，确保为机组SCR脱硝提供稳定的含氨产品气。

该厂含氨产品气管道选择分段蒸汽外管(无导热胶泥)双伴热管伴热，每段伴热管设置长度为50 -60米，且每段伴热管均引自于伴热蒸汽母管，以保证伴热管温度满足伴热要求，伴热蒸汽的凝结水回收再利用。除了保证产品气管路的温度外，由于分段伴热，各伴热区域的伴热管道可以有效隔离，当局部伴热管温度出现异常时，可以很快的确认出现问题的伴热位置，实现在线检修，不影响机组和脱硝系统的正常运行。

3.1.2施工要求

伴热管应与主管绑扎牢固，禁止伴热管与主管焊接，绑扎间距设计无规定时，符合下表的规定。

表1 伴热管绑扎点间距

伴热管安装要与主管要平行，排列整齐，定位正确、牢固，不允许与主管直接接触时，应采取有效的隔离措施，与主管要绑扎牢固，绑扎材料应选择对主管要无污染材料如镀锌铁丝，必要时应采取隔离材料，安装位置为含氨产品气管道上下方（见下图）。

图1：蒸汽伴热安装图

伴热管经过主管法兰，特别是法兰式阀门 ( 包括调节阀等仪表件 ) 时，应充分考虑拆卸维护，增加可拆卸连接件，如法兰、活接头等。 伴热管直线长度其长度一般不宜超过 30 米，若超过 30 米，应设置 Ω型膨胀弯。

投运前应对伴热管进行逐根吹扫，吹扫前应将疏水器或疏水器的芯拆除，吹扫合格后，再将疏水器复位，并检查疏水器的工作情况，做好记录。

3.2尿素溶液管道及水解器废气废液管道电伴热

3.2.1工艺原理

管道保温目的为补充由于管道外壳内外温差引起的热散失。要达到其目的，只需提供给管路损失的热量，保持管道内流体的热量平衡，就可维持其温度几乎不变。发热电缆管道保温系统就是提供给管路损失的热量，维持其温度基本不变。

尿素溶液管道采用自限温伴热带，管线设置温度范围为30～40℃。自限温伴热带属并联型带状物，所以在加热带内任何局部都具有单独适应环境温度变化的自动(任意温度一功率输出)调节功能。因而它可以任意切割，在允用长度范围内可适应不同长度需求，这对现场安装与施工极为方便。自限温加热带具有温度均匀，不会过热，节约电能，升温快速，在选用电伴热带的最长使用长度内任意剪断使用，重叠、交叉等使用。

废气废液排放管及仪表采用MI恒功率伴热带，MI电缆是采用合金电热丝作为发热源、高纯度、高温、电熔结晶氧化镁作为导热绝缘体，连续不锈钢或铜管作为护套，可以满足高温条件下的大发热功率。恒功率伴热带输出功率恒定，温度不能自控调节，必须与温控器配合使用，由温控器达到精确的控制。

3.2.2施工要求

管道及阀门安装→缠绕发热电缆→热敏胶带固定→保温→调试。

在管件安装发热电缆时，伴热带均需进行电路连续性和绝缘性能的测试，不符合规定的不能使用。

安装前，应按照电伴热系统图，逐一核对管道编号、工艺条件、伴热带参数、规格型号、电气设备和控制设备型号规格，确认无误后方可安装。

要确保发热电缆的最小弯曲半径，电伴热发热电缆安装时最小弯曲半径原则上应不小于其厚度的 6 倍，在管道阀门上安装发热电缆时，要注意预留充分考虑管道附件或设备的拆卸可能性尽可的方便今后的检修、维护。伴热带应与被伴热管道或设备贴紧并固定，扎带根据管道的温度选用。

放置发热电缆时不能有死结、死弯现象，缠绕时不能损伤发热电缆的外皮，严禁踩踏发热电缆。局部缠绕发热电缆不能过多，以免使管道过热烧毁发热电缆， 若必须缠绕时， 应适当减少保温厚度。

最终保温施工前首先检查所有管道、配件均已正确安装，发热电缆外观是否完好无损。其后将全部回路的空气保护开关断开，用摇表检测每个回路并做好记录。通电前，要测量电源线是否接通，发热电缆是否接通，检查电伴热传感器是否连接正常等。通过测试检查系统是否自如，另外检查电源箱各开关、显示灯工作是否正常。通电试运行，调节电伴热工作温度，3次降低或提高工作温度，检查发热电缆是否正常发热。观察3个伴热周期，记录每个周期时间。

图2： 管道缠绕发热电缆安装图

3.2.3电伴热温度设置

表2伴热温度表

4 结 论

尿素水解制氨脱硝技术在火力发电厂应用尚未成熟，目前暂无详细的配套标准可在设计、施工及维护中加以参考，但随着环保要求与安全要求的不断提高，尿素制氨法替代液氨蒸发法已成必然之势，针对尿素水解制氨系统安装及运行中出现的问题，可提出2点建议：

1. 含氨成品气管道上的支管易形成流动死区，温度降低后极易产生结晶堵塞等情况，因此在安装伴热管时，需注意管道上的温度测点、压力测点、取样管等分支小管需同样进行伴热及保温。

2. 当水解器及对应的含氨成品气管道停止运行后必须及时使用蒸汽对成品气管道进行吹扫，将管内的成品气全部排净，避免停止供应后管道内残余气体温度降低导致结晶堵塞。

[1]姚宣，沈滨，郑鹏，等，烟气脱硝用尿素水解装置性能分析[J].中国机电工程学报，2013，47（7）：38-43.

[2]张波，张向宇，李明浩，等，火电厂尿素水解产品气输送问题分析[J].热力发电，2015，44（11）：114-117.

[3]李云龙，SCR水解制氨技术在火电厂的应用[J].电站系统工程，2015，32（1）：67-68.

[4]李俊，尿素水解制氨工艺再脱硝系统中的应用[J].设备与技术，2018，9：131-132.