火電廠脫硝的尿素制氨技術概述

朱 沖，耿桂淦，騰建軍，宋正華

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

火電廠脫硝的尿素制氨技術概述

朱 沖，耿桂淦，騰建軍，宋正華

（江蘇科行環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 鹽城 224051）

選擇性催化還原法（簡稱SCR）脫硝用還原劑氨氣的制備原料主要有液氨、氨水及尿素三種。由于液氨工藝系統(tǒng)簡單，運輸、投資、運行成本較低，在目前的工程中已廣泛應用，但存在的缺點是對系統(tǒng)的安全性要求較高。根據《危險化學品重大危險源辨識標準》（GB18218—2009），液氨儲量超過10噸視為重大危險源，因此，某些特殊地區(qū)（如北京、廣州等地）要求還原劑制備系統(tǒng)采用安全性要求較低的尿素工藝。尿素工藝又分為熱解法和水解法制氨，本文分別說明了兩種工藝的技術原理、工藝流程。

SCR脫硝;尿素;熱解;水解;熱解爐

1 前言

NOx是主要的大氣污染物之一，直接或間接影響大氣環(huán)境質量，如光化學煙霧、大氣酸沉降、平流層臭氧損耗等，此外，氮沉降量的增加會導致地表水的富營養(yǎng)化和陸地、濕地、地下水系的酸化和毒化，從而對陸地和水生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，最終對人體健康和生態(tài)環(huán)境安全產生不利影響。

2 火電廠脫硝還原劑的選擇

火電廠是NOx等大氣污染物排放的主要來源。根據中國工程院的研究，我國的環(huán)境容量中氮氧化物為1200噸。以2009年的排放數據來看，僅電力行業(yè)就已經排放了1400噸氮氧化物，并且排放量還在持續(xù)增加。為了控制大氣NOx污染，環(huán)保部要求以火電行業(yè)為重點，開展工業(yè)氮氧化物污染防治。在京津冀、長三角和珠三角地區(qū)，新建火電廠必須同步建設脫硝裝置，2015年底前，現役機組全部完成脫硝改造。新的《火電廠大氣污染物排放標準》增加的4個強制性污染物排放指標就包括氮氧化物。我國火電廠NOx排放控制尚處于起步階段，依靠低氮燃燒技術控制NOx排放仍不能滿足要求時，則需要實施煙氣脫硝。煙氣脫硝技術中脫硝效率最高、最為成熟的是選擇性催化還原法（SCR），就是將煙氣中的NOx在催化劑的作用下，與還原劑發(fā)生反應并生成無毒無污染的氮氣和水。脫硝還原劑主要有液氨、氨水和尿素，其中液氨作為還原劑存在有一定的危險性，國外使用較少。氨屬化學危險品分類中的2、3類，在職業(yè)性接觸毒物危害程度分級為IV（輕度危害），為可燃、易爆、有毒物質。在國內，根據《重大危險源辨識》的規(guī)定，氨的使用量若超過40噸，就成為重大危險源。

尿素是氨的理想來源，它是一種穩(wěn)定、無毒的固體物料，對人和環(huán)境均無害，可以被散裝運輸并長期儲存。它不需要運輸和儲存方面的特殊程序，它的使用不會對人體和周圍環(huán)境產生不良影響，安全成本低。近期在美國市場中，尿素作為液氨與氨水的替代產品越來越多地用于煙氣脫硝工程中。尿素也可以同時脫硫和脫硝。二氧化硫與尿素反應生成硫酸銨，凈化后的煙氣可直接排放，硫酸銨可作為化肥出售，尿素衍生物和脫硫脫硝所用氨氣也可以聯產三聚氰酸。此運行模式占地面積小，無二次污染，產物可以綜合利用，脫硫和脫硝投資運行費用低，符合循環(huán)經濟、可持續(xù)發(fā)展理念。三種不同還原劑的技術比較見下表。

SCR還原劑尿素、氨水與液氨的技術比較表

3 尿素制氨基本工藝

尿素制氨有熱解工藝和水解工藝。目前國際上應用的尿素熱解技術是由美國Fuel Tech公司設計的NOxOUT ULTRA（r）尿素熱解制氨技術，水解技術在1999年才開始運用在國外鍋爐煙氣脫硝工程，目前這樣的技術主要有AOD法、U2A法及SafeDeNOx法三種。以下將分別對這兩種工藝進行說明。

3.1 尿素熱解制氨工藝介紹

尿素的分子式為CO(NH2)2，亦稱脲，分子量為60.06，無色或白色針狀或棒狀結晶體，工業(yè)或農業(yè)品為白色略帶微紅色固體顆粒，無臭無味，密度1.335g/cm3，熔點132.7℃，溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微堿性，可與酸作用生成鹽。對熱不穩(wěn)定，加熱至150℃～160℃將脫氨成縮二脲，若迅速加熱將完全分解為氨氣和二氧化碳。

3.1.1 尿素熱解制氨系統(tǒng)

如圖1所示，尿素顆粒儲存于儲倉，由稱重給料機（或計量罐）輸送到溶解罐里，用去離子水將固體尿素溶解成40%～55%的尿素溶液（需要外部加熱，溶液溫度保持在高于結晶溫度5℃），通過尿素溶液混合泵輸送到尿素溶液儲罐；尿素溶液經由給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解室，稀釋空氣經加熱后也進入分解室。霧化后的尿素液滴在絕熱分解室內分解，生成的分解產物為氨氣和二氧化碳，分解產物經由氨噴射系統(tǒng)進入脫硝煙道。熱解室利用柴油作為熱源或者由電加熱器加熱來自鍋爐的一次風，來完全分解尿素。在所要求的溫度（300℃～650℃）下，熱解室提供了足夠的停留時間以確保尿素到氨的100%轉化率。熱解室的容積是依據尿素分解所需的體積來確定。熱空氣將通過燃燒器控制裝置或者電加熱器以維持適當的尿素分解溫度。尿素經過噴射器注入到熱空氣中，尿素的添加量是由SCR反應器的需氨量來決定，負荷跟蹤性將適應鍋爐負荷變化要求。系統(tǒng)在熱解室出口處提供空氣/氨氣混合物。氨/空氣混合物中的氨體積含量小于5%，具體反應式為

該工藝的主要特點是反應完全、不易產生中間聚合物，但是需要另外的熱量加熱熱解室，需要非常良好的氣流組織形式，對控制系統(tǒng)的水平要求也高。

圖1 尿素熱解法制氨流程

3.1.2 絕熱熱解室體積

絕熱熱解室是尿素熱解工藝中重要的設備之一，其提供了霧化的尿素溶液和熱空氣混合的空間，是尿素發(fā)生熱解的場地，絕熱熱解室體積的大小直接影響到尿素溶液熱解效率，間接影響到氨的生成率，從而影響脫硝效率。

首先根據氨氣消耗量推算出尿素的消耗量，尿素是100%分解的，尿素溶液的質量濃度為40%～50%；根據研究，尿素液滴蒸發(fā)完成后在152℃下熱解，但是現在設計的熱解爐的熱風溫度都在650℃左右，最低400℃；根據尿素溶液蒸發(fā)吸收的熱量、熱解需要的熱量來確定輸入的熱風風量；根據風量來確定分解爐內的風速和熱解爐的直徑，根據停留時間來確定熱解爐的高度/長度，一般的停留時間不小于5s，然后就可以得到熱解爐的基本體積。

熱風的來源可以是空氣，也可以是鍋爐的二次風，然后對來源進行加熱。熱源可以是燃油、燃氣熱風爐，也可以使用電加熱器。

熱解爐可以做成立式的，與熱風爐分體而置，上小下大（空氣膨脹的原因），分解后的氣體從熱解爐的下端引出送至脫硝裝置；也可以做成與熱風爐合體的臥式的，熱風爐在一端，在熱風爐后噴入尿素溶液，在熱解爐的另一端引出至SCR裝置。

3.2 尿素水解制氨工藝介紹

如圖2所示，運輸卡車首先把尿素傾倒到一個傾卸罐里儲存，從傾卸罐出來的尿素進入一個混合箱，在混合箱里干尿素和利用循環(huán)泵打入的熱水混合，在攪拌器的作用下逐漸溶解，等尿素完全溶解后，用泵把尿素溶液送入溶液儲罐儲存；從儲罐出來的溶液在泵的作用下經過熱交換器吸熱加熱到反應溫度后進入水解槽。熱交換器的熱量來源為水解后的尿素殘液帶出的余熱，尿素溶液在水解槽內水解，產生氨氣，其化學反應方程式為：

圖2 水解干尿素制取氨氣流程

該工藝的主要特點是安全、可靠，避免了SCR系統(tǒng)直接使用液氨或氨水帶來的運輸、儲存和運行中所面臨的相關安全問題和環(huán)境污染問題。

4 結論

由于尿素相對于液氨具有安全性，尿素分解制氨技術在國內逐漸為更多的用戶選擇，并且由于專業(yè)技術人員的不斷應用創(chuàng)新和技術改造，尿素熱解和水解需要的能源逐漸被電廠低品質的能源代替，尿素熱解和水解的運行成本將會降低到一個更加合理的水平，其應用會逐漸得到推廣。

[1]中國大唐集團科技工程有限公司.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]張強.燃煤電站SCR煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[3]孫克勤，鐘泰.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[4]華能北京熱電有限責任公司.尿素熱解和水解技術在鍋爐煙氣脫硝工程中的應用[Z].北京，2010-5-6.

[5]火電廠大氣污染排放標準（二次征求意見稿）[S].2011.

Technical Summarization on Ammonia Manufacture from De-saltpeter Urea in Power Plant

ZHU Chong, GENG Gui-gan, TENG Jian-jun, SONG Zheng-hua
(Jiangsu Kehang International Engineering Group Co., Ltd, Yancheng Jiangsu 224051, China)

The preparation materials of SCR de-saltpeter which uses reducing agent ammonia gas are liquid ammonia,ammonia and urea. Since liquid ammonia technology system is simple and the transportation, investment and operation costs are lower, so it has been applied widely in the present project, but the security demand of the system is strict. In line with《the Discrimination Standard for Major Hazardous Source of Hazardous Chemicals》（GB18218—2009）, when the reserve of liquid ammonia exceeds 10 tons, then it is regarded as a major hazardous source. Therefore, some special cities (such as Beijing, Guangzhou) demand that the preparation system of reducing agent adopts urea technology of low security demand.The urea technology use pyrogenation method and hydrolyzation method to produce ammonia. The article separately explains the tech-nical principle and technology flow of two technologies.

SCR de-saltpeter; urea; pyrogenation; hydrolyzation; pyrogenation furnace

X701

A

1006-5377（2012）10-0047-03