尿素水解制氨工藝在煙氣脫硝中的應(yīng)用

段飛飛

（內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

1 概述

選擇性催化還原法（SCR）是目前世界上技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多的電廠煙氣脫硝工藝。根據(jù)其反應(yīng)原理，SCR煙氣脫硝所需還原劑為氨氣。氨氣通?？梢酝ㄟ^氨水、液氨或尿素三種原料獲取。氨水由于設(shè)備建造、運(yùn)行成本較高，以及運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用等存在安全隱患的原因，自20世紀(jì)90年代以后，已經(jīng)很少被用作脫硝還原劑。液氨（NH3）在前幾年的項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛，但由于液氨屬易燃、易爆、有毒危險(xiǎn)品，因此也在運(yùn)輸、卸料、儲(chǔ)存、運(yùn)行、檢修等環(huán)節(jié)存在極大的安全隱患。目前國家嚴(yán)格要求安全運(yùn)行，以尿素作為原料制取氨氣相對(duì)于氨水及液氨具有較高的安全性，因此尿素已逐步代替液氨作為還原劑制備氨氣。

尿素水解制氨工藝的原理是：尿素水溶液在一定溫度下會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生氨氣。其化學(xué)反應(yīng)式為：NH2-CO-NH2＋H2O → 2NH3↑＋CO2↑[1]。尿素水解制氨系統(tǒng)由尿素顆粒儲(chǔ)存和溶解輸送系統(tǒng)、尿素水解系統(tǒng)組成。尿素顆粒在尿素溶解罐中配置成40%～60%濃度的尿素溶液后儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。尿素溶液通過泵輸送到水解反應(yīng)器后水解產(chǎn)生氨氣，氨氣隨后進(jìn)入SCR區(qū)的空氣混合器后噴入煙道用作煙氣脫硝的還原劑。

由于尿素水解制氨系統(tǒng)避免了液氨的裝卸、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等問題，水解器制備氨隨制隨用，無需儲(chǔ)存，徹底解決了電廠脫硝工程還原劑制備系統(tǒng)的安全隱患。機(jī)組尿素水解制氨系統(tǒng)主要的能源方式是電廠的蒸氣，所需要的蒸氣參數(shù)為：壓力1.0MPa、溫度180℃以上，單臺(tái)機(jī)組脫硝尿素耗量為380kg/h，蒸氣耗量約為2.0t/h。

2 尿素水解工藝系統(tǒng)簡介

尿素水解制氨工藝主要由尿素顆粒儲(chǔ)存和溶解輸送系統(tǒng)、尿素水解系統(tǒng)[2]組成（如下圖）。

尿素催化水解系統(tǒng)簡圖

2.1 尿素溶解及輸送系統(tǒng)

尿素采用袋裝（50kg，總氮≥46.4，粒徑范圍1.18～3.35mm，執(zhí)行《尿素標(biāo)準(zhǔn)》（GB2440-2001），尿素通過運(yùn)輸車運(yùn)到尿素溶液制備區(qū)后，儲(chǔ)存在尿素儲(chǔ)倉間內(nèi)。在配置尿素溶液時(shí)，通過拆包破袋后送至斗提機(jī)，尿素顆粒通過斗式提升機(jī)提升到一定高度后進(jìn)入尿素溶解罐。在溶解罐中，用除鹽水制成一定濃度的尿素溶液。蒸氣盤管加熱系統(tǒng)啟動(dòng)使溶液保持在一定的溫度，提供尿素溶解所需的熱量，尿素溶液在配制過程中可通過開啟尿素溶液混合泵將尿素溶液進(jìn)行循環(huán)攪拌，使溶解更加充分。尿素溶液在尿素溶解罐內(nèi)配制完畢后通過尿液混合泵輸送至尿素溶液儲(chǔ)罐。尿素溶液儲(chǔ)罐同樣配有加熱盤管，使尿素溶液保持在一定的溫度（50℃～70℃），此時(shí)防止因溫度過低造成尿素結(jié)晶。

2.2 尿素催化水解系統(tǒng)

尿素催化水解制氨系統(tǒng)是將濃度約50%、溫度為50℃的尿素溶液通過高壓泵從尿素儲(chǔ)罐打入尿素水解罐中，在壓力0.4～0.9MPa、溫度135℃～160℃和催化劑的作用下進(jìn)行水解反應(yīng)，產(chǎn)生氨氣、二氧化碳、水蒸汽混合氣?；旌蠚饨?jīng)由減壓、流量控制調(diào)節(jié)與稀釋風(fēng)在氨空氣混合器中混合，將氨濃度稀釋至5%以下，最后進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行脫硝反應(yīng)。

3 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

3.1 尿素供應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化措施

尿素供應(yīng)采用人工拆袋、間斷供應(yīng)方式，尿素溶液儲(chǔ)存罐液位較高時(shí)停止供應(yīng)，液位低時(shí)拆袋供應(yīng)。工人在供應(yīng)前先將袋裝尿素集中在斗提機(jī)下料口周圍，然后拆袋，在人工投料過程中容易存在將袋繩及其他雜物掉入斗提機(jī)內(nèi)的情況。為了防止尿素溶液管道堵塞，在尿素溶液混合泵前加裝濾網(wǎng)，定期進(jìn)行清理，可有效防止因尿素溶液堵塞造成系統(tǒng)停運(yùn)，也可防止雜質(zhì)混入水解模塊，影響制氨效率。

通常尿素供應(yīng)只有一套斗提機(jī)加注尿素的設(shè)備，當(dāng)斗提機(jī)出現(xiàn)故障或大修時(shí)，不能滿足尿素的正常供應(yīng)，故在尿素溶解罐的上部另設(shè)計(jì)一個(gè)人工加注口，在斗提機(jī)不能正常使用時(shí)可保證機(jī)組正常尿素供應(yīng)。

3.2 尿素溶液室外輸送管道的防凍措施

尿素制備區(qū)與尿素水解區(qū)距離約400米，錫林浩特冬季室外最低溫度可達(dá)-42℃，為防止尿素在管道內(nèi)結(jié)晶，管道伴熱采用蒸氣伴熱和電伴熱，正常運(yùn)行時(shí)用蒸氣伴熱，在蒸氣伴熱出現(xiàn)故障時(shí)采用電伴熱。伴熱的可靠性對(duì)輸送管路正常運(yùn)行至關(guān)重要。

3.3 催化水解排污處理措施

尿素及催化劑含有雜質(zhì)及反應(yīng)過程中產(chǎn)生的污染物，所以需要定時(shí)清理反應(yīng)器中的固體、沉積物和其他污染物，使其保持至最小值。排污時(shí)間及頻率：1）反應(yīng)器廢水排污建議排污時(shí)間2分鐘，每周進(jìn)行1次，將反應(yīng)器底部雜質(zhì)排凈；2）反應(yīng)器表面排污建議排污時(shí)間2分鐘，每3周進(jìn)行1次，將反應(yīng)器表面雜質(zhì)排凈。根據(jù)化驗(yàn)?zāi)蛩貜U水水質(zhì)（如表1），可將尿素廢水排至鍋爐零米煤泥水池，1周產(chǎn)生廢水約10m3，尿素溶液呈中性，不會(huì)對(duì)煤泥水系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕作用。

表1 尿素水解廢水成分

3.4 管道氣體置換措施

氨氣爆炸極限為15.7%～27.4%，其火災(zāi)危險(xiǎn)性屬乙類2項(xiàng)物品。對(duì)于電廠，在機(jī)組初次投運(yùn)脫硝供氨系統(tǒng)時(shí)，噴氨管道需先進(jìn)行惰性氣體（氮?dú)猓┲脫Q，防止管路中的氨氣濃度達(dá)到爆炸極限。當(dāng)供氨管路及箱罐存在檢修工況時(shí)，也必須進(jìn)行惰性氣體置換，防止由于氨氣濃度處于極限濃度范圍，導(dǎo)致爆炸現(xiàn)象發(fā)生。

緊急關(guān)機(jī)時(shí)，必須及時(shí)手動(dòng)吹掃氨氣管線，停機(jī)后必須及時(shí)手動(dòng)吹掃廢氣管線，以防止氨氣在管路中凝結(jié)堵塞管路。

3.5 反應(yīng)器長期使用的維護(hù)

如系統(tǒng)運(yùn)行超過兩年，建議每兩年堿煮一次（如系統(tǒng)運(yùn)行能滿足脫硝需要?jiǎng)t不需要堿煮），堿煮過程如下：1）反應(yīng)器內(nèi)溶液排凈后加除鹽水至高液位沖洗后，再加除鹽水煮洗，煮洗完成后排空除鹽水；2）利用催化劑罐加水溶堿（用脫鹽水溶解純堿Na2CO3250kg、磷酸三鈉15kg至催化劑罐液位1500mm），開攪拌器，使溶質(zhì)盡快溶解；3）利用催化劑泵將溶解好的堿液打入反應(yīng)器，補(bǔ)除鹽水至高液位，同時(shí)用蒸氣加熱反應(yīng)器內(nèi)水溶液提壓至0.1MPa；4）注除鹽水和升溫同時(shí)進(jìn)行，最終達(dá)到壓力0.2MPa，120℃，煮洗至少24小時(shí)（堿洗過程中不排氣，每隔4小時(shí)排污兩分鐘，保持液位）；5）除鹽水再次清洗：堿洗結(jié)束后先從各個(gè)導(dǎo)淋排放口排放堿液直至完全排空，再充入除鹽水沖洗一遍。

4 尿素水解罐合理布置及安全性評(píng)價(jià)

合理優(yōu)化氨氣管道路徑，可有效防止氨氣管道因溫降導(dǎo)致結(jié)晶的故障。經(jīng)綜合考慮，將尿素水解罐布置在鍋爐房零米，尿素水解后的氨氣管道布置在鍋爐房內(nèi)，可有效降低熱損失，提高氨氣管道輸送的可靠性。

在尿素水解項(xiàng)目中，水解器制氨系統(tǒng)是集壓力容器、閥門、儀表、電氣控制、鋼結(jié)構(gòu)底座、電伴熱系統(tǒng)、防腐保溫為一體的整體撬塊模塊化產(chǎn)品，其壓力容器和閥門管道已在出廠前進(jìn)行了全面檢測，并且其中的電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和相關(guān)設(shè)備均采用防爆產(chǎn)品。水解器制氨系統(tǒng)不屬于火災(zāi)危險(xiǎn)性較高的設(shè)備，從以下兩方面說明。

（1）設(shè)備設(shè)計(jì)角度

水解器本身有多重安全防護(hù)，包括但不限于關(guān)斷蒸氣輸入、泄放水解器內(nèi)氣相壓力、泄放水解器內(nèi)液相溶液、安全閥起跳、爆破片爆破等，以及在可能會(huì)產(chǎn)生泄漏的管道接口、法蘭接口處均設(shè)置有進(jìn)口氨氣泄漏監(jiān)測儀，一旦檢測到氨氣泄漏將連鎖控制關(guān)斷反應(yīng)器的運(yùn)行，停止繼續(xù)產(chǎn)生氨氣并將壓力容器內(nèi)的氨氣排入水解器旁的廢水箱融水稀釋處理。

（2）產(chǎn)品氣成分角度

水解器產(chǎn)品氣為尿素分解后的氨氣、二氧化碳、水蒸汽的混合氣，其中氨氣體積僅占產(chǎn)品氣的37.5%。氨氣分類為非易燃?xì)怏w，由于其引燃的靈敏度較小，在正常處理中很少發(fā)生易燃的情況，在溫度為651℃的條件下，如果出現(xiàn)火焰或火花，氨蒸氣將會(huì)被點(diǎn)燃，但僅限于空氣中氨的體積占15%～28%的范圍內(nèi)，燃燒所產(chǎn)生的熱量不足以維持繼續(xù)燃燒，因此在移除火源之后將會(huì)被撲滅。根據(jù)《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50058-2014），氨氣的引燃溫度為651℃，爆炸極限下限為15%、上限為28%、相對(duì)密度0.6，規(guī)范條文說明“經(jīng)驗(yàn)表明，氨很難被點(diǎn)燃，而且在戶外釋放的氣體將會(huì)迅速擴(kuò)散，因此爆炸性氣體環(huán)境的范圍將被忽略?！备鶕?jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2014）第3.1.2 “同一座廠房或廠房的任一防火分區(qū)內(nèi)有不同火災(zāi)危險(xiǎn)性生產(chǎn)時(shí)，廠房或防火分區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)性類別應(yīng)按火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的部分確定；當(dāng)生產(chǎn)過程中使用或產(chǎn)生易燃、可燃物的量較少，不足以構(gòu)成爆炸或火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)，可按實(shí)際情況確定；當(dāng)符合下述條件之一時(shí)，可按火災(zāi)危險(xiǎn)性較小的部分確定：1）火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的生產(chǎn)部分占本層或本防火分區(qū)建筑面積的比例小于5%或丁、戊類廠房內(nèi)的油漆工段小于10%，且發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)不足以蔓延至其他部位或火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的生產(chǎn)部分采取了有效的防火措施”；規(guī)范條文說明3.1.2條規(guī)定“另外，有的生產(chǎn)過程中雖然使用或產(chǎn)生易燃、可燃物質(zhì)，但是數(shù)量少，當(dāng)氣體全部逸出或可燃液體全部氣化也不會(huì)在同一時(shí)間內(nèi)使廠房內(nèi)任何部位的混合氣體處于爆炸極限范圍內(nèi)，或即使局部存在爆炸危險(xiǎn)、可燃物全部燃燒也不可能使建筑物著火而造成災(zāi)害。如：機(jī)械修配廠或修理車間，雖然使用少量的汽油等甲類溶劑清洗零件，但不會(huì)因此而發(fā)生爆炸。所以，該廠房的火災(zāi)危險(xiǎn)性仍可劃分為戊類。又如，某場所內(nèi)同時(shí)具有甲、乙類和丙、丁類火災(zāi)危險(xiǎn)性的生產(chǎn)或物質(zhì)，當(dāng)其中產(chǎn)生或使用的甲、乙類物質(zhì)的量很小，不足以導(dǎo)致爆炸時(shí)，該場所的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別可以按照其他占主要部分的丙類或丁類火災(zāi)危險(xiǎn)性確定。2）一般情況下可不按物質(zhì)危險(xiǎn)特性確定生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)性類別的最大允許量，參見表2?！盵3]表2中氨的最大允許值為，與房間容積比值5L/m3、總量50m3。錫林浩特某電廠水解器壓力容器的體積為27m3，兩臺(tái)水解器壓力容器的總體積僅有54m3，其中一半體積為待反應(yīng)的尿素溶液，產(chǎn)品氣混合氣中的氨氣全部量不足11m3。按規(guī)范規(guī)定可不按乙類火災(zāi)危險(xiǎn)性判定，故水解模塊可放置在鍋爐零米。

表2 可不按物質(zhì)危險(xiǎn)特性確定生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)性類別的最大允許量

5 結(jié)語

由于國內(nèi)近幾年液氨儲(chǔ)存和運(yùn)輸事故頻發(fā)，脫硝還原劑由液氨改為尿素勢在必行。通過對(duì)尿素水解系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證了尿素水解制氨系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，有效保障了脫硝效率，滿足了NOx的排放指標(biāo)，具有較高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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