火力發(fā)電廠尿素催化水解制氨技術(shù)應(yīng)用

黃 琳

（廣東省粵瀧發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東羅定 527200）

0 引言

我國(guó)燃煤電站NOx的排放量隨著火電行業(yè)的發(fā)展呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1-2]。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)NOx的控制指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格[3]，控制NOx排放，已經(jīng)成為治理大氣的必經(jīng)途徑?；鹆Πl(fā)電廠脫硝所需的還原劑通常采用液氨和氨水，這兩種物資的運(yùn)輸過(guò)程、儲(chǔ)存和使用都存在著較大的安全隱患；一旦發(fā)生泄漏事故可能會(huì)造成經(jīng)濟(jì)影響、環(huán)境污染和公眾健康等方面的影響；特別是城市周邊及人口密集區(qū)的電廠面臨的安全壓力尤為突出，采用一種安全、經(jīng)濟(jì)的還原劑制備方式在以上區(qū)域電廠是必經(jīng)之路。

1 設(shè)備概況

羅定電廠鍋爐為東方鍋爐廠制造的DG420/13.7-Ⅱ2一次中間再熱П型布置、超高壓自然循環(huán)鍋爐，采用四角切園燃燒方式。機(jī)組于2004年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)燃用無(wú)煙煤。改造前裝設(shè)煙氣脫硝SNCR+SCR（非催化還原+選擇性催化還原的耦合脫硝工藝）系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)50 mg/m3的超低排放要求，對(duì)現(xiàn)有的SCR脫硝進(jìn)行改造，由于原有脫硝系統(tǒng)沒有配備液氨或氨水系統(tǒng)，SCR所需的還原劑需要重新改造增設(shè)，現(xiàn)有的尿素制備系統(tǒng)已經(jīng)有尿素的溶解、儲(chǔ)存等設(shè)備。

2 尿素制氨技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前尿素制氨技術(shù)主要有尿素?zé)峤狻⑵胀ㄋ夂湍蛩卮呋饧夹g(shù)3種。熱解技術(shù)是利用熱空氣作為熱源，在（450～600）℃來(lái)快速分解40%～55%的尿素溶液[4]。水解技術(shù)都是先將尿素溶解制成50%左右濃度的尿素水溶液，將尿素溶液輸送到水解器，在水解器內(nèi)將尿素轉(zhuǎn)化為氨氣，再將氨氣輸送給SCR系統(tǒng)，不同的尿素水解技術(shù)的核心及差異在于其是否添加催化劑。不同的尿素制氨工藝技術(shù)對(duì)比見表1，注：①安全性是與液氨系統(tǒng)相比較；②投資、能耗也是以液氨系統(tǒng)為基準(zhǔn)，液氨和能耗的比為1。水解由于采用電廠較為豐富的蒸汽作為熱源，能耗較低。但普通水解技術(shù)，反應(yīng)較慢需要龐大的水解器和緩沖裝置，其投資和能耗較高。

表1 尿素制氨工藝技術(shù)對(duì)比

3 尿素催化水解制氨工藝原理

3.1 化學(xué)反應(yīng)原理

尿素催化水解基本原理如圖1所示，反應(yīng)器中裝有固定量的催化劑，在反應(yīng)器操作狀況下催化劑呈熔融狀，控制反應(yīng)器在恒溫、恒壓下運(yùn)行如溫度140℃，壓力0.5 MPa的狀況下，可控制出口氣體組分，一般的NH3濃度約為37.5%，液位線為水解反應(yīng)器直徑的50%，加熱蒸汽參數(shù)1 MPa，180℃。催化劑的主要作用是通過(guò)改變了反應(yīng)路徑，從而大大加快反應(yīng)速率，反應(yīng)速度較普通水解法提高約10倍以上，負(fù)荷響應(yīng)速度達(dá)13%/min。

3.2 工藝流程說(shuō)明

將尿素倒入尿素溶液儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐由蒸汽加熱維持一定的溫度保證尿素正常配制到50%濃度。配制好的尿素溶液由尿素輸送泵送至尿素溶液儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)存。濃度約50%、溫度為50℃的尿素溶液通過(guò)高壓泵從尿素儲(chǔ)罐打入催化水解器中，在溫度（135～155）℃、壓力（0.4～0.55）MPa及催化劑的作用下進(jìn)行水解反應(yīng)生成含氨氣、二氧化碳的混合氣?；旌蠚庵泻睗舛燃s37.5%（體積濃度），通過(guò)水解器上面的汽水分離器分離后，經(jīng)由減壓、流量控制調(diào)節(jié)與稀釋風(fēng)在氨空氣混合器混合，稀釋氨濃度至5%以下，最后進(jìn)入煙道進(jìn)行脫硝。

圖1 尿素催化水解基本原理

4 催化水解特點(diǎn)

（1）能耗低、能耗成本低。調(diào)試期間，水解系統(tǒng)平均每產(chǎn)生1 kg氨氣消耗4.12 kg參數(shù)為1 MPa，180℃的飽和蒸汽，每公斤氨氣耗能8296.9 kJ，蒸汽按電廠外銷價(jià)格每噸51元人民幣計(jì)算，則水解制氨每公斤氨氣能耗成本為0.21元人民幣；調(diào)試期間，熱解系統(tǒng)平均電功率為342.2 kW，平均每產(chǎn)生1 kg氨氣消耗電量4.4 kW·h，耗能為15 840 kJ，電價(jià)按照廠用電價(jià)格計(jì)算，為0.35元人民幣/kW·h，則熱解制氨每公斤能耗成本為1.54元人民幣；水解能耗約為熱解的52%，但是由于水解消耗的是低品位蒸汽，而熱解消耗的是高品位電能，水解能耗成本約為熱解的14%。

（2）脫硝系統(tǒng)的可靠性高。尿素催化水解系統(tǒng)制取的氨氣沒有任何中間副產(chǎn)物，對(duì)催化劑和機(jī)組沒有任何副作用：尿素催化水解系統(tǒng)產(chǎn)品氣理論產(chǎn)氨量為28.3%（wt），實(shí)際產(chǎn)品氣氨氣質(zhì)量濃度為27.5%～29.2%，平均氨氣質(zhì)量濃度為28.47%（wt）。

（3）反應(yīng)速度快，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，提高脫硝系統(tǒng)考核指標(biāo)。無(wú)催化劑的活化能 Ea（J/mol）=指前因子 A（s-1）exp（-136 34/T）η=7.746×1010exp（-136 34/T）η=1.134×105（J/mol）；加入催化劑（催化劑1）的活化能Ea（J/mol）=指前因子A（s-1）exp（-8718.5/T）η=8.847×105exp（-8718.5/T）η=0.725×105（J/mol），其中，T為溫度，η為某時(shí)刻水解率。通過(guò)對(duì)活化能Ea的比較可以看出，加入催化劑后，Ea值得到顯著降低，說(shuō)明催化劑降低了尿素水解反應(yīng)的閾值，使反應(yīng)更加容易進(jìn)行。140℃下不同配方的水解率方程和速率常數(shù)比較見表2，其中，t為時(shí)間。

表2 140℃下不同配方的水解率方程和速率常數(shù)比較

氨氣響應(yīng)速度達(dá)（3～4）min，普通水解雖然能耗低，但反應(yīng)慢，設(shè)備龐大，無(wú)法滿足機(jī)組變負(fù)荷的要求。增加了催化劑后的催化水解系統(tǒng)不只是節(jié)能，而且大大加快了反應(yīng)速度，響應(yīng)速度是普通水解的10倍；氨氣量的響應(yīng)速度達(dá)到滿負(fù)荷。

5 結(jié)論

尿素催化水解系統(tǒng)為運(yùn)行系統(tǒng)，可大大提高脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。能耗低、能耗成本低、尿素利用率高，產(chǎn)生氨氣純度高，無(wú)中間副產(chǎn)物，因此，實(shí)施尿素催化水解改造工程是必要的。