尿素深度水解制氨技術在電廠脫硝系統(tǒng)中的應用

佘曙星

摘 要：隨著人們對安全性的重視日益提高，越來越多的脫硝系統(tǒng)選擇尿素作為還原劑的制備原料。文章介紹了尿素合成工藝中的尿素深度水解技術經過改進，應用于SCR技術的還原劑制備系統(tǒng)。作為跨行業(yè)技術應用的一個探索，該技術的工程應用為脫硝還原劑制備系統(tǒng)提供一個新的選擇。

關鍵詞：尿素；深度水解；制氨；脫硝

中圖分類號：X773 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）5-0033-02

隨著對環(huán)保工作的重視日益提高，我國從2008年開始逐漸開展對鍋爐氮氧化物排放的治理工作。2014年7月1日起，火力發(fā)電廠將執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）中表Ⅰ的排放限值，氮氧化物排放濃度控制更為嚴格。通過低氮燃燒技術控制氮氧化物的排放已很難滿足要求，這意味著必須采取煙氣脫硝的技術才能滿足新環(huán)保標準的要求。由于技術成熟和高的脫硝率，選擇性催化還原（SCR）技術是最主流的煙氣脫硝技術，絕大部分電廠的煙氣脫硝項目都采用了這種技術。

選擇性催化還原（SCR）技術是通過還原劑（NH3）在適當?shù)臏囟炔⒂写呋瘎┐嬖诘臈l件下，把氮氧化物轉化為空氣中天然含有的氮氣和水。其主要由還原劑制備系統(tǒng)、氨空氣混合系統(tǒng)、氨噴入系統(tǒng)、反應器系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)等組成。其中還原劑制備系統(tǒng)又分為液氨系統(tǒng)、氨水系統(tǒng)、尿素系統(tǒng)等。液氨是重大危險品，其運輸和存儲均存在較大安全風險。近年來關于液氨的安全事故頻發(fā)，越來越多的脫硝系統(tǒng)選擇尿素系統(tǒng)作為還原劑制備系統(tǒng)。本文介紹由化工行業(yè)合成氨工藝中廣泛應用的尿素深度水解技術經過改進，應用于SCR工藝的尿素深度水解技術。

1 尿素深度水解系統(tǒng)概述

通過提高尿素溶液濃度，對工藝系統(tǒng)進行適當改進，由化工行業(yè)尿素深度水解制氨系統(tǒng)改進后應用于電廠SCR脫硝系統(tǒng)的尿素深度水解工藝流程如下。

尿素顆粒由斗提機送入尿素溶解罐，用除鹽水或水解液進行溶解，配置成濃度約20%，溫度40 ℃的尿素溶液，由尿素溶液輸送泵送入尿素溶液儲罐。尿素溶液由給料泵從尿素溶液儲罐輸送至熱交換器，經水解液預熱后進入水解器上部的板式塔，然后進入水解器。在水解器中，控制一定的溫度壓力，尿素徹底水解變?yōu)榘睔夂投趸?，以氣態(tài)方式從水解器頂部進入板式塔后，進入氨氣緩沖罐。而含有微量尿素的水解液從水解器底部進入分離器，經過蒸汽再次加熱，將水解液中殘留的尿素進一步分解，氨氣進入氣氨緩沖罐，水解液進入熱交換器與尿素溶液換熱后，經過板式水冷器冷卻，排入水解液緩沖罐備用。尿素深度水解工藝流程圖如圖1所示。

2 尿素深度水解系統(tǒng)組成

尿素深度水解制氨系統(tǒng)主要由尿素存儲車間、斗式提升機、尿素溶解罐、尿素溶液輸送泵、尿素溶液儲罐、給料泵、熱交換器、板式水冷器、分離器、水解器、板式塔、氣氨緩沖罐、水解液緩沖罐、過濾器、蒸汽減溫減壓裝置、氨氣吸收罐、無油空壓機等設備組成。

2.1 尿素溶液制備和存儲系統(tǒng)

2.3 水解系統(tǒng)

水解系統(tǒng)是尿素深度水解制氨系統(tǒng)的核心單元。尿素溶液經過水解液初步預熱后，進入水解器上部的板式塔。板式塔由一個圓柱形殼體和其中按一定間距水平設置的若干篩板組成。尿素溶液在重力作用下自上而下通過各層篩板進入水解器，產品氣在壓差推動下經均布在篩板上的小孔由下而上穿過各層篩板后由塔頂排出，通過管道進入氣氨緩沖罐備用。在每塊塔板上皆貯有一定的尿素溶液，產品氣在穿過板上液層時，兩相接觸進行傳質。尿素溶液進入水解器后，控制壓力1.3 MPa，溫度190 ℃的環(huán)境下，水解為氨氣和二氧化氮。尿素水解時會生成中間產物甲銨，甲銨具有很強的腐蝕性，但在空氣存在的環(huán)境下會快速分解。系統(tǒng)設計無油空壓機向水解器內加入防腐空氣，以加速甲銨的分解。

水解反應生成的氨氣、二氧化碳、防腐空氣和水蒸氣一起稱為產品氣，產品氣組分見表1。水解器排出的溶液稱為水解液，其中含有微量的尿素。水解液通過管道進入分離器，分離器通過蒸汽進一步加熱，控制壓力1.3 MPa，溫度190 ℃的環(huán)境，將水解液中殘留的尿素完全分解，產品氣進入氣氨緩沖罐，水解液進入熱交換器預熱尿素溶液，再經過板式水冷器冷卻后進入水解液緩沖罐備用。

2.4 蒸汽減溫減壓系統(tǒng)

尿素深度水解制氨系統(tǒng)使用的汽源為電廠中壓供熱蒸汽，汽源壓力約3.5 MPa，溫度420 ℃。經過減溫減壓裝置，得到壓力1.7 MPa，溫度210 ℃的蒸汽，供水解系統(tǒng)使用。

2.5 氨氣吸收系統(tǒng)

尿素水解區(qū)域內設置有氨氣吸收系統(tǒng)，用于事故狀態(tài)下氨氣的吸收，主要由氨氣吸收罐、連接管道和噴淋水管組成。水解器、氣氨緩沖罐安全門排放管道連接至氨氣吸收罐，水解器出口有管道直排氨氣吸收罐。當出現(xiàn)異常時，氨氣排入氨氣吸收罐，當吸收罐內溫度達到40 ℃時，自動開啟噴淋，大量消防水噴出吸收氨氣。含氨廢水通過氨氣吸收罐的溢流水管排出，進入廢水坑。

尿素水解區(qū)域內還設置有消防水噴淋系統(tǒng)，用于氨氣外漏時啟動事故噴淋。含氨廢水通過區(qū)域內地溝排入廢水坑。

2.6 廢水處理系統(tǒng)

尿素水解系統(tǒng)設置有過濾器，安裝在水解液排放至水解液緩沖罐管道上，可將系統(tǒng)內雜質過濾，雜質通過定期清理過濾器去除。過濾器設置有排廢水管道，通過定期排污，將廢水排放至廢水坑。廢水坑的廢水定期排放至污水處理廠進行處理。

3 結 語

尿素深度水解制氨系統(tǒng)作為首個電廠脫硝系統(tǒng)的工程應用項目，邁出了化工電力跨行業(yè)技術應用的實踐腳步。與國外應用較多的AOD、U2A、SafeDeNOx等尿素水解技術相比，該技術的工藝特點如下：

①不使用催化劑，使用化工行業(yè)水解專利技術，反應速度略優(yōu)于AOD、U2A技術。

②水解器后設置分離器進一步反應，可以將水解液中尿素濃度降至最低。

③設置過濾系統(tǒng)，可有效去除添加尿素顆粒帶入系統(tǒng)中的雜質。

④尿素溶液濃度低，降低尿素溶液結晶和管道堵塞的風險。

⑤由于系統(tǒng)反應的壓力和溫度不恒定，尿素水解反應的化學平衡狀態(tài)也在變化，造成氨的氣體組成成分也變化，對控制帶來不方便。

⑥國產技術，工程應用成本較低。

該系統(tǒng)投運至今已有一年多的時間，經過調試和運行調整，系統(tǒng)運行逐漸穩(wěn)定，可以滿足兩臺330 MW機組脫硝系統(tǒng)的供氨需求。

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