尿素催化水解技術(shù)在中小型燃用煤粉機(jī)組的應(yīng)用及推廣

張勇

摘要：當(dāng)前火電廠脫硝環(huán)節(jié)中使用的尿素制氨工藝普遍采用尿素?zé)峤馄胀ㄋ饧夹g(shù)，這兩種技術(shù)存在著能耗高、運行成本高、水解效率低等問題。本文基于當(dāng)前尿素制氨環(huán)節(jié)的痛點，深入研究了尿素催化水解制氨工藝，闡述尿素水解系統(tǒng)的優(yōu)點，根據(jù)某電廠350MW機(jī)組實例，對其應(yīng)用尿素水解系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)水，并對應(yīng)用后運行效果、試驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出尿素水解系統(tǒng)對中小型燃煤機(jī)組具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：尿素水解系統(tǒng);節(jié)能應(yīng)用;可行性及性能保證

中圖分類號：TQ319 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

隨著近年來環(huán)保形勢越來越嚴(yán)峻，SCR脫硝技術(shù)已經(jīng)成為電廠主流脫硝技術(shù)，其還原劑NH3的來源有三種：液氨、氨水和尿素。由于液氨是危險化學(xué)品，隨著國家對安全的日益重視，逐漸出臺一系列相關(guān)的限制措施，使得電廠在用液氨時會在審批、工期、占地等諸多方面受到越來越多的制約，投運后通過環(huán)保驗收的程序也較為繁瑣;氨水也因為其運行成本居高不下而受到應(yīng)用的局限。作為無危險的制氨原料，尿素具有與液氨相同的脫硝性能，是綠色肥料、無毒性，使用完全，因而沒有法規(guī)限制，并且便于運輸、儲存和使用。目前在國內(nèi)SCR脫硝采用尿素為還原劑已經(jīng)成為一種趨勢，并逐漸成為主流，尤其是在一些重點區(qū)域和離居民區(qū)較近的城市電廠，已有了越來越多的應(yīng)用。

而尿素制氨工藝中，目前在300MW及以下的中小機(jī)組比較成型的是尿素?zé)峤夤に?，熱解制氨工藝其主要缺點就是能耗高，副產(chǎn)物多，運行成本高。隨著尿素水解技術(shù)的不斷成熟，熱解終將被水解制氨技術(shù)所取代。但傳統(tǒng)水解技術(shù)也存在一定弊端，初始投資大，氨氣產(chǎn)生慢，反應(yīng)器體積龐大，造成其在中小機(jī)組難以普及，這就逐漸催生出尿素催化水解技術(shù)。

1尿素催化水解制氨工藝介紹

1.1 反應(yīng)原理

低能耗尿素催化水解技術(shù)是在尿素普通水解和熱解技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出的一種新型尿素制氨技術(shù)。其基本原理是將尿素顆粒運至電廠以后氣力輸送至儲倉，利用融溶或加蒸汽的方式配制出指定濃度（40-100%，一般為50%）的尿素溶液，再利用尿素供給泵輸送至水解反應(yīng)器。反應(yīng)器中裝有固定量的催化劑，主要成分包括NH4H2PO4（MAP）及（NH4）2HPO4（DAP）兩種成分，都是很常見的化工用品，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、恒壓下運行如溫度155℃，壓力0.8Mpa的狀況下，可控制出口氣體組分，一般的NH3濃度約為30%。催化劑的主要作用是通過改變了反應(yīng)路徑，從而大大加快反應(yīng)速率，可較傳統(tǒng)水解法的30-60min提高約30倍。

尿素的水解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。為了使反應(yīng)速率恒定，尿素、水和熱量都必須按照正確的比例供給水解器。水解器中裝有固定量的催化劑，催化劑在水解器內(nèi)可循環(huán)使用，在每次大修時更換即可。催化劑的主要作用是通過改變反應(yīng)路徑，從而大大加快反應(yīng)速率，降低響應(yīng)時間。催化水解工藝使用的反應(yīng)器充分考慮了尿素中雜質(zhì)的排除問題，在雜質(zhì)累計到一定程度后可手動將其從反應(yīng)器中排出，因此對于尿素的品質(zhì)沒有特殊要求。

1.2 工藝流程簡介

袋裝尿素人工拆包采用斗提機(jī)將尿素倒入尿素溶液儲罐，儲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罐進(jìn)行儲存。濃度約50%、溫度為50℃的尿素溶液通過高壓泵從尿素儲罐打入水解器中，在溫度135-160℃、壓力0.4-0.9MPa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。混合氣中含氨濃度約37.5%（體積濃度），通過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。

1.3 尿素催化水解技術(shù)優(yōu)勢

使用低能耗尿素催化水解技術(shù)改造后不僅能夠降低成本，還具有以下優(yōu)勢：

（1）提高脫硝系統(tǒng)的可靠性：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），經(jīng)測試實際產(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），與理論相當(dāng)。

（2）提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，優(yōu)化脫硝系統(tǒng)指標(biāo)：尿素?zé)峤庀到y(tǒng)需要通過增加尿素溶液來實現(xiàn)氨氣量的增加，且傳熱滯后，沒有蓄熱，也不允許尿素溶液量快速變化，因此，氨氣響應(yīng)速度達(dá)3-4分鐘，而水解系統(tǒng)可以直接對氨氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，此外尿素催化水解技術(shù)增加了催化劑，大大加快了反應(yīng)速度，氨氣量的響應(yīng)速度達(dá)到滿負(fù)荷的13%/min，能夠大幅度提高NOx控制的精度，優(yōu)化指標(biāo)。

2應(yīng)用尿素催化水解制氨工藝的實施方案

2.1 系統(tǒng)布置

根據(jù)尿素催化水解系統(tǒng)各管道、設(shè)備內(nèi)流動的介質(zhì)參數(shù)不同，將整個系統(tǒng)分為反應(yīng)系統(tǒng)、供給系統(tǒng)、氨空混合系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、除鹽水系統(tǒng)、催化劑給料系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)等。

2.1.1 反應(yīng)系統(tǒng)

水解器是尿素水解系統(tǒng)的主要設(shè)備，用于尿素水解產(chǎn)生氨氣。濃度約50%、溫度為50℃的尿素溶液通過高壓泵從尿素儲罐打入水解器中，在溫度135-160℃、壓力0.4-0.9MPa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。混合氣中含氨濃度約37.5%（體積濃度），通過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。

設(shè)計雙氣室尿素催化水解反應(yīng)器，主氣室用于反應(yīng)加熱，小氣室用于表面排污，實現(xiàn)了良好的表面排污及排污的二次分解，提高了尿素利用率，減少了排污損失，水解器中設(shè)有加熱盤管，以保證反應(yīng)區(qū)域的溫度。加熱盤管中的加熱介質(zhì)是爐后母管的高溫過熱蒸汽減溫減壓至170℃、0.7MPa的飽和蒸汽，加熱后形成的170℃、0.7MPa的飽和水通過疏水管道進(jìn)入疏水?dāng)U容器。疏水管道上設(shè)置疏水器、旁路手動門等閥門。

水解器上設(shè)有催化劑進(jìn)入口，催化劑通過高壓泵加入水解器中，催化劑在水解器內(nèi)可循環(huán)使用，排污過程中排掉的尿素和催化劑排入到尿素-催化劑箱經(jīng)過藍(lán)式過濾器過濾后重新回到水解反應(yīng)器，重復(fù)利用。

水解器底部設(shè)有尿素溶解進(jìn)入口，與尿素溶液系統(tǒng)相連，該進(jìn)口亦為水解器初始進(jìn)水口。此外，當(dāng)系統(tǒng)故障或停機(jī)時，需用除鹽水清洗水解器，可用高壓泵通過該進(jìn)口將除鹽水打入水解器中。該進(jìn)口管道上設(shè)置壓力傳感器、氣動球閥、逆止閥及手動閥等。

水解器上設(shè)置排污口分別與廢水箱和尿素-催化劑箱連接，泄壓口與廢水箱連接，水解器上設(shè)有兩個雷達(dá)液位測量計和三個溫度傳感器，用于測量水解器中的尿素溶液的液位和溫度。

2.1.2 供給系統(tǒng)

尿素供給系統(tǒng)主要用于向水解器提供50%的尿素溶液。為了能根據(jù)脫硝需要NH3的量控制供給尿素溶液的流量，設(shè)置了質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，此外在尿素溶液進(jìn)入水解器的管道上設(shè)置相應(yīng)的電動門、氣動關(guān)斷球閥、氣動調(diào)節(jié)閥、逆止閥門及壓力傳感器。

蒸汽供給系統(tǒng)為水解器提供反應(yīng)所需的熱量。蒸汽由電廠的爐后母管供給，通過減溫系統(tǒng)減溫減壓至170℃、0.7MPa的飽和蒸汽，此后，分為兩路，一路送入水解器的加熱盤管中，用于加熱反應(yīng)區(qū)。進(jìn)入加熱盤管的管道上需要設(shè)置壓力傳感器、溫度傳感器、氣動球閥、氣動調(diào)節(jié)閥、手動閥及相應(yīng)的閥門;另一路用于沖洗尿素溶液、氨氣和排污管道，防止管道堵塞。

2.1.3 安全和排污系統(tǒng)

安全和排污系統(tǒng)主要是由一級排污管線、二級排污管錢、三級排污管線和手動排污管線組成。一級排污管線和手動排污管線與水解器底部的排污口相連，用于日常系統(tǒng)排渣這是由于尿素中含有雜質(zhì)，當(dāng)雜質(zhì)積累到一定程度，需要進(jìn)行排污。此外，設(shè)備出現(xiàn)故障及停機(jī)時，需要進(jìn)行沖洗排污，也使用這兩個排污管道.一般情況下，用一級排污管線自動排污，當(dāng)一級排污出現(xiàn)故障時，使用手動排污。排污廢水均排入尿素-催化劑箱。一級排污管道上設(shè)置了相應(yīng)的氣動球閥、逆止閥、其他閥門及壓力傳感器，手動排污管道上設(shè)置了手動閥和其他閥門。

當(dāng)水解器壓力大于1.2MPa時，二級排污管道動作，進(jìn)行泄壓排污，保護(hù)水解器。當(dāng)經(jīng)過二級排污后，水解器的壓力還在繼續(xù)加大，當(dāng)壓力達(dá)到1.9MPa時，三級排污管道動作。二級排污管道上設(shè)置了氣動球閥、逆止閥、壓力傳感器等，三級排污管道上設(shè)置了安全閥和壓力傳感器。兩排污管道均與廢水箱連接。

2.1.4 廢水處理系統(tǒng)

廢水處理系統(tǒng)主要是除掉細(xì)沙顆粒物，處理后的溶液循環(huán)使用，達(dá)到零排放的目的。

尿素水解正常運行時，需要在線排污，將水解反應(yīng)器排污管道分兩個支路，一路進(jìn)廢液-催化劑箱，一路進(jìn)廢水箱。廢液-催化劑箱有兩個作用，一是：系統(tǒng)開車時用來溶解催化劑，將催化劑通過藍(lán)式過濾器，催化劑泵注入水解反應(yīng)器;一是：正常運行排污時，將排污液排入廢液-催化劑箱，廢液-催化劑箱中的液位最高不超高廢液-催化劑箱高度的80%，開始將廢液-催化劑箱中的排污液經(jīng)過藍(lán)式過濾器過濾，濾液由催化劑泵注入水解反應(yīng)器，進(jìn)行循環(huán)使用，達(dá)到零排放的目的。

設(shè)備停機(jī)時，將水解反應(yīng)器剩余的的尿素和催化劑混合溶液注入廢液-催化劑箱。下次啟動時重新注入到尿素水解反應(yīng)器，將脫鹽水清洗液注入廢水箱，由廢水泵將脫鹽水清洗液注入到尿素溶解區(qū)，用于溶解干尿素，脫鹽水清洗液循環(huán)使用，達(dá)到零排放的目的。

2.1.5 除鹽水系統(tǒng)

除鹽水供給系統(tǒng)分為三個支路：一路為用于水解器尿素溶液的稀釋;一路用于廢水箱稀釋;一路用于催化劑溶解箱的沖洗。除鹽水由電廠提供，其水質(zhì)要求為：SiO2≤ 20μg/L、Hardness～0μg/L、Conductivity（25DegC）≤ 0.40μS/cm，溫度為30℃，壓力為0.25MPa。

2.2 應(yīng)用情況

某電廠150MW燃用煤粉機(jī)組實際改造應(yīng)用，尿素催化水解系統(tǒng)性能評估期間，熱解與水解系統(tǒng)各測量系統(tǒng)運行正常，負(fù)荷及NOx基本接近，尿素溶液濃度均為50%（wt）。改造后應(yīng)用性能如下：

（1）尿素催化水解系統(tǒng)對尿素溶液的平均水解率為99.46%，達(dá)到較高水平。

（2）平均脫除1kgNOx，熱解系統(tǒng)平均需要1.65kg尿素，尿素催化水解系統(tǒng)需要0.99kg尿素，尿素催化水解系統(tǒng)比熱解系統(tǒng)節(jié)省40%尿素;熱解系統(tǒng)需要3.94kwh電量，尿素催化水解系統(tǒng)需要2.12kg蒸汽量和0.35kwh電量，經(jīng)核算，尿素催化水解系統(tǒng)較熱解系統(tǒng)節(jié)省成本60%

3結(jié)語

可見，尿素催化水解技術(shù)在中小型機(jī)組中能夠良好應(yīng)用，能夠滿足快速變負(fù)荷過程中脫硝的合格率，控制氮氧化物穩(wěn)定排放，滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能與降低成本，因此尿素催化水解技術(shù)在中小型機(jī)組中是有推廣意義的。

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