烟气脱硝中尿素水解制氨工艺的应用

选择性催化还原法(SCR)是目前世界上技术最成熟、应用最多的电厂烟气脱硝工艺。根据其反应原理，SCR烟气脱硝所需还原剂为氨气。氨气通常可以通过氨水、液氨或尿素三种原料获取。

氨水由于建造、运行成本高，运输、卸料、储存、使用等环节均存在安全隐患的原因，自20世纪90年代以后，已经很少被用作脱硝还原剂。液氨在前几年的项目中应用广泛。但由于液氨(NH3)属易燃、易爆、有毒危险品，因此在运输、卸料、储存、运行、检修等各个环节均存在极大安全隐患。

以尿素作为原料制取氨气相对于氨水及液氨具有较高的安全性，随近几年国家对安全运行要求的提高，已逐步代替液氨做为还原剂制备原料。

尿素水解制氨工艺的原理是尿素水溶液在一定温度下会发生水解反应产生氨气。其化学反应式为：NH2-CO-NH2＋ H2O → 2NH3 ↑ ＋ CO2 ↑[1]尿素水解制氨系统由1)尿素颗粒储存和溶解输送系统2)尿素水解系统组成。

尿素颗粒在尿素溶解罐中配置成约40%-60%浓度的尿素溶液，随后尿素溶液储存在尿素溶液储罐中。尿素溶液通过泵输送到水解反应器中水解产生氨气，氨气随后进入SCR区氨空气混合器后喷入烟道用作烟气脱硝的还原剂。

由于尿素水解制氨系统解决了液氨的装卸、运输、储存等问题，水解器制氨备案随制随用，无需储存，彻底解决了电厂脱硝工程还原剂制备系统的安全隐患问题。

本机组尿素水解制氨系统主要的能源方式是电厂的冷再蒸汽，所需要的蒸汽参数为：压力1.0MPa，温度180℃以上，单台机组脱硝尿素耗量为380kg/h，蒸汽耗量约为2.0t/h，尿素水解撬块布置在锅炉零米。

尿素水解制氨工艺主要由2部分组成：尿素颗粒储存和溶解输送系统、尿素水解系统[2]，如图1

图1 尿素催化水解系统简图

2.1尿素溶解及输送系统

尿素采用袋装（50kg，总氮≥46.4，粒径范围d1.18-3.35mm，执行标准GB2440-2001），尿素通过运输车运入到尿素溶液制备区后，储存在尿素储仓间内。在配置尿素溶液时，通过拆包破袋后送至斗提机，尿素颗粒通过斗式提升机提升到一定高度后进入尿素溶解罐。

在溶解罐中，用除盐水制成一定浓度的尿素溶液。蒸汽盘管加热系统启动使溶液的温度保持在一定的温度，提供尿素溶解所需热量，在溶解过程中开动搅拌器，使溶解更加充分。

尿素溶液在在配制过程中可以通过开启尿素溶液混合泵将尿素溶液打循环，使溶解更加充分。尿素溶液在尿素溶解罐内配制完毕后通过尿液混合泵输送至尿素溶液储罐。尿素溶液储罐同样配有加热盘管，使溶液保持在一定的温度（50~70℃），防止因温度过低造成尿素结晶。

2.2尿素催化水解系统

尿素催化水解制氨系统是将浓度约50%、温度为50℃的尿素溶液通过高压泵从尿素储罐打入尿素水解罐中，在压力0.4-0.9Mpa、温度135-160℃和催化剂的作用下进行水解反应，产生氨气、二氧化碳、水蒸汽混合气。

混合气经由减压、流量控制调节与稀释风在氨空气混合器混合，稀释氨浓度至5%以下，最后进入SCR反应器内进行脱硝反应。

3.1尿素供应系统优化措施

尿素供应采用人工拆袋、间断供应方式，储存罐液位较高时停止供应，液位低时拆袋供应。

工人在供应前先将袋装尿素集中在斗提机下料口周围，然后拆袋，在人工投料过程中容易存在将袋绳及其他杂物掉入斗提机内，为了防止尿素溶液管道堵塞在尿素溶液混合泵前加装滤网，定期进行清理，可有效的防止因尿素溶液堵塞造成系统停运，也可防止杂质混入水解模块，影响制氨效率。

通常尿素供应只有一路斗提机加注尿素的设备，当斗提机出现故障或大修时，不能满足尿素正常供应，故在尿素溶解罐上部另设计一个人工加注口，在斗提机不能正常使用时可以保证机组正常尿素供应。

3.2尿素溶液室外输送管道的防冻措施

尿素制备区与尿素水解区距离约400米，锡林浩特冬季室外最低温度可达-42℃，，为了防止管道结晶，管道伴热采用蒸汽伴热和电伴热，正常运行时用蒸汽伴热，在蒸汽伴热出现故障时用电伴热。伴热的可靠性对输送管路正常运行至关重要，。

3.3催化水解排污处理措施

尿素及催化剂含有的杂质，以及反应过程中产生的污染物，所以需要定时清理反应器中的固体、沉积物和其他污染物，使其保持至最小值。排污时间及频率：①反应器废水排污建议排污时间2分钟，每周进行一次，将反应器底部杂质排净；②反应器表面排污建议排污时间2分钟，每3周进行一次，将反应器表面杂质排净。

根据化验尿素废水水质，如表1，可将尿素废水排至锅炉零米煤泥水池，一周产生废水约10m3，尿素溶液呈中性，不会对煤泥水系统产生腐蚀作用。

表1尿素水解废水成分

3.4管道气体置换措施

氨气爆炸极限为15.7～27.4%，其火灾危险性属于乙类2项物品。对于电厂，在机组初次投运脱硝供氨系统时，喷氨管道需先进行惰性气体（氮气）置换，防止在管路中氨气浓度达到爆炸极限。当供氨管路及箱罐存在检修工况时，也必须进行气体惰性气体置换，防止由于氨气浓度处于极限浓度范围，导致爆炸现象的发生。

紧急关机时，必须及时手动吹扫氨气管线，停机后必须及时手动吹扫废气管线，以防止氨气在管路中凝结堵塞管路。

3.5反应器长期使用的维护

如系统运行超过两年以上，建议每两年碱煮一次（如系统运行能满足脱硝需要则不需要碱煮），碱煮过程如下：

（1）反应器内溶液排净后加除盐水至高液位冲洗后，在加除盐水煮洗，煮洗完成后排空除盐水；

（2）利用催化剂罐加水溶碱（用脱盐水溶解纯碱Na2CO3 250kg、磷酸三钠15kg至催化剂罐液位1500mm），开搅拌机，使溶剂尽快溶解；

（3）利用催化剂泵将溶好的碱液打入反应器，补除盐水至高液位，同时用蒸汽加热反应器内水溶液提压至0.1MPa；

（4）注除盐水和升温同时进行，最终达到压力0.2MPa，饱和温度（120℃）下煮洗至少24小时左右；（碱洗过程中不排气，每隔4小时排污两分钟，保持液位）

（5）脱盐水再次清洗：碱洗结束后先从各个导淋排放口排放碱液直至完全排空，再充入脱盐水冲洗一遍。

合理优化氨气管道路径可以有效防止氨气管道因温降导致结晶的故障，经过综合考虑将尿素水解罐布置在锅炉房零米，尿素水解后的氨气管道布置在锅炉房内，可有效的降低热损失，提高氨气管道输送的可靠性。

在尿素水解项目水解器制氨系统是集压力容器、阀门、仪表、电气控制、钢结构底座、电伴热系统、防腐保温为一体的整体撬块模块化产品，其压力容器的检测、阀门管道的检测已在出厂前进行了全面检测，并且其中的电机、执行机构和相关设备均采用防爆产品。水解器制氨系统不属于火灾危险性较高的设备，从以下两方面进行说明：

4.1设备设计角度阐述

水解器本身有多重安全防护，包括但不限于关断蒸汽输入、泄放水解器内气相压力、泄放水解器内液相溶液、安全阀起跳、爆破片爆破等，以及在可能会产生泄漏的管道接口、法兰接口处均设置有进口氨泄漏监测仪，一旦检测到氨气泄漏将连锁控制关断反应器的运行，停止继续产生氨气并且将压力容器内的氨气排入水解器旁的废水箱融水稀释处理。

4.2产品气成分阐述

水解器产品气为尿素分解后的氨气、二氧化碳、水蒸气的混合气，其中氨气体积仅占产品气的37.5%。氨气分类为非易燃气体，由于其引燃的灵敏度较小，在正常处理中很少发生易燃的情况，在温度为651°C的条件下如果出现火焰或火花，氨蒸汽将会被点燃，但仅限于空气中氨的体积占15%~28%的范围之内，燃烧所产生的热量不足以维持继续燃烧，因此在移除火源之后将会被扑灭。

根据GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》，氨气的引燃温度为651°C，爆炸极限下限为15%，上限为28%，相对密度0.6，规范条文说明 “经验表明，氨很难被点燃，而且在户外释放的气体将会迅速扩撒，因此爆炸性气体环境的范围将被忽略。”

根据GB50016-2014《建筑设计防火规范》第3．1．2 “同一座厂房或厂房的任一防火分区内有不同火灾危险性生产时，厂房或防火分区内的生产火灾危险性类别应按火灾危险性较大的部分确定；当生产过程中使用或产生易燃、可燃物的量较少，不足以构成爆炸或火灾危险时，可按实际情况确定；当符合下述条件之一时，可按火灾危险性较小的部分确定：

（1） 火灾危险性较大的生产部分占本层或本防火分区建筑面积的比例小于5％或丁、戊类厂房内的油漆工段小于10％，且发生火灾事故时不足以蔓延至其他部位或火灾危险性较大的生产部分采取了有效的防火措施；”规范条文说明3.1.2条规定“另外，有的生产过程中虽然使用或产生易燃、可燃物质，但是数量少，当气体全部逸出或可燃液体全部气化也不会在同一时间内使厂房内任何部位的混合气体处于爆炸极限范围内，或即使局部存在爆炸危险、可燃物全部燃烧也不可能使建筑物着火而造成灾害。

如：机械修配厂或修理车间，虽然使用少量的汽油等甲类溶剂清洗零件，但不会因此而发生爆炸。所以，该厂房的火灾危险性仍可划分为戊类。

又如，某场所内同时具有甲、乙类和丙、丁类火灾危险性的生产或物质，当其中产生或使用的甲、乙类物质的量很小，不足以导致爆炸时，该场所的火灾危险性类别可以按照其他占主要部分的丙类或丁类火灾危险性确定。

(2)一般情况下可不按物质危险特性确定生产火灾危险性类别的最大允许量，参见表2。

表2 可不按物质危险特性确定生产火灾危险性类别的最大允许量

表2中氨的最大允许值为，与房间容积比值5L/m3，总量50m3。锡林浩特某电厂水解器压力容器的体积为27m3，两台水解器压力容器的总体积仅有54m3，其中一半体积为待反应的尿素溶液，产品气混合气中的氨气全部量不足11m3。按规范规定可不按乙类火灾危险性判定，故水解模块可放置在锅炉零米。

由于国内近几年液氨储存和运输事故频发，脱硝还原剂由液氨变为尿素势在必行，通过对尿素水解系统在运行中存在的问题进行设计优化，保证了尿素水解制氨系统运行的安全性和稳定性，有效的保障了脱硝效率，满足了NOX的排放指标，具有较高的推广价值。