火电厂脱硝的尿素制氨技术概述

朱 冲，耿桂淦，腾建军，宋正华

（江苏科行环保科技有限公司，江苏 盐城 224051）

火电厂脱硝的尿素制氨技术概述

朱 冲，耿桂淦，腾建军，宋正华

（江苏科行环保科技有限公司，江苏 盐城 224051）

选择性催化还原法（简称SCR）脱硝用还原剂氨气的制备原料主要有液氨、氨水及尿素三种。由于液氨工艺系统简单，运输、投资、运行成本较低，在目前的工程中已广泛应用，但存在的缺点是对系统的安全性要求较高。根据《危险化学品重大危险源辨识标准》（GB18218—2009），液氨储量超过10吨视为重大危险源，因此，某些特殊地区（如北京、广州等地）要求还原剂制备系统采用安全性要求较低的尿素工艺。尿素工艺又分为热解法和水解法制氨，本文分别说明了两种工艺的技术原理、工艺流程。

SCR脱硝;尿素;热解;水解;热解炉

1 前言

NOx是主要的大气污染物之一，直接或间接影响大气环境质量，如光化学烟雾、大气酸沉降、平流层臭氧损耗等，此外，氮沉降量的增加会导致地表水的富营养化和陆地、湿地、地下水系的酸化和毒化，从而对陆地和水生态系统造成破坏，最终对人体健康和生态环境安全产生不利影响。

2 火电厂脱硝还原剂的选择

火电厂是NOx等大气污染物排放的主要来源。根据中国工程院的研究，我国的环境容量中氮氧化物为1200吨。以2009年的排放数据来看，仅电力行业就已经排放了1400吨氮氧化物，并且排放量还在持续增加。为了控制大气NOx污染，环保部要求以火电行业为重点，开展工业氮氧化物污染防治。在京津冀、长三角和珠三角地区，新建火电厂必须同步建设脱硝装置，2015年底前，现役机组全部完成脱硝改造。新的《火电厂大气污染物排放标准》增加的4个强制性污染物排放指标就包括氮氧化物。我国火电厂NOx排放控制尚处于起步阶段，依靠低氮燃烧技术控制NOx排放仍不能满足要求时，则需要实施烟气脱硝。烟气脱硝技术中脱硝效率最高、最为成熟的是选择性催化还原法（SCR），就是将烟气中的NOx在催化剂的作用下，与还原剂发生反应并生成无毒无污染的氮气和水。脱硝还原剂主要有液氨、氨水和尿素，其中液氨作为还原剂存在有一定的危险性，国外使用较少。氨属化学危险品分类中的2、3类，在职业性接触毒物危害程度分级为IV（轻度危害），为可燃、易爆、有毒物质。在国内，根据《重大危险源辨识》的规定，氨的使用量若超过40吨，就成为重大危险源。

尿素是氨的理想来源，它是一种稳定、无毒的固体物料，对人和环境均无害，可以被散装运输并长期储存。它不需要运输和储存方面的特殊程序，它的使用不会对人体和周围环境产生不良影响，安全成本低。近期在美国市场中，尿素作为液氨与氨水的替代产品越来越多地用于烟气脱硝工程中。尿素也可以同时脱硫和脱硝。二氧化硫与尿素反应生成硫酸铵，净化后的烟气可直接排放，硫酸铵可作为化肥出售，尿素衍生物和脱硫脱硝所用氨气也可以联产三聚氰酸。此运行模式占地面积小，无二次污染，产物可以综合利用，脱硫和脱硝投资运行费用低，符合循环经济、可持续发展理念。三种不同还原剂的技术比较见下表。

SCR还原剂尿素、氨水与液氨的技术比较表

3 尿素制氨基本工艺

尿素制氨有热解工艺和水解工艺。目前国际上应用的尿素热解技术是由美国Fuel Tech公司设计的NOxOUT ULTRA（r）尿素热解制氨技术，水解技术在1999年才开始运用在国外锅炉烟气脱硝工程，目前这样的技术主要有AOD法、U2A法及SafeDeNOx法三种。以下将分别对这两种工艺进行说明。

3.1 尿素热解制氨工艺介绍

尿素的分子式为CO(NH2)2，亦称脲，分子量为60.06，无色或白色针状或棒状结晶体，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒，无臭无味，密度1.335g/cm3，熔点132.7℃，溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微碱性，可与酸作用生成盐。对热不稳定，加热至150℃～160℃将脱氨成缩二脲，若迅速加热将完全分解为氨气和二氧化碳。

3.1.1 尿素热解制氨系统

如图1所示，尿素颗粒储存于储仓，由称重给料机（或计量罐）输送到溶解罐里，用去离子水将固体尿素溶解成40%～55%的尿素溶液（需要外部加热，溶液温度保持在高于结晶温度5℃），通过尿素溶液混合泵输送到尿素溶液储罐；尿素溶液经由给料泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入绝热分解室，稀释空气经加热后也进入分解室。雾化后的尿素液滴在绝热分解室内分解，生成的分解产物为氨气和二氧化碳，分解产物经由氨喷射系统进入脱硝烟道。热解室利用柴油作为热源或者由电加热器加热来自锅炉的一次风，来完全分解尿素。在所要求的温度（300℃～650℃）下，热解室提供了足够的停留时间以确保尿素到氨的100%转化率。热解室的容积是依据尿素分解所需的体积来确定。热空气将通过燃烧器控制装置或者电加热器以维持适当的尿素分解温度。尿素经过喷射器注入到热空气中，尿素的添加量是由SCR反应器的需氨量来决定，负荷跟踪性将适应锅炉负荷变化要求。系统在热解室出口处提供空气/氨气混合物。氨/空气混合物中的氨体积含量小于5%，具体反应式为

该工艺的主要特点是反应完全、不易产生中间聚合物，但是需要另外的热量加热热解室，需要非常良好的气流组织形式，对控制系统的水平要求也高。

图1 尿素热解法制氨流程

3.1.2 绝热热解室体积

绝热热解室是尿素热解工艺中重要的设备之一，其提供了雾化的尿素溶液和热空气混合的空间，是尿素发生热解的场地，绝热热解室体积的大小直接影响到尿素溶液热解效率，间接影响到氨的生成率，从而影响脱硝效率。

首先根据氨气消耗量推算出尿素的消耗量，尿素是100%分解的，尿素溶液的质量浓度为40%～50%；根据研究，尿素液滴蒸发完成后在152℃下热解，但是现在设计的热解炉的热风温度都在650℃左右，最低400℃；根据尿素溶液蒸发吸收的热量、热解需要的热量来确定输入的热风风量；根据风量来确定分解炉内的风速和热解炉的直径，根据停留时间来确定热解炉的高度/长度，一般的停留时间不小于5s，然后就可以得到热解炉的基本体积。

热风的来源可以是空气，也可以是锅炉的二次风，然后对来源进行加热。热源可以是燃油、燃气热风炉，也可以使用电加热器。

热解炉可以做成立式的，与热风炉分体而置，上小下大（空气膨胀的原因），分解后的气体从热解炉的下端引出送至脱硝装置；也可以做成与热风炉合体的卧式的，热风炉在一端，在热风炉后喷入尿素溶液，在热解炉的另一端引出至SCR装置。

3.2 尿素水解制氨工艺介绍

如图2所示，运输卡车首先把尿素倾倒到一个倾卸罐里储存，从倾卸罐出来的尿素进入一个混合箱，在混合箱里干尿素和利用循环泵打入的热水混合，在搅拌器的作用下逐渐溶解，等尿素完全溶解后，用泵把尿素溶液送入溶液储罐储存；从储罐出来的溶液在泵的作用下经过热交换器吸热加热到反应温度后进入水解槽。热交换器的热量来源为水解后的尿素残液带出的余热，尿素溶液在水解槽内水解，产生氨气，其化学反应方程式为：

图2 水解干尿素制取氨气流程

该工艺的主要特点是安全、可靠，避免了SCR系统直接使用液氨或氨水带来的运输、储存和运行中所面临的相关安全问题和环境污染问题。

4 结论

由于尿素相对于液氨具有安全性，尿素分解制氨技术在国内逐渐为更多的用户选择，并且由于专业技术人员的不断应用创新和技术改造，尿素热解和水解需要的能源逐渐被电厂低品质的能源代替，尿素热解和水解的运行成本将会降低到一个更加合理的水平，其应用会逐渐得到推广。

[1]中国大唐集团科技工程有限公司.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]张强.燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]孙克勤，钟泰.火电厂烟气脱硝技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]华能北京热电有限责任公司.尿素热解和水解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用[Z].北京，2010-5-6.

[5]火电厂大气污染排放标准（二次征求意见稿）[S].2011.

Technical Summarization on Ammonia Manufacture from De-saltpeter Urea in Power Plant

ZHU Chong, GENG Gui-gan, TENG Jian-jun, SONG Zheng-hua
(Jiangsu Kehang International Engineering Group Co., Ltd, Yancheng Jiangsu 224051, China)

The preparation materials of SCR de-saltpeter which uses reducing agent ammonia gas are liquid ammonia,ammonia and urea. Since liquid ammonia technology system is simple and the transportation, investment and operation costs are lower, so it has been applied widely in the present project, but the security demand of the system is strict. In line with《the Discrimination Standard for Major Hazardous Source of Hazardous Chemicals》（GB18218—2009）, when the reserve of liquid ammonia exceeds 10 tons, then it is regarded as a major hazardous source. Therefore, some special cities (such as Beijing, Guangzhou) demand that the preparation system of reducing agent adopts urea technology of low security demand.The urea technology use pyrogenation method and hydrolyzation method to produce ammonia. The article separately explains the tech-nical principle and technology flow of two technologies.

SCR de-saltpeter; urea; pyrogenation; hydrolyzation; pyrogenation furnace

X701

A

1006-5377（2012）10-0047-03