尿素热解制氨工艺问题分析及策略

赵瑞敏

摘 要：本文对火电厂尿素热解制氨系统运行过程中经常出现的几个问题进行总结分析，针对不同的问题提出控制策略或建议，并针对常规的尿素热解制氨工艺能耗高的问题，提出了优化的方案。

关键词：SCR烟气脱硝；尿素热解；换热器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.023

0 前言

国内火电厂烟气脱硝一般采用选择性催化还原技术（SCR），采用的脱硝还原剂主要有液氨、氨水、尿素3种，因液氨、氨水在运输、使用过程中采用的措施不当或设备损坏等意外因素，会引起安全事故，因此近年来选用尿素作为还原剂的电厂较多。尿素热解制氨工艺因效率高、系统简单、可靠性高而应用较广泛。

1 尿素热解制氨工艺

常规的尿素热解制氨系统包括尿素储存间、尿素溶解箱、尿素溶液混合泵、尿素溶液储罐、尿素溶液循环泵、计量和分配模块、背压控制阀、热解炉（内含喷射器）、电加热器等。

袋装尿素储存于尿素储存间内，由电动起吊装置吊装至尿素溶解箱入料口，破袋后通过重力落入箱内。尿素颗粒与除盐水充分搅拌混合后溶解成40～50%质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶液混合泵输送到尿素溶液储罐内储存。尿素溶液经由尿素溶液循环泵、计量与分配模块、雾化喷枪等进入热解炉内分解，生成NH3、H2O和CO2，尿素分解的同时与高温稀释空气混合均匀生成5%浓度以下的氨气并喷入SCR烟气脱硝反应器内，完成脱硝反应。

尿素热解属于直接快速的加热雾化后的尿素溶液进行分解，尿素反应较为彻底，基本没有残留的中间产物，响应时间仅为5～10s，跟踪机组负荷变化的反应速度很快。从热解炉出来的氨气浓度已经降低到5%以下，不存在氨气爆炸问题，安全性更高。

2 尿素储存及溶液制备系统分析

早期的尿素上料通常采用皮带输送机、破包机、斗式提升机组成的尿素上料系统。袋装尿素由皮带输送机输送至破包机内，在破包机刀片的作用下实现尿素颗粒和编织袋的分离，破袋后的编织袋通过破包机尾端排出，尿素颗粒进入斗式提升机，进而被输送至尿素溶解箱内溶解。此方案实际运行中问题较多，破包机故障率较高，大约200～300袋就会堵，清理起来至少半小时。破碎的编织袋丝会进入尿素溶解箱内缠绕在搅拌器或堵塞滤网及管路系统。皮带输送机+破包机占地面积较大，而且并不能有效节约人工。目前国内采用此方案运行的电厂大多已将皮带输送机和破包机拆除。

部分电厂采用尿素颗粒储仓方案，该方案尿素溶解箱上方设置尿素颗粒储仓和卸料机，储仓锥斗设置有带加热的流化风系统。通过自卸式密封罐车将尿素颗粒卸入尿素颗粒储仓内，由卸料机送入尿素溶解箱与除盐水混合，溶解成尿素溶液。该方案由于尿素颗粒较容易吸潮板结，尿素颗粒储仓即使已设置了流化风系统仍会出现尿素颗粒板结搭桥的情况，造成卸料困难。

较简捷的尿素卸料方案为电厂设置一个单轨吊，直接将袋装尿素吊至尿素溶解箱上方的卸料平台上，在卸料平台上人工破袋后，尿素落入尿素溶解箱内溶解。该方案虽系统较为简单，但人工工作量较大，以百万机组为例，两台机组尿素耗量约为24吨/天，以每袋尿素50kg计，大约一天溶解480袋，工人须反复上下至尿素溶解箱上方。

通过上述分析，建议尿素储存采用采购袋装尿素室内堆积的储存方案，电厂可根据需要采购定制较大重量的袋装尿素，采用电动吊轨+斗式提升机的方式输送尿素颗粒，必要时斗式提升机入料口可加装延伸较长的溜槽，以便可以多袋同时卸料。

3 尿素溶液厂区输送问题

尿素溶液储罐输送至SCR区域的尿素溶液管道通常较长，仅依靠尿素溶液储罐提供的热量通常无法避免尿素溶液在管道内结晶析出。尿素溶液循环管道的热源来自尿素溶液储罐内的蒸汽加热盘管，为防止尿素溶液储罐内溶液在最高温度下仍不能有效避免结晶，通常在尿素溶液循环泵出口设置电加热器，用以补充管线的热量损失。但电加热器故障率较高，尤其在严寒地区应用效果并不理想，因此建议对管道进行蒸汽伴热或充分利用尿素溶解过程中的疏水对管道进行疏水伴热。

4 尿素热解工艺的热源

为降低能耗，尿素热解用稀释风通常采用经过空预器加热的一次风或二次风作为尿素热解用稀释风，其中大多数电厂采用热一次风，少数个别电厂选用热二次风。此外为达到尿素热解所需的温度，稀释风系统设置有电加热器。

经近几年的电厂运行反馈，尿素热解系统中热一次风或热二次风中均含有空预器泄露过来的烟尘，其中热二次风的含尘量较高，有些电厂能够达到1.1g/Nm3。这些烟尘沉积在U型电热器内，除增加电加热器的能耗，有时还会造成电加热器过载。在设有稀释风机的系统中，这些烟尘会造成稀释风机较快的磨损。系统故障率较高。常规百万级机组的尿素热解工艺将锅炉热一次风（温度300℃左右）加热至600℃以上时，电加热器功率通常在900～1200kW，两台机组年运行费用大约为400～500万元左右，能耗较高。

为改善上述能耗高，故障率高的问题，目前的解决方案主要有以下三种。

（1）尿素溶液直喷技术。尿素溶液直喷技术包括炉内尿素直喷技术和锅炉高温烟气旁路直喷技术两种。

炉内尿素直喷技术为在锅炉转向室处设置多个尿素溶液喷枪，尿素溶液通过尿素溶液喷枪喷入锅炉转向室，利用锅炉高温烟气将尿素直接热解成氨气和CO2，氨气与烟气的混合气体经锅炉尾部设备后进入SCR脱硝反应器，完成脱硝反应。

锅炉高温烟气旁路直喷技术是将尿素溶液喷入由锅炉尾部烟道引出的旁路烟道中，借用高温烟气热量将尿素溶液分解为氨气。

该技术简化了尿素热解系统，取消了原系统内的电加热器、热解炉、一（二）次热风管道系统、AIG设备等。

（2）炉外烟气换热器技术。炉外烟气换热器技术是将锅炉的高温烟气引出炉外，炉外设置管式烟气换热器，管外通锅炉热一次风，管内通锅炉高温烟气，通过高温换热将热一次风加热至所需的温度，然后进入尿素热解炉完成尿素热解反应。该技术通过设置烟气挡板来调节烟气流量，从而控制换热后热一次风的温度。

炉外烟气换热器可以取代传统热解工艺中的电加热器，节电效果明显，目前已有电厂实施。

（3）炉内气气换热器方案。炉内气气换热器方案是采用管式换热器对冷一次风进行加热，其原理是利用冷一次风自身的压力，将冷一次风送达到锅炉低过区域，在锅炉低过区域布置若干的蛇形管道，将冷一次风加热到尿素热解所需要的温度后，热一次风再离开锅炉区域，到达尿素热解装置。同时设置旁路管道，部分空气不经过气气管式换热器直接由旁路管道进入尿素热解反应器入口管道，与经过气气换热器加热后的空气混合调温后进入尿素热解反应器，为尿素热解提供热源。

这种方案最大的优势为采用冷一次风解决稀释风含尘问题，同时替代了传统的电加热器，节约能源。以下是对气气换热器方案与采用传统电加热器方案在技术经济方面的比较。

5 尿素热解炉结垢

尿素热解炉在使用过程中有时会出现底部尾管处尿素结晶物或中间产物堆积的情况，严重时会造成风量减少，系统供氨量不足，需及时清理。尿素热解炉的设计须充分考虑尿素溶液的雾化和加热分解所需的停留时间和流场条件，提高尿素热解效率，减少副产物的生成。同时应控制好尿素反应的温度，温度较低时，尿素中间产物聚合，不易分解。

6 结束语

综上所述，尿素热解制氨系统在火电厂SCR烟气脱硝系统中应用广泛，技术方案较为成熟，随着运行经验的不断积累和系统的不断改善，尿素热解制氨系统的可靠性将不断的提高，系统将更为节能、高效。

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