尿素水解制氨工艺在烟气脱硝中的应用

2018-05-02段飞飞

中国环保产业 2018年4期

段飞飞

（内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司，内蒙古锡林浩特 026000）

1 概述

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。氨水由于设备建造、运行成本较高，以及运输、储存、使用等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（NH3）在前几年的项目中应用广泛，但由于液氨属易燃、易爆、有毒危险品，因此也在运输、卸料、储存、运行、检修等环节存在极大的安全隐患。目前国家严格要求安全运行，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，因此尿素已逐步代替液氨作为还原剂制备氨气。

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尿素颗粒储存和溶解输送系统、尿素水解系统组成。尿素颗粒在尿素溶解罐中配置成40%～60%浓度的尿素溶液后储存在储罐中。尿素溶液通过泵输送到水解反应器后水解产生氨气，氨气随后进入SCR区的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避免了液氨的装卸、运输、储存等问题，水解器制备氨随制随用，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。机组尿素水解制氨系统主要的能源方式是电厂的蒸气，所需要的蒸气参数为：压力1.0MPa、温度180℃以上，单台机组脱硝尿素耗量为380kg/h，蒸气耗量约为2.0t/h。

2 尿素水解工艺系统简介

尿素水解制氨工艺主要由尿素颗粒储存和溶解输送系统、尿素水解系统[2]组成（如下图）。

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1.18～3.35mm，执行《尿素标准》（GB2440-2001），尿素通过运输车运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。蒸气盘管加热系统启动使溶液保持在一定的温度，提供尿素溶解所需的热量，尿素溶液在配制过程中可通过开启尿素溶液混合泵将尿素溶液进行循环搅拌，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，使尿素溶液保持在一定的温度（50℃～70℃），此时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中混合，将氨浓度稀释至5%以下，最后进入SCR反应器内进行脱硝反应。

3 应用经验

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，尿素溶液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的情况。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套斗提机加注尿素的设备，当斗提机出现故障或大修时，不能满足尿素的正常供应，故在尿素溶解罐的上部另设计一个人工加注口，在斗提机不能正常使用时可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℃，为防止尿素在管道内结晶，管道伴热采用蒸气伴热和电伴热，正常运行时用蒸气伴热，在蒸气伴热出现故障时采用电伴热。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

尿素及催化剂含有杂质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1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1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，1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，防止管路中的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，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，再加除盐水煮洗，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Na2CO3250kg、磷酸三钠15kg至催化剂罐液位1500mm），开搅拌器，使溶质尽快溶解；3）利用催化剂泵将溶解好的碱液打入反应器，补除盐水至高液位，同时用蒸气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，120℃，煮洗至少24小时（碱洗过程中不排气，每隔4小时排污两分钟，保持液位）；5）除盐水再次清洗：碱洗结束后先从各个导淋排放口排放碱液直至完全排空，再充入除盐水冲洗一遍。

4 尿素水解罐合理布置及安全性评价

合理优化氨气管道路径，可有效防止氨气管道因温降导致结晶的故障。经综合考虑，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，可有效降低热损失，提高氨气管道输送的可靠性。

在尿素水解项目中，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，其压力容器和阀门管道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，从以下两方面说明。

（1）设备设计角度

水解器本身有多重安全防护，包括但不限于关断蒸气输入、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气泄漏监测仪，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。

（2）产品气成分角度

水解器产品气为尿素分解后的氨气、二氧化碳、水蒸汽的混合气，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℃的条件下，如果出现火焰或火花，氨蒸气将会被点燃，但仅限于空气中氨的体积占15%～28%的范围内，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《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB50058-2014），氨气的引燃温度为651℃，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散，因此爆炸性气体环境的范围将被忽略。”根据《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）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。”[3]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。