火力发电厂尿素催化水解制氨技术应用

黄 琳

（广东省粤泷发电有限责任公司，广东罗定 527200）

0 引言

我国燃煤电站NOx的排放量随着火电行业的发展呈不断增长的趋势[1-2]。近年来，我国对NOx的控制指标越来越严格[3]，控制NOx排放，已经成为治理大气的必经途径。火力发电厂脱硝所需的还原剂通常采用液氨和氨水，这两种物资的运输过程、储存和使用都存在着较大的安全隐患；一旦发生泄漏事故可能会造成经济影响、环境污染和公众健康等方面的影响；特别是城市周边及人口密集区的电厂面临的安全压力尤为突出，采用一种安全、经济的还原剂制备方式在以上区域电厂是必经之路。

1 设备概况

罗定电厂锅炉为东方锅炉厂制造的DG420/13.7-Ⅱ2一次中间再热∏型布置、超高压自然循环锅炉，采用四角切园燃烧方式。机组于2004年投产，设计燃用无烟煤。改造前装设烟气脱硝SNCR+SCR（非催化还原+选择性催化还原的耦合脱硝工艺）系统。为实现50 mg/m3的超低排放要求，对现有的SCR脱硝进行改造，由于原有脱硝系统没有配备液氨或氨水系统，SCR所需的还原剂需要重新改造增设，现有的尿素制备系统已经有尿素的溶解、储存等设备。

2 尿素制氨技术现状分析

目前尿素制氨技术主要有尿素热解、普通水解和尿素催化水解技术3种。热解技术是利用热空气作为热源，在（450～600）℃来快速分解40%～55%的尿素溶液[4]。水解技术都是先将尿素溶解制成50%左右浓度的尿素水溶液，将尿素溶液输送到水解器，在水解器内将尿素转化为氨气，再将氨气输送给SCR系统，不同的尿素水解技术的核心及差异在于其是否添加催化剂。不同的尿素制氨工艺技术对比见表1，注：①安全性是与液氨系统相比较；②投资、能耗也是以液氨系统为基准，液氨和能耗的比为1。水解由于采用电厂较为丰富的蒸汽作为热源，能耗较低。但普通水解技术，反应较慢需要庞大的水解器和缓冲装置，其投资和能耗较高。

表1 尿素制氨工艺技术对比

3 尿素催化水解制氨工艺原理

3.1 化学反应原理

尿素催化水解基本原理如图1所示，反应器中装有固定量的催化剂，在反应器操作状况下催化剂呈熔融状，控制反应器在恒温、恒压下运行如温度140℃，压力0.5 MPa的状况下，可控制出口气体组分，一般的NH3浓度约为37.5%，液位线为水解反应器直径的50%，加热蒸汽参数1 MPa，180℃。催化剂的主要作用是通过改变了反应路径，从而大大加快反应速率，反应速度较普通水解法提高约10倍以上，负荷响应速度达13%/min。

3.2 工艺流程说明

将尿素倒入尿素溶液储罐，储罐由蒸汽加热维持一定的温度保证尿素正常配制到50%浓度。配制好的尿素溶液由尿素输送泵送至尿素溶液储罐进行储存。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催化水解器中，在温度（135～155）℃、压力（0.4～0.55）MPa及催化剂的作用下进行水解反应生成含氨气、二氧化碳的混合气。混合气中含氨浓度约37.5%（体积浓度），通过水解器上面的汽水分离器分离后，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，最后进入烟道进行脱硝。

图1 尿素催化水解基本原理

4 催化水解特点

（1）能耗低、能耗成本低。调试期间，水解系统平均每产生1 kg氨气消耗4.12 kg参数为1 MPa，180℃的饱和蒸汽，每公斤氨气耗能8296.9 kJ，蒸汽按电厂外销价格每吨51元人民币计算，则水解制氨每公斤氨气能耗成本为0.21元人民币；调试期间，热解系统平均电功率为342.2 kW，平均每产生1 kg氨气消耗电量4.4 kW·h，耗能为15 840 kJ，电价按照厂用电价格计算，为0.35元人民币/kW·h，则热解制氨每公斤能耗成本为1.54元人民币；水解能耗约为热解的52%，但是由于水解消耗的是低品位蒸汽，而热解消耗的是高品位电能，水解能耗成本约为热解的14%。

（2）脱硝系统的可靠性高。尿素催化水解系统制取的氨气没有任何中间副产物，对催化剂和机组没有任何副作用：尿素催化水解系统产品气理论产氨量为28.3%（wt），实际产品气氨气质量浓度为27.5%～29.2%，平均氨气质量浓度为28.47%（wt）。

（3）反应速度快，提高系统的响应速率，提高脱硝系统考核指标。无催化剂的活化能Ea（J/mol）=指前因子A（s-1）exp（-136 34/T）η=7.746×1010exp（-136 34/T）η=1.134×105（J/mol）；加入催化剂（催化剂1）的活化能Ea（J/mol）=指前因子A（s-1）exp（-8718.5/T）η=8.847×105exp（-8718.5/T）η=0.725×105（J/mol），其中，T为温度，η为某时刻水解率。通过对活化能Ea的比较可以看出，加入催化剂后，Ea值得到显著降低，说明催化剂降低了尿素水解反应的阈值，使反应更加容易进行。140℃下不同配方的水解率方程和速率常数比较见表2，其中，t为时间。

表2 140℃下不同配方的水解率方程和速率常数比较

氨气响应速度达（3～4）min，普通水解虽然能耗低，但反应慢，设备庞大，无法满足机组变负荷的要求。增加了催化剂后的催化水解系统不只是节能，而且大大加快了反应速度，响应速度是普通水解的10倍；氨气量的响应速度达到满负荷。

5 结论

尿素催化水解系统为运行系统，可大大提高脱硝系统的运行可靠性。能耗低、能耗成本低、尿素利用率高，产生氨气纯度高，无中间副产物，因此，实施尿素催化水解改造工程是必要的。

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

［2］沈滨，吴敌，赵禹.尿素制氨工艺在SCR烟气脱硝工程中的应用［C］.2009年清洁高效燃煤发电技术协作网年会，昆明，2009.

［3］GB 13223—2011火电厂大气污染物排放标准［S］.

［4］彭代军.锅炉烟气脱硝尿素热解与水解制氨技术对比［J］.能源与节能，2014（1）：188-189.