尿素水解制氨在大唐许昌龙岗电厂中的应用研究

高鹏

摘要：在当前阶段的电厂运作过程中，会涉及到大量的生产环节，其中烟气脱硝工艺的运用十分关键且重要。许昌龙岗发电有限责任公司一、二期机组（2×350MW+2×660MW） SCR脱硝还原剂原设计采用液氨，2019年改造为尿素。本文结合尿素水解制氨工艺进行分析，旨在改善原有氨气设备等方面带来的安全影响，并对尿素水解制氨的具体应用要点展开研究和深入探索，供相关从业者参考。

关键词：尿素水解制氨;电厂;制氨方法

引言

尿素水解制氨法在电厂中高效运用，使得电厂烟气脱硝效果得到了明显的增强。氨气作为烟气脱硝的关键还原剂，其获取途径为氨水、液氨，以及尿素等材料中的反应。尿素水解制氨法安全风险低于液氨，整体的操作安全性较高。电力行业标准《燃煤电厂烟气脱硝尿素水解技术规程》（征求意见稿）规定：位于大中城市及近郊的电厂，当采用SCR烟气脱硝工艺时，宜选用尿素作为还原剂，且优先考虑选用尿素水解技术。

一、尿素水解制氨法

在保证一定的温度条件及其他环境条件时，尿素的水溶液会产生相应的水解反应，并以此生成氨气。由于加热分解温度低、除盐水循环使用，能耗低于尿素热解工艺，同时可实现多台机组公用，在电厂有多台机组或机组容量较大时，优势更为明显。普通尿素水解制氨系统主要设备有尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液储罐、尿素溶液给料泵及尿素水解制氨模块等。尿素颗粒加入到溶解罐，用去离子水将其溶解成质量分数为40%-60%的尿素溶液，通过溶解泵输送到储罐;之后尿素溶液经给料泵、计量与分配装置进入尿素水解制氨反应器，在反应器中尿素水解生成NH3、H2O和CO2，产物经由氨喷射系统进入SCR脱硝系统。其化学反应式为：

CO（NH2）2 + H2O « NH2-COO-NH4« 2NH3↑+ CO2↑

在尿素水解制氨法的应用过程中，尿素水解系统的作用是通过对压力、温度因素进行控制，使尿素溶液发生水解，水解期间会生成相应的氨气、二氧化碳和水蒸气，以及其他气体，脱硝效果较为明显，并使得电厂的运行效率大大提升。水解反应器内的尿素溶液浓度可达到40%～50%，气液两相平衡体系的压力约为0.48MPa～0.6MPa，温度约为150℃～170℃。水解反应器中产生出来的含氨气流先进入计量模块，然后被锅炉热一次风稀释后进入氨气-烟气混合系统。饱和蒸汽通过盘管的方式进入水解反应器，饱和蒸汽不与尿素溶液混合，通过盘管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。该反应是尿素生产的逆反应。反应速率是温度和浓度的函数。反应所需热量可由电厂辅助蒸汽提供。

二、电厂中尿素水解制氨法的具体应用要点分析

（一）尿素接卸方式

从上述尿素水解制氨工艺的了解中能够看出，该工艺能够产生非常明显的脱硝效果。通常来看，尿素的供应环节的开展较为关键，它一般有两种方式开展：间断供应方式和人工拆袋方式。在实际的生产过程中，若尿素溶液在储存罐中的液位较高时，停止供应。若液位处于较低位置，则需采取人工拆袋的方式进行尿素供应。但在实际情况中来看，由于4台机组需尿素量较大，袋装尿素人工卸车与上料方式工作量大，需要增加定员，不建议日常采用。本工程采用下列方式：1）采用槽罐车运输尿素散料方式，罐车自带压缩空气泵用于散装尿素的气力输送，管道接入溶解罐顶部，卸入尿素溶解罐。2）利用尿素斗提机辅助设备卸料，会增加一定的运行维護成本和工作量，作为备用卸料方式。溶解罐出口增设滤网，将杂质集中滤除。这种滤网需进行定期清理和维护。本工程设置2台尿素溶解罐，单台溶解罐容积为55m3，材质采用不锈钢304，加热盘管采用不锈钢316L。

（二）尿素存储

目前国内尿素脱硝常规设计袋装尿素以固体形态保存于制备区或单独建设仓库，投资成本高，且存在人工搬运、尿素受潮板结风险。本工程尿素采用湿法贮存，配制好的尿素溶液贮存于尿素溶液储罐，罐体外实施保温。设置2台尿素溶液储罐，单个储罐容积为500m3，材质为304不锈钢。储罐总储存量宜为4台机组SCR脱硝装置BMCR工况下7天24小时的总消耗量。尿素溶液储存罐内或再循环管线设伴热装置，当尿素溶液温度过低时，启动在线加热器以提升溶液的温度。

（三）控制部分

控制系统由SCR-DCS、数据通讯网络、控制器、及现场仪表设备所组成，控制设备和仪表应考虑最大限度的安全性、可靠性。制氨系统及其辅助系统和单体设备的启/停控制、正常运行的监视和调整、以及异常事故工况的处理等，应完全通过DCS来完成。任何就地操作手段，只能作为就地巡检人员发现事故时的紧急操作手段。控制系统改造采用DCS控制，网络可接入单元机组或新建公用环网。自动控制部分主要有：1）反应器液位控制：由水解反应器入口尿素溶液调节阀进行单PID闭环控制。该调节阀目标值为反应器液位，保证液位处于中间位，让所有加热蒸汽盘管低于液位即可。调节对象为水解反应器3台导波雷达液位计数值的选择值。2）反应器压力控制：由反应器入口蒸汽调节阀进行单PID闭环控制。该调节阀目标值为反应器压力，即3台压力变送器三取中值。设定值为0.6MPa，保证水解反应器运行压力始终发生水解反应的最佳反应压力。3）反应器供气压力控制由反应器出口流量调节阀进行单PID闭环控制。该调节阀目标值为反应器出口压力，设定值根据厂区管道压损及SCR区所需压力确定。

（四）水解反应器的维护

水解反应器装置是最为关键的组成部分，该装置的使用质量能够对制氨效果产生非常明显的影响。水解器内的尿素溶液浓度约50%，气液两相平衡体系的压力约为0.48MPa～0.6MPa，温度约为150℃～170℃。根据总需氨量为1561kg/h，可以等大小设置3套单台供氨出力为800 kg/h水解器（3用互备），公用母管制（1用1备），单台水解器出力能同时满足100%BMCR负荷下一期和二期各一台机组的供氨需求。水解热源为饱和蒸汽，尿素水解器内水解热量考虑采用蒸汽盘管加热，经过调压装置后以通过盘管的方式进入水解器的蒸汽压力为0.6MPa，不与尿素溶液混合，而通过盘管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。蒸汽来源考虑多路并行配置，至少设计为双回路，从一期机组和二期机组各引接一路蒸汽，防止出现某台机组停机而无法供汽情况发生。从水解反应器出来的氨气温度维持在约175℃以上，注入喷氨格栅之前的稀释风也至少应在150℃左右。这是为了防止NH3与CO2在低温下逆向反应，生成氨基甲酸铵，在管道内再次结晶，故水解器至炉侧SCR区氨/空气混合器间的氨气管道必需采取伴热措施。基于此，为减少反应器在应用过程中出现的故障或安全隐患，相关人员需对该装置的运行状态有着深入了解，并对该装置开展定期的维护工作。

结论：总的来看，大唐许昌龙岗电厂脱硝还原剂改造为尿素水解系统后，制氨工艺安全环保、技术成熟，能满足供氨需求。彻底消除了原液氨国家级重大危险源。在当前技术水平不断创新发展的阶段中，电厂的生产工艺、技术水平都有了非常明显的增强，尤其在尿素水解制氨工艺的应用，具有更加环保、安全、稳定的特点。

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