尿素水解制氨工艺在脱硝系统中的应用

尿素水解制氨工艺在脱硝系统中的应用

发表时间：2019-06-26T11:28:30.387Z 来源：《电力设备》2019年第1期作者：张晓琪

[导读] 摘要：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。

（大唐吉木萨尔五彩湾北一发电有限公司）

摘要：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↑。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区的空气混尿素水解制氨工艺在烟气脱硝中的应用合器后喷入烟道用作烟气脱硝的还原剂。

关键词：尿素水解制氨工艺；脱硝系统；应用

1尿素水解工艺系统简介

1.1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。

1.2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。

2尿素水解制氨系统需注意的问题及预防措施

2.1腐蚀问题

尿素水解过程中会生成一些酸性物质（如氨基甲酸铵等），氨基甲酸铵会严重破坏不锈钢表面的氧化膜，使系统的腐蚀速度加快，超过190℃时，一般的不锈钢材料（如304SS）会遭受严重腐蚀，当超过220℃时，即使采用钛等耐腐蚀材料，系统也会遭受腐蚀。腐蚀问题主要从管道、设备材质的选取和工艺设计两个方面预防，本工程设备及管道材质均为316L不锈钢，同时水解器反应温度严格控制在（120～150）℃，满足工艺要求并有效控制腐蚀速率。

2.2爆炸问题

氨气与空气混合物浓度达到爆炸极限16%～25%时，遇明火会燃烧和爆炸。尿素水解反应产物中氨气浓度低，惰性气体成分高，对氨气爆炸有抑制作用。另一方面水解反应器内液相成份是尿素溶液，气相成份虽然含有氨气但单位时间内气相产物总量小。作为预防措施在尿素水解间内安装氨气泄漏检测仪，当检测到尿素水解间大气中氨浓度过高时，发出警报并启动安全防护措施（水喷淋设施，让氨气迅速溶解于水中，降低空气中氨气浓度）。

2.3堵塞问题

（1）尿素溶液输送管道堵塞问题。根据实际运行情况及调研发现已经投运的尿素水解装置，尿素溶液输送管道堵塞一是由于保温伴热措施不到位，尿素溶液温度降低引起尿素结晶析出；二是运行人员在尿素溶液输送完毕后，未及时冲洗管道所致。（2）氨气输送管道堵塞问题。当生成物输送过程中，保温伴热措施不到位，降温会引起水液化，同时生成物发生逆反应，生成氨基甲酸铵等物质，堵塞输送管道。以上两个方面的堵塞问题，通过全方位无死角的保温伴热措施、合理的系统设置及严谨的运行规范能够有效预防管道堵塞。

3尿素水解罐合理布置及安全性评价

3.1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。

3.2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，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