尿素热解制氨工艺的安全运行与节能优化

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目前在众多的火力发电厂脱硝技术中，选择性催化还原工艺

(SCR)

和选择性非催化还原工艺(SNCR,是应用最为广泛的两种

技术。脱硝还原剂主要来源有氨水、液氨和尿素三

种，又以液氨和尿素应用最为

广泛。由于尿素在运输、储存及电厂操作方面具有的安

全性优势，越来越多的火力发电厂选用尿素作为脱硝

还原剂。尿素热解制氨工艺成为了烟气脱硝装置的核

心技术之一。但是，尿素在热解过程中，往往伴随着尿素热解不充分，导致热解系统出现结晶、堵塞等问题，并成为影响烟气脱硝装置长周期安全稳定运行的隐患。

石景山热电厂20xx 年完成了全厂4台670吨燃煤锅炉烟气脱硝环

保改造工程。锅炉烟气脱硝工程采用炉内低NO)燃烧器与SCF相结合

的技术措施。其中，脱硝还原剂采用尿素热解制氨工艺，将50%尿素溶

液使用专用的雾化喷射装置喷入到热解炉中，尿素溶液雾滴在热解炉内350~600C 的环境下迅速完成分解制NH3过程，而尿素热解所需要的

热量是通过燃用0#轻柴油得到。

脱销改造工程竣工投产后在尿素热解装置系统中相继出现以下主要问题：

1、脱硝尿素热解炉在实际运行中，尿素热解炉及喷射系统内均不

同程度的出现结晶、堵塞问题，严重时，曾发生过热解炉因大面积结晶堵塞被迫停运的情况。经调研，在北京、上海、深圳、河北、山西等地，很多电厂使用的尿素热解装置同样存在尿素热解反应不充分、热解炉大量产生沉积物的问题。部分电厂采用提高热解室出口温度的方法消除热解炉中的沉积物，由此增加了尿素热解的能耗与运行费用。

尿素热解反应不充分、热解装置产生大量沉积物已是国内较为常见的问题。

2、尿素热解装置运行费用高。单台热解炉每年的0#轻柴油消耗

量432 吨，费用达到350 余万元，石热电厂4 台脱硝热解炉每年消耗柴油的成本支出高达约1500万元。为减少燃油消耗，降低运行成本，石热电厂根据现有热源条件，于20xx 年自主完成了尿素热解炉稀释风源的改造：利用锅炉高温热一次风（280〜320C）替代原稀释风系统。

但是，由于锅炉使用回转式预热器，锅炉热一次风中含尘量较高，在热解炉改用锅炉热一次风后，热解炉及喷氨管线出现了粉尘沉积、堵塞的问题。使用锅炉热风做为热解炉稀释风，可以降低运行成本，但由于尿素热解不充分以及热风携带的粉尘均会堵塞喷氨管线。特别是喷氨格栅的喷氨支管堵塞后，会导致SCR喷氨格栅氨气/烟气配比失衡,

SCR反应器局部氨逃逸率增大，进而引起脱硝效率降低、脱硝物料消耗

增加等负面影响。氨逃逸量增加还会使锅炉烟气系统硫酸氢铵生成量上升，甚至会造成预热器堵塞、除尘器电场极板大量粘灰造成电场封闭等后果。因此，尿素热解

不充分以及高含尘量的热风，均会对烟气脱硝装置以及锅炉主要设备的安全稳定运行构成威胁。

针对石热电厂烟气脱销系统运行中发生的问题，我们组织专业技术人员与北京科技大学化学与生物工程学院化学系对对尿素热解系统沉积物的成因及处理对策开展分析和研究。

通过尿素热解过程的研究及尿素热解系统沉积物分析结果得出以下结论：

1）尿素热解装置的沉积物主要成份为三聚氰酸；

2）尿素热解装置产生沉积物的原因是局部反应环境温度过低。

脱硝热解及喷氨系统产生结晶的根本原因在于尿素溶液喷射至热解炉内部后，初步分解成NH3和HNCC异氰酸）后，出现局部温度快速

下降，使部分异氰酸进一步分解的反应条件不够强烈，影响其进一步与水反应生成NH3和CO2而是发生聚合反应形成颗粒并在系统内沉降, 即形成结晶。结合石热电厂现场设备运行情况，我们针对“反应区域温度、尿素雾化效果、尿素雾滴在高温区的停留时间”三个影响异氰酸分解的主要原因进行了设备优化改造。

1 提高保温质量

将热解炉出口至喷氨格栅的沿程管道及设备保温厚度由25mm增加50mm 并在加强了局部防风、防雨性能。采取上述措施后，进入喷氨

格栅前的热解气体温度普遍提高了15C，原来露天布置的喷氨格栅应

对大风、雨雪等不利环境的能力得到大幅提升，解决了喷氨格栅局部反应环境温度过低出现结晶堵塞的问题。

2 提高尿素溶液雾化质量

1 ）稳定雾化风压力。我们一是将尿素雾化风源由杂用压缩空气

系统（运行压力0.35-0.6Mpa ）改为仪用压缩空气系统（运行压力

0.55-0.6Mpa ），改造后雾化风压力稳定性得到大幅提升，解决了因雾化空气压力不稳造成雾化效果降低的问题。

2）提高雾化压缩空气品质，避免喷嘴堵塞。我们在雾化压缩空

气管道上加装了高精度三重（除水、油、杂质）空气过滤器，用于去除压缩空气中的杂质，提高雾化空气品质，并将过滤器至尿素喷枪的管道全部更换为不锈钢材

质，彻底解决了压缩空气中携带杂质堵塞喷嘴的问题。

3）自主完成尿素喷枪改造。在改善、提高雾化空气品质后，虽

然尿素喷枪的雾化效果得到明显提高，仍难以将尿素溶液完全雾化，尿素热解不充分的问题虽得到明显缓解但仍未得到根治。为了得到更好的雾化效果，我们自主进行尿素喷枪的改良，并研制出新型的雾化喷嘴。新型喷嘴采用大气液混合室设计，增加了气液两相混合的时间与空间，在混合室内雾化空气对尿素溶液的扰动增强，尿素溶液与雾

化空气混合更为均匀。设计更为合理的雾化喷孔内径，提高混合液初始喷射流速，使气液混合流得到二次雾化，彻底解决了尿素溶液雾化效果差的问题。同时，对雾化喷嘴的喷射夹角进行了优化设计，适当的喷射覆盖面，可以避免尿素溶液直接喷射到热解炉内壁上，解决了热解炉内壁形成“低温区”产生结晶物问题，并避免了多支尿素喷枪喷射面相互重叠形成“交叉覆盖”产生大液滴的问题。

该尿素雾化装置具有以下特点：

1）超大混合室设计，确保尿素溶液与雾化源充分混合；2）优化设计雾化

喷射角；3）超音速雾化喷射流速。气- 液两相流通过雾化喷孔的流速达到655〜786m/s，超音速喷射流速使气、液两相流体二次混合更为充分、雾化更彻底。

4）生产制造成本低。新型雾化喷嘴采用316L 不锈钢材料制造，每只喷嘴制作成本为400元，仅为进口同类产品价格的1/10。

该技术20XX年获首都职工自主创新成果三等奖，20XX年获得国家知识产权局专利。专利编号ZL20XX20800389.9。