摘要：随着国家新的环保政策的实施，对大型火电机组的烟气净化装置要求更加的严格，其中对NOx 污染物的排放提出近零排放的要求。脱硝过程中使用的还原剂氨气，其在工业生产中主要有热解和水解制氨工艺技术。其中尿素水解技术由于具备很多优点，已经得到了更加多的关注，其主要的优点是工艺流程简单、运行简单可靠，基础投资适中。
关键词：尿素水解；烟气净化；NOx污染物；近零排放
在适当的温度并有催化剂存在的条件下肥氮氧化物转化为空气中天然含有的氮气和水。其主要由还原剂制备系统、氨空气混合系统、氨喷入系统、反应器系统、检测控制系统等组成。其中还原剂制备系统又分为液氨系统、氨水系统、尿素系统等。液氨是重大危险品其运输和存储均存在较大安全风险。近年来关于液氨的安全事故频发越来越多的脱硝系统选择尿素系统作为还原剂制备系统。
一、尿素深度水解系统概述
尿素水解反应是尿素合成反应的逆反应。在尿素生产过程中不论CO汽提工艺还是水溶液全循环工艺中其中每生产一吨尿素必然要产生这部分水含有1 一3% 的尿素。为了将其中的尿素有效回收达到排放标准北工厂普遍采用废液深度水解工艺，将尿素水解制得气氨，同时产生气态二氧化碳并回收利用通过提高尿素溶液浓度，对工艺系统进行适当改进，由化工行业尿素深度水解制氨系统改进后应用于电厂SCR脱硝系统的尿素深度水解工艺流程如下。尿素颗粒由斗提机送入尿素溶解罐用除盐水或水解液进行溶解况置成浓度约20 % 温度40℃ 的尿素溶液由尿素溶液输送泵送入尿素溶液储罐。尿素溶液由给料泵从尿素溶液储罐输送至热交换器经水解液预热后进入水解器上部的板式塔然后进入水解器。在水解器中腔制一定的温度压力尿素彻底水解变为氨气和二氧化碳，以气态方式从水解器顶部进入板式塔后进入氨气缓冲罐。而含有微量尿素的水解液从水解器底部进入分离器经过蒸汽再次加热将水解液中残留的尿素进一步分解氨气进入气氨缓冲罐，水解液进入热交换器与尿素溶液换热后经过板式水冷器冷却排入水解液缓冲罐备用。
二、尿素水解技术在大型电站煤粉锅炉烟气脱硝系统中的应用
1.设备组成。尿素水解制氨系统主要有以下设备：溶解装置、储藏装置、输送装置、水解反应装置、废水输送装置、废水收纳装置等。尿素制氨系统中主要大型设备有尿素溶液储罐和水解反应器。尿素溶液储罐一般采用两个，满足24 小时的尿素溶液消耗，溶解罐本体材质为304L 不锈钢圆形容器，并设有人孔、爬梯、相应接口管等，有效容积选择时一般采用满足机组7 天最大用氨量来计算，为了保证溶液储罐安全运行，在其上部还需设置各种保障阀门用于保护和调节，同时为了监控安全运行，装有温度计、压力表、液位计和相应的变送器等用于监测设备。储罐包括加热系统并具有防尿素腐蚀功能，并能保持适当的温度以避免结晶（20 ～ 25℃）。在水解反应器中进行催化反应需要对温度和压力进行联动控制，保证水解反应产物成分恒定，同时由于水解产物中的缩二脲、聚合物等物质对罐体具有腐蚀性，罐体材质采用尿素级316L，水解反应器中设置盘管加热器，提供催化反应所需的能量。水解反应器可布置在锅炉钢架上，和锅炉构架联合设计，其主要有以下优点：缩短了产品气的输送距离，管道布置简单；减小管道输送过程的热量损失。
2.水解系统。水解系统是尿素深度水解制氨系统的核心单元。尿素溶液经过水解液初步预热后，进入水解器上部的板式塔。板式塔由一个圆柱形壳体和其中按一定间距水平设置的若干筛板组成。尿素溶液在重力作用下自上而下通过各层筛板进入水解器产品气在压差推动下经均布在筛板上的小孔由下而上穿过各层筛板后由塔顶排出通过管道进入气氨缓冲罐备用。在尿素水解时会生成中间产物甲钱，甲钱具有很强的腐蚀性但在空气存在的环境下会快速分解。系统设计无油空压机向水解器内加入防腐空气，以加速甲钱的分解。水解反应生成的氨气、二氧化碳、防腐空气和水蒸气一起称为气产品。水解器排出的溶液称为水解液其中含有微量的尿素。水解液通过管道进入分离器分离器通过蒸汽进一步加热腔制压力1.3 MaP，温度190℃ 的环境，将水解液中残留的尿素完全分解产品气进入气氨缓冲罐，水解液进入热交换器预热尿素溶液，再经过板式水冷器冷却后进入水解液缓冲罐备用。尿素水解系统设置有过滤器安装在水解液排放至水解液缓冲罐管道上河将系统内杂质过滤，杂质通过定期清理过滤器去除。过滤器设置有排废水管道通过定期排污将废水排放至废水坑。废水坑的废水定期排放至污水处理厂进行处理。
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3.主要工艺流程。用溶解液泵将约90℃溶解液送入尿素溶解槽，颗粒状尿素经斗式提升机输送到尿素溶解槽，经搅拌后，配制成浓度约40% ～ 50%（wt）的尿素溶液；经搅拌溶解合格的尿素溶液，温度约60℃，利用溶解液泵打入尿素溶液槽储存，用尿素溶液泵加压至表压2.6MPa送至水解换热器，先与水解器出来温度约200℃的残液换热，温度升至185℃左右，然后进入尿素水解器进行分解。尿素水解器的蒸汽加热方式分为直接加热和间接加热方式。直接加热：尿素水解器的操作压力为2.2MPa，操作温度约200℃，水解器用隔板分为9 个小室。采用绝对压力为2.45MPa的蒸汽通入塔底直接加热，蒸汽均匀分布到每个小室。在蒸汽加热和不断鼓泡、破裂的蒸汽、水流搅拌作用下，使呈S形流动的尿素溶液得到充分加热与混合，尿素分解为氨和二氧化碳。间接加热：尿素水解制氨将饱和蒸汽通过盘管方式进入水解反应器加热，蒸汽与尿素溶液间不混合，气液两相平衡体系的压力约为1.4 ～ 2.1MPa，温度约150℃。从水解反应器出来的低温饱和蒸汽，用来预加热进入水解反应器前的尿素溶液。水解器顶部出口温度约190℃、压力约2.0MPa的氨、二氧化碳、水蒸气混合气进入到缓冲罐减压到0.2 MPa左右，作为电厂脱硝还原剂使用。从水解器底部排出的温度约200℃、含≯1%氨和微量尿素的水解残液经水解换热器换热后，温度降至90℃，进入溶解液槽，作尿素溶解液使用，多余的水解残液送污水处理站（或直接抛洒在煤场）。从气氨缓冲罐出来的NH3、CO2、H2 O等气态混合物，与加热后的稀释风混合进入脱硝氨喷射系统，氨与空气的混合物温度维持在175℃以上。
三、应用中容易发生的故障和应对策略
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（Ti）等耐腐蚀材料，系统也会遭受腐蚀。水解反应器由于操作温度较高，更易受到腐蚀。腐蚀可能造成设备的泄漏，从而产生安全隐患。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。尿素级316L和25-22-2材质有很好的抗腐蚀性。同时，需要在汽提塔入口加入防腐空气使其在管道及设备内部表面形成一层钝化膜，具有很好的防腐效果。因此，在正常运行中必须时刻保证有足够防腐空气加入量。
2.管道堵塞。高浓度的尿素水溶液受热容易生成难溶于水的缩二脲及其他缩合物，这是造成尿素水解系统易产生堵塞的原因之一。因此，尿素的水溶液最好选择较低的质量浓度，同时，在系统停车时，要注意尿素溶解槽缓冲罐到汽提塔段管路的清洗，若未完全冲洗干净，待温度升高时会造成该段管路的堵塞且不易疏通，通常只能更换管道。
由于尿素相对于液氨具有的安全性，尿素分解制氨技术在国内逐渐为更多的用户选择，并且由于专业技术人员的不断应用创新和技术改造，尿素水解需要的能源逐渐被电厂低品质的能源代替，尿素水解的运行成本将会降低到一个更加合理的水平，其应用会逐渐得到推广。
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作者简介：
马冰（1989-），男，工程师，电力电子与电力传动专业，硕士研究生学历，现从事火电厂集控运行工作。
论文作者:马冰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/16
标签：尿素论文; 溶液论文; 系统论文; 温度论文; 蒸汽论文; 还原剂论文; 反应器论文; 《基层建设》2019年第18期论文;