尿素热解制氨脱硝改造在燃煤电厂中运用浅析2国家能源集团浙江电力公司，浙江杭州，310000）摘要：火电机组运行排放烟气中含有的NOX需要通过SCR 法脱硝处理合格后再能排放大气，SCR 法脱硝主要成分氨气在过去十几年通常采用液氨蒸发方式产生，但由于我国规定将液氨的贮存量超过 10 t 归为重大危险源，国家要求各生产单位加大力度整治。

因此尿素制氨脱硝工艺，随之成为当今各火电企业SCR 法脱硝首选。

本文主要通过结合浙江某火电企业液氨改尿素制氨脱硝工程的案例，针对尿素制氨脱硝原理、尿素制氨脱硝系统流程以及尿素制氨脱硝生产中常见问题规避以及使用成本等方面进行了简要的阐述。

关键字：火电；SCR 法脱硝；尿素制氨脱硝；使用成本0 引言我国的能源储量是“富煤、缺油、少气”的，因此在决定了在未来较长时间内，煤电仍将是我国主体电源。

但煤电在为社会发展作出贡献的同时，也存在着对大气环境带来较大的负面影响问题。

因此我国于2014年9月出台了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》，提出对我国燃煤机组全面实施节能减排升级与改造，正式明确了东、中部地区煤电超低排放的要求。

要求中明确了烟尘、二氧化硫、氮氧化物等排放物中的含量标准，史称“史上最严”《火电厂大气污染物排放标准》。

对于火电企业中各排放物，有着不同的处理设备，其中氮氧化物的处理在国内通常是采用SCR（选择性催化还原反应）法脱硝工艺，其还原剂为氨气，氨气主要源于氨水、液氨和尿素。

而现役火电机组的SCR脱硝还原剂氨气主要是液氨工艺，但液氨有毒性、易爆炸，被列为重大危险品，我国规定将液氨的贮存量超过 10 t 归为重大危险源。

2019 年 4 月发布《国家能源局综合司切实加强电力行业危险化学品安全综合治理工作的紧急通知》，要求积极开展液氨罐区重大危险源治理，而尿素作为无危险的制氨原料，具有与液氨相同的脱硝性能，且具有无毒安全的特点，近几年成为了火电企业SCR 法脱硝首选。

1 尿素制氨脱硝原理尿素制氨工艺主要分尿素热解和水解，尿素热解可分为电加热和高温烟气换热，而尿素水解分为催化水解和普通水解两种工艺。

国家能源集团浙江公司某电厂液氨改尿素工程主要采用普通水解制氨技术，因此下文主要介绍尿素普通水解化学反应过程，其反应方程式如下：首先尿素和水反应生成氨基甲酸铵中间体。

NH2CONH2 + H2O←→NH2CO2NH4，氨基甲酸铵再在反应中进一步分解为氨：NH2CO2NH4 ←→2NH3 + CO2，尿素水解制氨的总反应方程式为：NH2CONH2 +(1+x)H2O←→2 NH3 + CO2 +(x) H2O。

固体的尿素颗粒经水解制成氨气的整个反应是吸热反应，需要热输入。

反应速率为温度的函数，如下图所示：水解速度受到温度的影响显著。

当温度低于80℃时尿素的水解速度很慢，大于115℃则水解速度加快。

145℃以上水解速度剧增。

但温度超过160℃水解产氨速度较快，操作将不易控制，如果温度持续降至70℃以下，该冷凝物会形成固态氨基甲酸铵，将可能会堵塞管道。

因此水解过程中温度的选着至关重要，从水解反应速度来看，升高温度是有利的。

但高的水解温度需要增加加热蒸汽压力、操作压力以及增加设备强度。

尿素在水解制氨过程中温度过低会发生逆反应，产生甲铵（氨基甲酸铵）中间体，甲铵液是强腐蚀性介质。

该厂综合考虑到水解速度和固定投资，选定尿素水解的温度为135℃。

2 液氨改尿素制氨脱硝工程设计过程国家能源集团浙江公司某电厂一期4x630MW机组，二期2X1000MW机组同步进行液氨改尿素制氨脱硝工程。

尿素制氨系统设置两个水解车间和一个尿素车间。

其中一期水解车间设置 3台水解器，二用一备，为一期 4 台机组脱硝系统供氨。

二期水解车间设置2台水解器，一用一备，为二期 2 台机组脱硝系统供氨。

尿素车间产生的尿素溶液经5台尿素溶液输送泵负责两个水解车间尿素溶液的制备及输送。

此文将对一、二期机组的同步改造工程过程进行分析。

2.1 尿素溶液的储、供过程配制尿素溶液时，通过尿素槽车自带卸料装置，将槽车内的尿素直接通过压缩空气输送至尿素溶解罐中，特殊情况可使用袋装尿素经斗提机输送至尿素溶解罐。

配制尿素溶液时，通过调节尿素和除盐水给料量，来控制尿素溶液密度，将干尿素溶解成 50%质量浓度的合格尿素溶液，再通过尿素溶液混合泵输送到尿素溶液储罐。

尿素溶液储存罐里的尿素溶液利用蒸汽加热对其进行保温，温度维持40~50℃。

2.2尿素普通水解过程溶液罐里的尿素溶液通过溶液输送泵持续送至水解反应器，进行水解产生氨气。

尿素水解制氨系统设计使用 40 wt%至 60 wt%的尿素溶液。

尿素溶液经由尿素溶液输送泵进入水解反应器，利用蒸汽对其进行加热水解。

对于50wt%的尿素溶液进料情况下，水解的含氨产品成分约为含 28.3wt%的氨、36.7wt%的二氧化碳和 35wt%的水蒸气。

2.3产品气的输出使用尿素水解产生产品气为氨气、二氧化碳和蒸汽的气态混合物，该气态混合物进入氨空气混合器被热稀释空气稀释后，产生浓度小于5%的氨气通过管道送至炉区氨气流量计量及调节模块，再经SCR 脱硝喷氨格栅后送入锅炉尾部烟道与烟气混合以去除氮氧化物。

3液氨改尿素制氨脱硝工程常见问题的解决方案由于液氨改尿素制氨脱硝系统较液氨脱硝设备单元多，系统相对复杂，介质在完成烟气脱硝过程还有复杂的化学反应过程，因此在运行中出现部分问题的概率也自然会多些，现将该厂如何防止可预见性问题的应对措施进行进行归纳如下：3.1 系统管道设备防结晶措施由于尿素水解制氨是一个可逆反应，NH3和 CO2混合气体在温度持续降至70℃以下，该冷凝物会形成固态氨基甲酸铵或尿素颗粒堵塞管道。

尿素溶液溶解罐及储罐通过蒸汽盘管加热装置，维持溶液温度在35~50℃左右，保证系统不结晶，因此做好保温伴热在液氨改尿素工程中起着至关重要的作用。

溶液储罐至水解器之间的尿素溶液管道长期处于运行状态，设置电伴热，确保尿素溶液温度维持在结晶温度之上。

在每个氨空气混合器前增加一台稀释风烟气加热装置，用于将稀释风加热至180℃左右，用以保证混合气体的温度在150℃以上，防止混合气体发生逆反应重新生成尿素。

而成品气管道除采用良好的保温材料进行保温外，还应引用蒸汽双管伴热，且产品气管道应多设置温度测点，及时监控产品气温度状况。

在水解反应器撬装模块及公用系统中氨气管线切换中设置蒸汽暖管、蒸汽吹扫置换系统。

与产品气接触的仪表设置了蒸汽吹扫，定期对其进行吹扫。

尽管预防措施很足，但该厂在运行中还是出现了供氨管线一处压力测点因保温措施不够完善而导致发生结晶事件，该测点压力非线性的降为0MPa左右，与该管线上其他压力测点相比明显失真。

而后此处通过重新加装保温措施，予以解决。

3.2单体设备与整个系统的冗余方案为防止设备故障影响整个系统的运行，本套尿素水解制氨脱硝系统采用了缜密的设备系统冗余、互备方案。

一、二期公用两套溶解罐装置，配制尿素溶液时，正常尿素上料是通过散装尿素槽车自密闭卸料装置，将槽车内的尿素直接通过压缩空气输送到尿素溶解罐中，当极端天气或其他原因造成尿素槽车到货不及时，则通过人工将袋装尿素拆包，拆包后的尿素经斗提机输送入尿素溶解罐以保证尿素原料的稳定。

溶解后的液氨溶液通过尿素溶液输送泵送至水解车间，且尿素溶液输送泵设置一、二期公用5台，正常运行1运4备。

水解器的配置是一期水解车间设置 3台，二用一备，二期设置2台水解器，一用一备，水解器产出的产品气，一、二期间通过管道相连相互备用，平时通过隔离门进行隔离。

每台3台超声波液位计，以保证液位测量的准确。

该厂曾出现过一期因水解罐液位测量失准，较真实液位低，导致至水解罐供尿素溶液调门开过大，而影响二期水解罐液位的现象。

全厂提供三路尿素水解制氨用蒸汽，主气源接自一期辅汽联箱、二期辅汽联箱，备用气源接自对外供热蒸汽管道。

系统所需用水由脱硫工艺水、除盐水、消防水、生活水四路水源予以保证。

正常情况下生产用水主要由除盐水来提供，其他水源用于备用。

3.3保证脱硝系统安全运行的必要改造该厂尿素水解制氨脱硝工程中对一、二期流场优化改造，喷氨格栅改造以保证产品气喷入烟道内能充分与烟气结合，保证脱硝效率的同时解决因脱硝效率低造成NH4逃逸了过大的问题。

一、二期稀释风系统改造，一、二期机组全部更换稀释风机，同时更换氨气/空气混合器，材质为316L，包括原有氨/空气混合系统管线、附属阀门、仪表。

根据水解系统要求，稀释风需要加热至180℃左右，用以保证混合气体的温度在150℃以上，防止混合气体发生逆反应重新生成尿素。

3.4 保证系产品气进入炉膛的安全逻辑⑴SCR反应器入口加氨关断阀允许开条件（以下与条件）：1）无MFT信号；2）任一台稀释风机运行；3）任一台引风机运行；4）SCR入口烟温>275℃；5）SCR区供氨压力>0.12MPa；6）氨气、空气稀释比<8%；7）A 、B 侧氨气混合器入口稀释风温度>140℃；8）尿素水解制氨备妥信号至#5炉SCR。

⑵SCR反应器入口加氨关断阀保护关条件（以下或条件）：1）两台稀释风机全停；2）两台引风机均未运行；3）锅炉MFT；4）A侧与B侧氨气、空气稀释比>8%；5）SCR入口烟温<275℃，延时120分钟；6）SCR入口烟温<270℃，延时10分钟。

⑶防止产品气在供气管道内结晶的逻辑供气逻辑中设置一个“吹扫”投、撤模块，当系统达到投运条件，即脱硝进口烟温大于275℃时，投入“吹扫”按钮，开启脱硝快关阀，调节阀置100%，开启尿素水解器产品气管道蒸汽吹扫气动隔离阀，对产品气管道进行吹扫，通过供氨流量和产品气压力和温度确认产品气管道通畅。

当水解产品气母管温度达130℃时，暖管和吹扫结束，防止产品气温度低造成结晶。

当产品气系统需停运时，投入“要求喷氨停止”模块，关闭对应机组供氨隔离阀；投入“吹扫”按钮，打开供氨关断阀，A、B侧调节阀置100%；打开对应机组蒸汽吹扫阀，吹扫10分钟；当打开SCR区供氨排净阀2，就地判断排出蒸汽无氨味，说明管道已吹扫干净。

4尿素水解脱硝费用解析由于尿素水解脱硝生产费用构成主要是尿素材料的使用成本、整个过程中的用水成本、管线加热以及辅机耗电的耗电成本、低压蒸汽的加热耗汽成本以及压缩空气的成本等等，对该厂一、二期机组试运行期间的使用成本为进行粗略计算如下：由于该套系统截止本文发稿仍属于调试投产期，部分表计未安装到位，暂无法精确统计，仅以设计参数进行粗略统计（与实际使用会产生一点偏差）。

其中水解区单套尿素水解器最大设计产氨量1025kg/h（一期为400kg/h、二期为625kg/h）。

仪用压缩空气设计耗量60.0Nm3/h,按1元/m3计算；除盐水设计耗量75 t/h(两期总量，瞬时最大值), 按5元/t计算；蒸汽设计耗量15.16t/h，（两期总量瞬时最大值，含水解反应器，参数按照0.8MPa，250℃考虑）按80元/t计算；电耗量设计为536KW/h,按0.45 kW·h计，按以上参数计算得出该套系统全厂6台机组最大出力时辅助生产费用将近1888元/h。