尿素水解工艺简介及尿素还原剂在运行中面临的问题-中国电力企业联合会.doc

尿素水解工艺简介及尿素还原剂在运行中面临的问题 白纯钰①，William G. Hankins② 雅苒中化环保有限公司，北京市朝阳区雅宝路12号） Wahlco, Inc., 2722 S. Fairview St. Santa Ana, Ca 92704) 摘要：近年来，随着中国脱硝改造的逐渐深入以及政府针对火力发电企业脱硝的补贴政策的出台，在连续稳定的减排氮氧化物的同时，如何能够不给企业带来更多的成本负担（包括人工成本，能耗等）和更大的安全风险，便也成为了目前更多的已安装和准备安装脱硝装置的火力发电企业，尤其是大型火力发电企业所面临的一个亟待解决的问题。 本文以尿素水解工艺为例，阐述了如何在已经选用尿素为还原剂的脱硝系统中，尽可能的降低运行成本，以及如何在后期运行中，更安稳定、安全、有效的采购、运输以及储存尿素还原剂。 关键词：尿素水解；节能；尿素还原剂 1引言 目前世界上主流的脱硝技术为低氮燃烧（LNB），选择性非催化还原反应（SNCR）和选择性催化还原反应（SCR）。LNB作为无更多运营费用的脱硝手段，已在全世界范围内被广泛采用。SNCR与SCR两种技术，可根据火力发电厂的实际情况，例如，炉型、排放标准、氮氧化物入口浓度等，有针对性地选用。 一般来说，针对小型煤粉炉，循环流化床锅炉，垃圾焚烧炉以及燃气锅炉，SNCR的脱硝销率基本亦可满足环保排放之要求，更加上SNCR远低于SCR的初期投资费用，SNCR亦可称为此类锅炉的脱硝装置的最佳应用技术之一。但对于大型煤粉锅炉来讲，SCR以其90%以上的脱硝效率，毫无疑问的成为了最佳应用技术。 脱硝作为一种还原反应，还原剂的可直接采用液态无水氨，也就是液氨，也可以选用一定浓度的氨水或尿素制备而成。从使用效率来讲，液氨无疑是最直接经济的选择，故在世界范围内大部分地区在最初阶段均采用液氨作为还原剂。但随着脱硝技术的逐渐普及，为了有效地降低在运输和使用中的安全风险，越来越多的国家和地区开始采用一定浓度的氨水或者尿素作为还原剂的来源。在欧洲，24.5%的氨水为主流的还原剂；而美国则更多的采用尿素来作为还原剂。 当选用尿素作为还原剂时，目前，世界上主流的尿素制氨技术有水解（Hydrolysis）和热解(Pyrolysis)两种。其代表为美国Wahlco公司的U2A技术和美国Fuel Tech公司的Ultra技术。在欧美的大量的完全运行的应用实例中，尿素水解技术以其更少的能耗、更高的尿素利用率、更稳定的冗余系统布置和完全防爆的出口气体组份，成为了绝大多数30万千瓦以上的大型火力发电企业的首选最佳应用技术。 2 尿素水解技术简介 Wahlco U2A? （尿素制氨）将尿素溶液按要求就地转化成氨气、二氧化碳和水蒸汽，供给需要氨气的后续工艺；例如，利用选择性催化还原法或选择性非催化还原法去除废气中的氧化氮。这样避免了运输、处理或储存有毒液氨或氨水的危险。液氨被认为有毒有害的化学物质，需严格遵守环保法规和当地条例的规定。氨水虽然浓度较低，但也有类似的危害，越来越受到地方政府的限制。 该方法生成不燃气体混合物，因此无需遵守防爆要求，也无需稀释以避免氨的可燃性问题。如果水解器或相关管道发生泄露，泄露的少量氨中大部分会与 CO2 重新结合，从而降低其危险。 用泵将尿素溶液以可控的流量打入压力容器（水解器），维持液面基本恒定。在水解器中，将尿素溶液加热至约 150°C 并维持在特定压力，使尿素水解成氨基甲酸铵，而后生成气态氨混合物。然后将生成的氨气产物从水解器中排出，并通入一个或多个氨计量装置 (U2AMUs)，氨计量装置控制氨量以满足 SCR 反应器的氨需求量。 在水解器发生的初步反应和合成物为： (x)H2O + NH2CONH2 ( NH4COONH2 + (x-1)H2O ( 2NH3 + CO2 + (x-1)H2O 尿素浓度 （质量百分比） NH3 （体积百分比） CO2 （体积百分比） H2O （体积百分比） 40 28.5 14.2 57.3 50 37.5 18.7 43.8 如上述反应方程式所示，U2A? 过程中尿素几乎100% 转化为氨，溶液中一个分子的尿素和一个分子的水生成两个分子的氨，生成一个分子二氧化碳。该反应中氨的生成速率与温度有关——温度低于115°C [239°F] 时，不发生反应。温度随着氨的生成速率的升高而升高。但是温度并非直接控制。通过控制水解器的热量输入，来维持恒定的操作压力。同样地，操作温度随生成速率和热量输入的升高而升高。由于反应过程对温度呈指数依赖关系，氨的生成速率升高非常迅