高 磊

（陕西榆林能源集团杨伙盘煤电有限公司，陕西神木 719316）

电力行业发展至今，已经有了相当的规模和先进的科学技术水平，同时为国家经济做出突出贡献。燃煤和燃气电站的烟气必须进行脱硝处理，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。根据反应原理，SCR烟气脱硝所需还原剂为氨气。现有烟气脱硝工程中还原剂（氨气）的原料可在液氨、氨水、尿素中进行选择，液氨和氨水都是有毒物质，其运输、卸料、储存、运行、检修等环节具有较大的安全风险，已被列为重大危险源，故现今电厂选用尿素作为烟气脱硝还原剂的原材料。

1 尿素制氨工艺

尿素制氨的工艺原理是尿素水溶液在一定温度下进行分解，生成气体二氧化碳、氨气、水蒸气的混合气，其化学反应式为。尿素制氨工艺主要有两种：热解法和水解法。尿素热解和水解工艺是在不同温度压力条件下进行，有着不同的化学反应过程。水解法是将尿素以水溶液的形式加以分解，热解法是直接将快速加热雾化后的尿素溶液进行分解。

2 尿素催化水解工艺系统简介

尿素催化水解制氨工艺主要由尿素颗粒储存系统溶解输送系统、尿素水解系统组成，如图1所示。

图1 尿素催化水解制氨系统简图

尿素采用袋装50kg，总氮≥46.4%，粒径1.18～3.35mm执行《尿素》（GB/T 2440—2017）。尿素通过运输车运到尿素溶液制备区后，储存在尿素储存间内，在配制尿素溶液时，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，使尿素颗粒得到充分的溶解。尿素溶液在尿素溶解罐内配制完毕后，通过尿素溶液混合泵输送至尿素溶液储存罐。为了防止尿素溶液因温度过低造成结晶，尿素溶液储存罐同样配有加热盘管，使尿素溶液保持一定的温度（50～70℃）。

3 尿素催化水解系统

尿素催化水解反应为吸热反应，为了使反应速率恒定，尿素、水和热量都必须按照正确的比例供给反应器，使其源源不断地产生氨气。尿素催化水解制氨系统是将浓度约为50%、温度为50～70℃的尿素溶液通过高压泵从尿素储存罐打入尿素水解反应器中，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、水蒸气混合气。混合气经由减压、流量控制调节与稀释风在氨、空混合器中混合，将氨气浓度稀释至5%以下，由氨喷射装置喷入SCR反应器内与烟气中的NOX反应。

4 尿素催化水解制氨工艺在烟气脱硝中的应用

4.1 尿素供应系统优化措施

尿素供应采用人工拆袋、间断供应方式，尿素溶液储存罐液位较高时停止供应，液位低时拆袋供应。工人在供应前先将袋装尿素集中在斗提机下料口周围，然后拆袋，在人工投料过程中容易存在将袋绳及其他杂物掉入斗提机内的情况。为了防止尿素溶液管道堵塞，在尿素溶液混合泵前加装滤网，定期进行清理，可有效防止因尿素溶液堵塞造成系统停运，也可防止杂质混入水解模块，影响制氨效率。通常尿素供应只有一套斗提机加注尿素的设备，当斗提机出现故障或检修时，不能满足尿素的正常供应，故在尿素溶解罐的上部另设计一个人工加注口，在斗提机不能正常使用时可保证尿素正常供应。

4.2 尿素溶液室外输送管道的防冻措施

尿素制备区与尿素水解区距离约200m，陕北冬季室外最低温度可达-28℃，为防止尿素在管道内结晶，管道伴热采用蒸汽伴热和电伴热，正常运行时用蒸汽伴热，在蒸汽伴热出现故障时采用电伴热。伴热的可靠性对输送管路正常运行至关重要。

4.3 催化水解排污处理措施

尿素及催化剂含有杂质及反应过程中产生的污染物，所以需要定时清理反应器中的固体、沉积物和其他污染物，使其保持至最小值。推荐排污时间及频率：①反应器废水排污时间为2min，每周进行1次，将反应器底部杂质排净；②反应器表面排污时间为2min，每2周进行1次，将反应器表面杂质排净。

根据化验尿素溶液制备废水水质，可将尿素溶液制备废水排至锅炉零米煤泥水池，1周产生废水约10m3，尿素溶液呈中性，不会对煤泥水系统产生腐蚀作用。

4.4 管道气体置换措施

氨气爆炸极限为15%～28%，其火灾危险性属乙类第2项物品。对于电厂在机组初次投运脱硝供氨系统时，喷氨管道需先进行惰性气体（氮气）置换，防止管路中的氨气浓度达到爆炸极限。当供氨管路和箱罐检修时，也必须进行惰性气体置换，防止由于氨气处于极限浓度范围内，导致爆炸现象发生。紧急停运时，必须及时手动吹扫氨气管线，以防止氨气在管路中结晶，堵塞管路。

5 尿素催化水解制氨与尿素热解制氨对比

尿素催化水解制氨系统的尿素利用率高、能耗成本低、可靠性高。通过表1可以看出，尿素热解反应需要的温度较高，且热源一般由热一次风来提供，温度偏低时还需要投入电加热器使温度达到要求；而尿素催化水解的热源由电厂富裕的低品质蒸汽提供，故而尿素催化水解的能耗成本较低。

表1 尿素催化水解制氨与尿素热解制氨对比表

尿素热解反应方程式：CO（NH2）2（液）→CO（NH2）2（固）+H2O（气）；CO（NH2）2→NH3↑+HNCO；HNCO+H2O→NH3↑+CO2↑，可见尿素热解制氨需要三步来完成，且存在中间产物异氰酸，异氰酸需要在≥400℃的温度下水解生成氨气，温度过低影响尿素利用率且对系统运行不利；而尿素催化水解系统制取氨气没有任何中间副产物，尿素利用率＞99%，对系统运行没有任何副作用。

6 尿素水解反应器合理布置及安全性评价

合理优化氨气管道路径，可有效防止氨气管道因温降导致结晶的故障。经综合考虑，将尿素水解罐布置在锅炉房零米，尿素水解后的氨气管道布置在锅炉房内，可有效降低热损失，提高氨气管道输送的可靠性。在尿素水解项目中，水解器制氨系统是集压力容器、阀门仪表、电气控制、钢结构底座、电伴热系统防腐保温为一体的整体模块化产品，其压力容器和阀门管道已在出厂前进行了全面检测，并且其中的电机、执行机构和相关设备均采用防爆产品。水解器制氨系统不属于火灾危险性较高的设备，从以下两方面说明。

6.1 设备设计角度

水解器本身有多重安全防护，包括不限于关断蒸汽输入、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，以及在会产生泄漏的管道接口、法兰接口均设置氨气泄漏检测仪，一旦检测到氨气泄漏联锁控制切断氨气供应，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内融水稀释处理。

6.2 产品气成分角度

水解气产品气为尿素分解后的氨气、二氧化碳、水蒸气的混合气，其中氨气体积仅占产品气的37.5%。氨气为非易燃气体，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被扑灭。

7 结束语

由于制氨原材料氨水和液氨都属于重大危险源，存在重大安全隐患，脱硝还原剂由液氨、氨水改为尿素势在必行。通过对尿素催化水解系统在运行中存在的问题进行设计优化，采取相应的保障措施，保证了尿素催化水解制氨系统运行的安全性、稳定性、可靠性，有效保障了电站锅炉烟气脱硝效率，满足了烟气NOx排放指标，具有较高的应用推广价值。