0308改--尿素水解制氨技术在燃煤电厂中的应用

　　

尿素水解制氨技术在燃煤电厂中的应用

周 军¹，兰 岚²

（1.大唐南京环保科技有限责任公司，江苏 南京 211100；

2.大唐佛山热电有限责任公司，广东 佛山 515700）

摘要：随着工业生产安全的提高，尿素制氨工艺逐步成为燃煤电厂烟气脱硝工艺的首选，本文分别对比了热解制氨与水解制氨的技术特点，发现水解制氨工艺更符合现代生产的要求，同时通过该技术在燃煤发电机组中的具体应用，从而对目前燃煤电厂的工作者提供一定的指导意义。

关键词：尿素水解；烟气脱硝；工艺

中图分类号：X773

作者简介：周 军（1991-），江苏盐城人，硕士，中级工程师，现从事脱硝催化剂生产、再生及其资源化利用方面的研究。

Urea hydrolysis ammonia technology application in coal-fired power plants

Zhou Jun¹,Lan Lan²

（1. Datang nanjing environmental protection technology co., LTD,Nanjing 211100,China;

2. Datang foshan thermoelectric limited liability company,Foshan，515700，China)

Abstract：With the improvement of industrial production safety, urea ammonia process gradually become first choice of coal-fired power plant flue gas denitration process, this paper compares the technical characteristics of pyrolysis ammonia and ammonia hydrolysis system, found that hydrolysis ammonia process more accord with the requirement of modern production, at the same time through the application of the technology in coal-fired power generating units, to provide certain guiding significance to the current coal workers.

Key words:Urea hydrolysis;flue gas denitration;process

引 言

目前，燃煤电厂烟气脱硝多数采用选择性催化还原法，该工艺成熟且普遍^[1]。氨气作为烟气脱硝中重要的还原剂一般可从氨水、液氨、尿素中得到，同时液氨制氨凭借其初投资及运行费用低的优势从而被早期电厂普遍采纳。然而，液氨作为有毒化学品，根据最新《危险化学品重大危险源辨识》警示：当在生产场所存放超过10吨液氨，属室内重大危险源，因此出于法律法规及安全角度出发，尿素依靠安全稳定的特点在新建电厂及升级改造过程中被广泛使用。

佛山某电厂欲新建2台1000MW超临界燃煤发电机组。厂房周边道路狭窄且人员村落密集，若采用车辆运输液氨，运输车极易发生堵车、滞留等问题，此外，厂区周边环境敏感点较多，因此，出于综合考虑，电厂决议采用尿素作为烟气脱硝制氨工艺中的原材料。

1 尿素制氨技术

基于液氨使用存在的安全问题，因此尿素制氨工艺被得以研发，虽然该系统复杂性、投资和运行成本相对较高，但却有效避免了液氨使用的安全性问题。制氨系统一般包括：原料存储和溶解系统、溶液储存系统、溶液输送、系统尿素分解系统。同时依据不同的尿素制氨工艺，尿素制氨技术又可分为热解制氨技术和水解制氨技术两类。

1.1 热解制氨技术

尿素热解制氨过程：给料机输送尿素颗粒至溶解罐→水解制成尿素溶液（质量分数50%）→溶液输送至混合液储罐→经给料泵输送至高温分解室→分解后的NH₃等产物经氨喷射系统再进入烟气脱硝系统。高温分解温度控制在350℃~650 ℃，具体化学反应方程式为：

CO(NH₂)₂→NH₃+HNCO (1)

HNCO+H₂O →NH₃+CO₂ (2)

1.2 水解制氨技术

尿素水解制氨过程：给料机输送尿素颗粒至溶解罐→水解制成尿素溶液（质量分数40%~60%）→经给料泵输送至水解反应器→分解后的NH₃等产物经氨喷射系统再进入烟气脱硝系统^[2]。水解温度控制150 ℃~170 ℃，具体化学反应方程式为：

CO(NH₂)₂ + H₂O ↔NH₂-COO-NH₄↔ 2NH₃↑ + CO₂↑ (3)

1.3 两种技术对比

表1 尿素水解与热解制氨比较

Tab.1 Urea hydrolysis compared with pyrolysis system of ammonia

项目	水解	热解
关键设备	水解器、热交换器、凝结器	热解炉、蒸汽加热器
设备等级/kg▪h-1	4.5~4536	4.5~545
运行温度/℃	140~150	350~600
运行压力/MPa	0.4~0.8	微正压
压力容器	有	无
设备安装与检修	安装、检修较简单	需在线检修，检修不便
设置模式	单元制或公用制	单元制
初投资	3台炉及以上公用制较低	低
主要优点	运行稳定，尿素转化率高，负荷变化跟踪能力强	响应时间快，运行案例多
主要缺点	响应时间较慢，水解反应器为压力容器	电耗高，尿素转化率低，易堵塞
运行成本	低	高

2 设计基础数据

2.1 尿素资料

表2 农业尿素要求

Tab.2 The urea asked

项目			农业用
			优等品	一等品	合格品
总氮（N）（以干基计）		3	46.4	46.2	46.0
缩二脲		￡	0.9	1.0	1.5
水（H2O）分		￡	0.4	0.5	1.0
亚甲基二脲（以HCHO计）		￡	0.6	0.6	0.6
粒度	d 0.85, mm～2.80mm	3	93	90	90
	d 1.18mm～3.35mm	3
	d 2.00mm～4.75mm	3
	d 4.00mm～8.00mm	3

2.2 水、电、汽、气、还原剂

2.2.1 给排水参数

尿素水解系统的给排水涉及：工业、消防、生活以及稀释水等。尿素水解系统工艺用水采用的是除盐水。

除盐水水质如下：

电导率＜0.1μs/cm，SiO₂＜10μg/L

2.2.2 电源、压缩空气、蒸汽系统

电源、压缩空气及蒸汽系统要求如下：

（1）机组水解设备用电：引自厂用电系统；还原剂制备用电：引自辅助厂房PC A/B段各一路电源。

（2）还原剂制备仪用压缩空气：

还原剂制备控制仪用压缩空气由买方提供一路气源，气源参数为0.4～0.6MPa，设计接口在尿素制备及储存区外1.5m。自备储气罐。

（2）还原剂制备杂用压缩空气系统（如果有）提供。

2.3 性能保证

2.3.1 性能指标保证

2.3.1.1 尿素耗量

在BMCR至锅炉最低投氨负荷时，且原烟气中NO_x含量为 300 mg/Nm³时（干态，O₂=6 %），每台炉系统氨耗量≦ 311 kg/h，脱硝效率≧85%。（单台机尿素耗量不大于 560 kg/h）

2.3.1.2 其它消耗

a) 尿素制氨蒸汽耗量 用于保温及加热1.5t/h，用于水解3t/h

b) 除盐水耗量1500 kg/h

3 水解制氨系统工艺设计

根据设计基础数据，同时根据该电厂实际情况，经过综合对比分析，最终电厂机组制定了详实的尿素水解制氨工艺方案，并依此为基础进行了系列参数的设定。

3.1 尿素水解系统

机组水解模块分别设置两套独立尿素溶液水解系统。水解后的尿素溶液（质量分数50%）输送至水解器内，过热蒸汽则通过盘管回流成为冷凝水进入电厂疏水系统，可进一步回收使用。此时，水解器内尿素浓液质量分数为50%，气液两相平衡体系压力控制在0.5～0.95MPa，温度则控制在135～160℃。水解反应器内产生的含氨气流先被热稀释风稀释，随后通过氨空混合器被混合均匀，最后含氨气流进入喷氨格栅后喷入烟道内。

3.2 主设备选型

表3 主设备型号

Tab.3 The main equipment types

3.3 工艺接口及要求

（1）除盐水用量接口在尿素区外1m，30m3/h间断运行，每次1-2小时，平均每天1次。 接口尺寸：φ89×4.0mm 管道材质为304。

（2）减温减压器用减温水，连续运行，约1.0t/h。（主体院提供气源参数后确定）

（3）尿素区仪用压缩空气接口：0.6-0.8Mpa，接口在尿素站外1m。接口尺寸：30 Nm3/h ，管径DN 32，材质304。

（4）SCR区仪用压缩空气接口：0.6-0.8Mpa，接口尺寸：30 Nm3/h ，管径DN 32，材质304。

（5）疏水管道接口：流量30m³/h ，80℃左右，接至疏水扩容器，由主体院提供接口。接口尺寸：DN65，管道材质为20#。

（6）废水排放接口: 介质为尿素溶液，, 流量30m³/h，冲洗、溢流及排污时排放，接口在尿素站外1m。接口尺寸：φ89×4.0mm 材质304L。

（7）尿素区给水（生活水），尿素站外1m。接口尺寸：DN25 0.15m³/h。

（8）尿素区排水，尿素站外1m。接口尺寸：DN100 UPVC 。

（9）消防水接口：尿素站外1m。接口尺寸：DN100 无缝钢管 0.1Mpa 15L/s。

（10）水解气源：满足任何荷负满足最低1.0MPa以上180℃以上的、连续的水解用蒸汽，3t/h，由主体院最终提供。

（11） 尿素区和氨气管道加热及伴热用蒸汽，0.6MPa以上，180℃以上，2 t/h。

4 水解制氨系统电气设计

电气系统设计范围主要包括两大区域：尿素水解区和尿素制备区。具体则涉及到：AC380/220V供配电系统、电气控制与保护、照明、检修系统、安全滑缆及其敷设和电缆构筑线、防雷接地系统、电缆、电气设备布置等。

4.1 电气系统描述

4.1.1 尿素水解系统接线原则

4.1.1.1 尿素水解和制备区接线原则

尿素水解系统设置就地MCC段，电源取自脱硫公共PC段A、B各取一路进线电源，以确保任何一台炉电源发生故障时均能保证制备区所有设备均能正常运行，单母分段，同时设置联络断路器，进线断路器及联络断路器均采用框架智能断路器，其选型与主厂房使用一致。

热工电源柜电源采用两路进线电源：一是源自就地MCC柜，二是源自保安电源。柜内则采用ASCO双电源自动切换装置。热工电源柜主要给现场仪表（如：气动开关阀、调阀、仪表等）和DCS控制柜提供电源。

DCS控制柜选用双路进线电源：一是源取自就地MCC段，一是源自热工电源柜。同时在柜内需选用ASCO双电源自动切换装置，以确保DCS控制系统电源的可靠性。

工业电视现场接线箱电源取自MCC柜。

火灾报警区域盘电源：源自主厂区火灾自动报警系统主控盘。

4.1.1.2 SCR区接线原则

SCR区现场仪表、气动阀和调阀电源均取自SCR区单元机组热工电源柜。

4.1.2 控制与保护

（1）控制方式

烟气脱硝系统内的电气设备均需链接至DCS系统，同时不需要设置常规控制屏。所有低压空气断路器的控制电压采用AC 220V，MCC中塑壳断路器加接触器回路的控制电源采用AC 220V，其余就地电控箱控制电压采用AC 220V。

（2）信号与测量

尿素水解系统就地电控间不需设置常规音响及光字牌，此外，所有的开关状态信号、电气事故信号及预告信号均需要接入尿素催化水解DCS系统。同时，尿素水解系统电控间不需要设置常规测量表计，只需选用变送器（4～20mA，变送器装于相关开关柜）输出接入尿素催化水解DCS系统。

测量点需严格按照《电测量及电能计量装置设计技术规程》配置。至少应有如下电气信号及测量量：

45kW以上低压电动机单相电流；

380V低压回路的合闸、分闸状态、电气故障、远方/就地控制切换开关的就地状态；

所有电动机的合闸、分闸状态、电气故障、远方/就地控制切换开关的就地状态。

（3）继电保护

380V厂用系统及电动机由空气开关脱扣器或另配继电器实现保护。

4.2 电气系统主要设备选型

4.2.1 低压配电装置

尿素水解区MCC段设置低压开关柜，开关柜内电气设备一次元件低压配电柜内主要电气元件设备（断路器及接触器等）应与主厂房低压开关柜内设备保持一致，并广泛采用电动机马保装置。电气设备一次元件应满足400V系统短路电流动、热稳定的要求，其中，动稳定电流为100kA，热稳定电流为50kA（3s）。

4.2.2 电缆

0.4kV动力电缆：所有电缆必须使用阻燃型电缆，同时控制电缆应该是屏蔽的。

为保证全厂统一的电缆型号，暂定电缆的选型如下：

380V电力电缆：ZRC-YJY22-0.6/1.0kV，阻燃（C级），且铜芯钢带铠装电力电缆。380V最小截面为4mm²。对于一些直流电源重要回路：如消防、报警、应急照明及断路器操作等，必须选用符合国家标准的耐火电缆（A类）。

4.2.3 60V以上的测量和控制电缆

控制电缆：ZRC-KVVP2-22-0.45/0.75 kV，阻燃型聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套铠装电缆并且最小导体截面为1.5mm²。低电平电缆选用对绞屏蔽电缆，同时截面面积需≧1.0 mm²。进入远程的控制电缆选用屏蔽电缆，同时截面面积需≧1.5 mm² ，另外重要设备必须选用耐火电缆。电流电压回路则不小于4mm²。

计算机电缆（主要用于模拟量）：ZRC-DJYPVP22-0.3/0.5kV，C级阻燃型聚乙烯绝缘，对绞铜带屏蔽，聚氯乙烯护套加铜带总屏蔽电缆，信号回路最小截面为1.5mm²。

4.2.4 安全滑触线

烟气脱硝系统内所有电动起吊设施供电：三相安全滑线。

4.2.5 电缆构筑物

还原制备区采用钢质热镀锌桥架，桥架接口位于尿素/水解区域外1.0米综合管架处。

5 结语

经过综合对比，尿素水解制氨工艺凭借其适用性强、技术成熟、改造周期短、投资运行费用低及施工及检修方便的优点，已成为燃煤电厂烟气脱硝工艺中的优选。同时通过其在燃煤发电机组中的具体应用，希望给予电厂工作者些许指导，以便其开展针对性的工作，最大限度降低生产带来的技术、安全、操作等风险，保障电厂烟气脱硝平稳运行。

参考文献

[1] 裴煜坤，张杨，杨用龙，等 .燃煤电厂烟气脱硝尿素制氨技术经济性对比［J］.环境工程，2019（37）：157-159.

[2] 姚宣,沈滨,郑鹏,等.烟气脱硝用尿素水解装置性能分析 [J].中国电机工程学报，2013,33（14）：38-43.

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