尿素水解制氨工艺设计及运维经验探讨

尿素水解制氨工艺设计及运维经验探讨

郑利坤,郝军,马连敏,杨炳良,许同,梁雨哲,阎明磊,刘岩涛

工作单位：华能山东发电有限公司烟台发电厂 地址：山东省烟台市芝罘区电厂东路67号；邮编：264000

摘要：火力电厂烟气SCR脱硝工艺中氨系统的设计及运维经验探讨，着重论述了制氨系统设计、流程、运维及安全注意事项等。并从工程实例出发，更加直观地展现了SCR工艺系统的设计布置方法。为火力电厂同类工程提供技术参考和依据，以提高电力企业的生产安全性和可靠性。

关键词：火力电厂；烟气SCR脱硝；尿素水解制氨系统

引言

华能某电厂现役四台机组，采用选择性催化还原（SCR）工艺。在设计煤种及校核煤种、锅炉最大工况（BMCR）、处理100%烟气量条件下，催化剂层数按2+1（初装+备用）设置，在锅炉正常负荷范围内，工艺系统按入口NOx浓度500mg/m3、处理100%烟气量设计。

1烟气SCR脱硝设计依据

烟气脱硝系统采用尿素水解+SCR技术，尿素水解器由设计院设计，2014年投产（此种方式在全国当时属于首例），共两台水解反应器，两条供氨管路，同时供应本单位所有锅炉，两台水解反应器出口设联络阀，每台水解器设计纯氨出力283.5kg/h，公用一套还原剂储存、尿素水解法制氨系统，并按照85%脱硝效率设计。

氨气是无色、有强烈刺激性气味的气体，分子式为NH3。尿素水解制氨原理是尿素水溶液在一定温度下会发生水解反应生成氨气。其化学反应式为：NH2-CO-NH2（CH4N2O）+H2O→2NH3+CO2。设计工况下，反应器温度160℃、反应器压力0.55MPa。水解反应器出口气体成分：NH3：37.5%；CO2：18.75%；H2O：43.75%（体积含量）。水解器内的尿素溶液浓度可达到35～50%，气液两相平衡体系的压力约为0.55～0.65MPa，温度约为130～150℃。尿素水解系统包括尿素水解反应器模块、计量模块、尿素水解系统设置尿素搅拌溶解系统、尿素给料输送存储系统、尿素水解系统、蒸汽减温减压系统、空压机系统及排污系统。主要设计的所属设备有：斗式提升机、尿素溶解罐、尿素溶解罐搅拌器、混合给料泵、尿素溶液输送泵、尿素溶液储罐、水解器、疏水箱、疏水泵、除盐水箱、除盐水加压泵、减温减压器、地坑泵、空压机、压缩气干燥塔、压缩器储气罐、氨气-空气混合器、涡流混合器等。系统的主要作用是尿素水溶液在一定温度下会发生水解反应生成氨气，并把气氨定量供应给SCR脱硝系统。

2尿素水解系统流程分析

尿素水解制氨系统由尿素储存溶解系统、输送系统和水解系统组成，主要设备有：斗式提升机、尿素溶解罐、尿素溶解罐搅拌器、混合给料泵、尿素溶液输送泵、尿素溶液储罐、水解器、疏水箱、疏水泵、除盐水箱、除盐水加压泵、减温减压器、地坑泵、空压机、压缩气干燥塔、压缩器储气罐、氨气-空气混合器、涡流混合器等。

尿素颗粒用除盐水溶解成35%-50%质量浓度的尿素溶液，输送到水解器内，经过减压减温的饱和蒸汽通过盘管进入水解器，盘管放热冷凝后回流，冷凝水由疏水箱回收。尿素溶液在蒸汽的加热作用下发生水解反应，反应速率及水解反应器压力随水解反应器温度变化。系统的主要作用是尿素水溶液在一定温度下发生水解反应生成氨气，并把氨气定量供应给SCR脱硝系统。

3水解器特性

尿素水解器属于压力容器，但运维方式不能完全参照普通压力容器，主要表现在：

1、氨蒸汽对铜、铟、锌及合金等非不锈钢材料具有严重的腐蚀性，对不锈钢材质也具有一定腐蚀性。

2、氨蒸汽对温度比较敏感，对伴热系统要求较高，汽温波动易造成氨管路带水，伴热不良易造成结晶。

3、水解器难以有效排污，导致底部及出口母管堆积淤渣，内窥镜检查水解器内壁也同样发现有泥渣附着。化验水解器底部化合物主要成分为铁离子55.98%、钙离子1.74%、铬离子8.32%；分析铁离子、铬离子主要为不锈钢材料腐蚀后沉积，钙离子主要为尿素不纯且未有效排污导致。

4尿素水解器运维经验

1、液位测点

由于氨蒸汽的腐蚀性和极易结晶的特性，导致测量方法受限。水解器液位计一般使用导波雷达液位计，我们积极试验各种材质并在现场实践，自主研发的全金属钛导波雷达液位计已在现场投入使用，使用效果良好。钛金属特性稳定，具有良好的抗腐蚀性，能有效解决水解器液位计导波杆各部位受到腐蚀的问题。

2、温度、压力测点、执行机构

气相、液相温度测点在进行安装时，宜在水解器罐体上安装带法兰的底座，并将温度套管安装在底座上，使用金属缠绕垫密封，防止泄漏。水解器压力测点宜全程使用铠装伴热，伴热温度不低于150℃，避免一二次门、导压管因结晶堵塞。水解器出口压力测点，宜采用膜片式压力表，膜片材质采用耐腐蚀金属钽，充油装置内部填充高温硅油。

3、金属腐蚀

供氨母管、供氨支管，材质为316L不锈钢的，其管路的支架如果是碳钢材质，由于管路渗雨水或其它原因，碳钢支架会加剧距管路接触部位的腐蚀，长期运行会减薄泄漏。故可以在碳钢支架的顶部焊接一块316L材质的护瓦（即氨管路割1/3圆周的管子，长度约120mm），管路的U型固定卡子，也需采用不锈钢材质的。所以与氨管路接触、支撑的设施需垫不锈钢瓦，防止氨管路与碳钢直接接触，造成腐蚀加剧。

4、管路结晶

水解器检修时检查水解器，在底部排污、出口母管发现有黑红色的淤渣，同时内窥镜检查内部也同样发现有泥渣附着。将杂质外出化验，水解器底部化合物成分分析主要成分为铁离子55.98%、钙离子1.74%、铬离子8.32%；底部排污化合物取样化学分析铁离子25.62%、钙离子15.51%、铬离子11.57%，铁离子、铬离子为不锈钢材料腐蚀后沉积，钙离子主要为尿素不纯且未有效排污导致。

5尿素水解系统运维安全注意事项建议

1、由于氨具有一定的毒性，而且氨气在16-25%浓度下与持续明火具有爆炸性，如果有油脂或其他可燃性物质，则更容易着火。因此还原剂制备区的操作应严格按照还原剂制备区安全管理中的有关规定，禁止出现可能产生火花、静电、温度的操作，在操作阀门时应使用能有效防止产生火花的铜制工具。

2、氨与强酸、卤族元素（溴、碘）接触发生强烈反应，有爆炸、飞溅的危险；氨与氧化银、汞、钙、氰化汞及次氯酸钙接触，会产生爆炸物质。因此应可能远离上述化学品。

3、氨对铜、铟、锌及合金有强烈侵蚀作用，全部接触材质选用腐蚀轻的不锈钢材料。

4、尿素会刺激皮肤、眼睛和呼吸系统。尿素通过吸入、食入和皮肤渗透都是有害的。氨是无色、带有辛味、有毒的气体，其刺激人的上呼吸道和喉咙。所属区域要配备相应的应急处理地点与设备。

结束语

对电厂尿素水解制氨工艺设计及运维经验探讨。尿素水解制氨技术以其高安全性、运行经济性为优势；并以其脱除效率高，适应当前环保要求而得到电力行业的高度重视和广泛应用，逐渐成为脱硝还原剂制备技术的首选方案。

参考文献

[1]选择性催化剂还原法降低氮氧化物排放的实验研究-《北京工业大学》2013硕士论文。知网.

[2]火电厂烟气脱硝技术及工程应用-《化学工业出版社》2007知网.