尿素热解技术在火电企业脱硝系统中的应用

李紫星 

华润电力（温州）有限公司

摘  要：氮氧化物NOx 有多种不同形式N₂O、NO、NO₂、N₂O₃、N₂O₄ 和 N₂O₅，其中NO 和NO₂ 是重要的大气污染物。我国氮氧化物的排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧，电力工业又是我国的燃煤大户，火力发电厂是NOx 排放的主要来源。尿素热解作为脱硝系统的关键步骤，对降低NOx 排放起着极其重要的作用。

关键词：尿素 热解 脱硝

1 引言

氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一，其中NO 和NO₂ 是重要的大气污染物。我国氮氧化物的排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧，电力工业又是我国的燃煤大户，因此火力发电厂是NOx 排放的主要来源。

研究表明，氮氧化物的生成途径有三种：热力型NOx，空气中的氮气在高温下氧化而生成NOx；燃料型NOx，燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx；快速型NOx，燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH 等反应生成NOx。在这三种形式中，快速型NOx 所占比例不到5％；在温度低于1300℃时，几乎没有热力型NOx。对常规燃煤锅炉而言，NOx 主要通过燃料型生成途径而产生。控制NOx 排放可分为一次措施和二次措施，一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx 生成量；二次措施是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除。

在众多的脱硝技术中，选择性催化还原法（SCR）是脱硝效率最高，最为成熟的脱硝技术。多年来，因使用不当，由液氨造成的伤亡损失十分惨重。目前在国内SCR脱硝采用尿素为还原剂已经成为一种趋势，并逐渐成为主流，尤其是在一些重点区域和离居民区较近的城市电厂，尿素热解制氨技术得到越来越多的应用。

2 尿素制氨技术

2.1 尿素水解制氨技术

尿素水解制氨法作为脱硝技术在1999年开始运用在国外锅炉烟气脱硝工程，目前这样的技术主要有AOD 法、U₂A 法及SafeDeNOx法三种。在一定的温度条件下尿素能水解生成氨和二氧化碳。主要反应式：CO (NH₂ ) ₂ + H₂O = 2NH₃ + CO₂。

用尿素溶解泵将溶解液送入尿素溶解槽，颗粒状尿素经斗式提升机输送到尿素溶解槽，经搅拌后配制成浓度约40% ~ 50% (w t)、温度约60℃的尿素溶液，利用尿素溶解泵打入尿素溶液箱储存，用尿素溶液泵加压送至水解换热器，先与水解器出来温度约200℃的残液换热，温度升至185℃左右，然后进入尿素水解器进行分解。尿素水解器的蒸汽加热方式分为直接加热和间接加热方式。直接加热：尿素水解器用隔板分为9个小室。采用绝对压力为2.45MPa 的蒸汽通入塔底直接加热，蒸汽均匀分布到每个小室。在蒸汽加热和不断鼓泡、破裂的蒸汽、水流搅拌作用下，使呈S形流动的尿素溶液得到充分加热与混合，尿素分解为氨和二氧化碳。间接加热: 尿素水解制氨法将饱和蒸汽通过盘管方式进入水解反应器加热，蒸汽与尿素溶液间不混合。从水解反应器出来的低温饱和蒸汽，用来预加热进入水解反应器前的尿素溶液。

水解器顶部出口的氨、二氧化碳、水蒸气混合气进入到缓冲罐经减压作为电厂脱硝还原剂使用。从水解器底部排出的含1%左右氨和微量尿素的水解残液经水解换热器换热后，温度下降，进入溶解液箱，作尿素溶解液使用，多余的水解残液送污水处理站(或直接抛洒在煤场)。从气氨缓冲罐出来的NH₃、CO₂、H₂O 等气态混合物，与加热后的稀释风混合进入脱硝氨喷射系统。

尿素水解过程中会生成一些酸性物质(如氨基甲酸铵等) ，氨基甲酸铵会严重破坏不锈钢表面的氧化膜，使系统的腐蚀速度加快，超过190℃时，一般的不锈钢材料(如304SS)会遭受严重腐蚀，当超过220℃时，即使采用钛( Ti)等耐腐蚀材料，系统也会遭受腐蚀。水解反应器由于操作温度较高，更易受到腐蚀。腐蚀可能造成设备的泄漏，从而产生安全隐患。腐蚀问题主要从管道、设备材质的选取和工艺设计两个方面预防。尿素级316L 和25—22—2材质有很好的抗腐蚀性。同时，需要在汽提塔入口加入防腐空气使其在管道及设备内部表面形成一层钝化膜，具有很好的防腐效果。因此，在正常运行中必须时刻保证有足够防腐空气加入量。

管道堵塞高浓度的尿素水溶液受热容易生成难溶于水的缩二脲及其他缩合物，这是造成尿素水解系统易产生堵塞的原因之一。因此，尿素的水溶液最好选择较低的质量浓度，同时，在系统停运时，要注意尿素溶解箱缓冲罐到汽提塔段管路的清洗，若未完全冲洗干净，待温度升高时会造成该段管路的堵塞且不易疏通，通常只能更换管道。

2.2 尿素热解制氨技术

尿素在热环境下稳定，加热至150~ 160℃将脱氨成缩二脲，若迅速加热将完全分解为氨气和二氧化碳。主要反应式:CO (NH2 )2 + H2O = 2NH3 + CO2

尿素的分子式为CO(NH₂)₂，无色或白色针状或棒状结晶体，吸湿性较强，易溶于水、醇，不溶醚、氯仿。呈微碱性，可与酸作用生成盐。对热不稳定，加热至150-160℃将脱氨成缩二脲和少量的聚合物；在320ºC时，尿素，缩二脲和三聚氰胺全部分解，快速加热将完全分解为氨气和二氧化碳。

主要反应式：

CO(NH₂)₂=NH₃+HNCO

HNCO+H₂O=NH₃+CO₂

尿素热解制氨SCR与液氨SCR具有同等的脱硝性能。首先将尿素在溶解系统中用除盐水（或冷凝水）配置成质量浓度为40-60%的尿素溶液，然后将溶液送至储罐储存。通过循环装置将部分尿素溶液输送给计量和分配装置，由喷射器喷入热解炉。热解炉利用300-650℃高温空气对雾化的尿素溶液进行加热分解，生成NH₃、H₂O和CO₂，分解产物与稀释空气混合均匀进入SCR的喷氨系统。

尿素热解装置在运行过程中，燃油消耗量始终较大，分析其原因主要是稀释风温度低、流量大。并且由于系统需氨量大，尿素热解吸收较大的热量，需要燃油提供的热量就越多。在电厂高温的热空气可以取自炉膛、省煤器出口和空气预热器一次风，比较其品质，由于前面两种热空气含尘量较高，容易造成尿素热解炉尾部管道堵塞，选择空气预热器出口一次风是比较合理的。但由于空气预热器后的一次风依然含有一定的粉尘，脱硝喷氨格栅长期运行后，可能会造成局部的喷嘴堵塞，影响脱硝系统效率。在喷氨格栅的调节门后增加压缩空气吹扫装置，定期对管道进行吹扫，可消除喷氨格栅喷嘴堵塞的缺陷。

热解炉在使用过程中发生因为底部尾管处尿素存积过多，导致出口风量减少，系统供氨量不够，直接造成热解炉停运清理，影响脱硝装置的可靠性。根据实验现象和系统因素分析，沉积物的形成主要由于尿素未能热解造成。热解的两个重要因素是足够的热量和较好的尿素溶液雾化效果。如果热解炉内热空气的流量低或温度低，都会造成尿素溶液得不到完全热解而在尾部形成沉积。可通过控制热解炉尾部出口混合气体的温度大于320℃可以很好地解决此问题。某电厂针对此问题提出如下措施：一是将尿素热解炉（包括计量分配模块）用轻质钢结构封闭在一个具有保温作用的空间内；二是改进尿素热解炉喷枪反冲洗水的水源，将冲洗水水源由常温的凝补水改为凝杂水经敷设在烟道保温内的管道加热后的水，确保尿素喷枪在反冲洗时不因温度下降而被尿素溶液结晶堵塞；三是建立定期冲洗切换制度，每天安排将喷枪进行切换和冲洗。通过以上措施喷枪堵塞情况大幅下降。

尿素颗粒是一种白色或浅黄色结晶体，吸湿性较强。南方地区全年的空气平均湿度在80%以上。空气非常潮湿，因此储存在尿素颗粒储存仓的尿素颗粒很容易吸潮板结（右图），吸潮板结的尿素颗粒无法采用振动、撞击的方式疏通，只能通过热水逐渐融化。某电厂在脱硝系统试运行时发现尿素颗粒在储存仓内极易吸潮板结。 

系统由催化反应器、氨储存及供应系统、氨喷射系统及相关的测试控制系统等组成。液氨作为还原剂的SCR脱硝工艺流程液氨由槽车运送至液氨储罐，液氨储罐输出的液氨在蒸发器内蒸发为氨气，氨气经加热至常温后送至缓冲罐备用。氨气缓冲罐中的氨气送至脱硝反应器区域，与稀释风机送来的空气混合成氨气体积含量为5%的混合气体通过喷氨格栅的喷嘴喷入烟气中，然后氨气与NO_X在催化剂的作用下发生氧化还原反应生成N₂和H₂O。

与液氨不同， 利用尿素作为脱硝还原剂是需要利用专门的热解装置将尿素转化为氨气，之后输送至SCR 反应器。尿素热解法制氨是将尿素在尿素溶解器中溶解为50%的溶液，然后将尿素溶液注入分解室，在 0.31～0.52MPa，343～454℃条件下，尿素首先分解成异氰酸 和氨气，异氰酸再分解为氨气和二氧化碳，反应式如下： CO（NH₂）₂ NH₃ + HNCO HNCO+ H₂ONH₃ + CO₂ 

分解室提供尿素分解所需要的混合时间、停留时间以及温度，分解出来的氨 基产物作为 SCR 脱硝反应的还原剂，在催化剂的作用下发生化学反应生成 N₂ 和 H₂O。用氨水作为还原剂时， 可以在安全方面较无水液氨得到较大改善。氨水储罐 可以设计成非耐压型的锥顶罐，与无水液氨的耐压储罐相比，可以节约大量费用。同时由于氨水上方NH₃的蒸汽压力。

3 系统的组成

3.1 尿素热解技术解析

锅炉风烟系统采用平衡通风，即利用一次风机、送风机和引风机来克服气流在流通过程中的各项阻力。一次风机和送风机主要用来克服空气预热器、煤粉设备和燃烧设备等风道设备的系统阻力；引风机主要用来克服受热面管束（过热器、再热器、炉膛后墙排管和省煤器等）、脱销、空气预热器、电除尘器等烟道的系统阻力，并使炉膛出口处保持一定的负压。平衡通风不仅使炉膛和风道的漏风量不会太大，而且保证了较高的经济性，又能防止炉内高温烟气外冒，对运行人员的安全和锅炉房的环境均有一定的好处。

每台锅炉配置2台SCR反应器，反应器断面尺寸为15.69X14.1m，高约22m。反应器设计成烟气竖直向下流动，反应器入口设气流均布装置，反应器内部易磨损的部位采用防磨措施。反应器壳体材质为Q345B，反应器内部各类加强板、支架设计成不易积灰的型式，同时考虑热膨胀的补偿措施。

反应器入口段烟道存在较长的水平段烟道，在锅炉低负荷情况下，也存在积灰问题，但是不存在反应器吹灰时瞬间灰量增大的情况，积灰情况比较均匀，不会造成烟道内瞬间含尘量骤增的情况，对机组的运行不会造成大的危害，对催化剂的寿命也不会有太大的影响。

3.2 尿素热解技术系统组成

吹灰元件是一根吹灰耙，由中心管和若干根装有多个特殊喷嘴的支管组成。从喷嘴中射出的气流可将覆盖的空间吹扫干净。吹灰耙的中心管后端与外管连接。外管由在大梁上移动的齿轮行走箱带动运动。吹灰器阀门通过固定的内管向吹灰管提供吹扫介质。锅炉房区域仪表用气就近取自锅炉房区域仪表用压缩空气母管，氨站区域仪表用压缩空气取自厂区仪用压缩空气管道，在氨站区域设置压缩空气储罐稳压。

锅炉省煤器底部已设置灰斗，反应器入口烟道底部不再设置灰斗，入口烟道设置导流板，以保证反应器入口烟道底部弯头处不集灰。

尿素颗粒卸载储存输送系统包括有斗式提升机、尿素颗粒储存区，负责尿素颗粒的 卸载、储存及输送至尿素溶解系统；尿素溶解系统主要设备为尿素溶解罐和尿素溶液混合泵。负责将尿素颗粒溶解制成50％的尿素溶液，并输送至尿素溶液储存和循环系统。尿素溶液储存和循环系统主要设备有尿素溶液储罐和尿素溶液循环泵。负责储存尿素溶液，并输送至两台机组的尿素热解系统。尿素热解系统由热解炉、气气换热器和计量分配模块组成。在热解炉中通过高温空气将尿素溶液分解为气氨、水蒸气和空气的混合气。

两套氨注射栅格分别为两台 SCR 反应器提供气态氨。来自稀释空气系统的氨/空气混合气体，经一个母管上的 20 个支管，喷入 SCR 反应器的入口烟道中。每个支管的管径大小根据支管的流量设计，每个支管对应沿烟道深度和宽度方向的各 4 个喷嘴，共有80 个喷嘴均布在烟道横截面上。每个支管上均配有一个手动调节阀，可以在初始运行阶 段根据烟气工况进行手动调节，使每个喷嘴喷入的氨流量与其覆盖区域的 NOx 浓度匹配。

尿素溶液管道有热水伴热和保温措施以避免尿素溶液结晶，并设置低位排水阀和高位排气阀，同时在尿素溶液管道上设置计量装置冲洗水，防止尿素溶液管道内结晶，冲洗水水源即为管道伴热热水，可以由尿素制备区的尿素疏水泵提供，冲洗 水最终回到电厂废水处理系统

为每台炉提供一套空预器高压冲洗水系统，包括高压冲洗水泵、水泵进口电动闸阀、滤网，出口安全阀、出口电动闸阀，泵进出口管道、阀门、支吊架。泵进口水压为0.3~0.5MPa，出口水压为20MPa，流量为20t/h。冲洗水水质为工业水，接口界限为：锅炉空预器低压冲洗水管道上卖方指定位置和高压水吹灰器入口。

4 尿素热解技术应用实例

4.1  吴泾第二发电有限责任公司

吴泾第二发电有限责任公司1×600MW机组脱硝工程由上海石川岛总承包，采用洛卡公司尿素热解制氨SCR烟气脱硝技术降低氮氧化物(NOx)排放。

脱硝工程范围包括尿素热解制氨系统、还原剂制备与输送、添加剂系统、工艺水系统、压缩空气系统、热工仪表及控制系统、电气系统、消防系统、采暖系统、保温油漆等的设计、施工及设备制造、供货、安装、系统调试和试运行。

尿素热解制氨系统应满足SCR工艺的要求，具体如下性能指标：

在BMCR负荷时，且原烟气中NOx含量为350～400 mg/Nm³时，卖方尿素制氨系统每台炉制氨能力：225～238kg/h。

卖方应保证在BMCR工况，燃用设计煤种时，单台炉以下消耗品的值，此消耗值应为性能考核期间48小时的平均值。

1) 尿素溶解加热和热解电耗700kW

2) 尿素溶液热解用热一次风量(压力7.5KPa) 5672 Nm³/h

3) 吹扫用冷风量(压力不低于5KPa) 3000Nm³/h

4) 尿素消耗量 397-419kg/h

这是我国首台采用国内自有技术应用于600MW机组尿素热解装置，该装置于2011年7月15日完成168h试运并移交电厂运行，各项性能指标均满足设计要求。

4.2  华电十里泉发电厂

2017年7月13日，东方电气集团东方锅炉股份有限公司研发的华电十里泉发电厂两台66万千瓦超超临界9号机组一次通过168小时满负荷试运行，标志着国内首个高效超超临界抽凝供热项目顺利竣工投产。该项目尿素热解系统是东方电气集团东方锅炉股份有限公司自主设计和投运的第一个项目。试运行期间，尿素溶解储存、尿素供料、尿素热解、气气换热器等系统运行优良，脱硝系统出口氮氧化物浓度远小于40毫克/立方米，氨逃逸为2ppm，脱硝效率达90%以上水平，达到超低排放要求。同时采用自主研发气气换热器系统，降低由于使用电加热带来的电力能源消耗。

华电国际十里泉发电厂8号机组为660MW超超临界机组，烟气脱硝采用选择性催化还原法(SCR)脱硝装置，设备卖方为东方电气集团东方锅炉股份有限公司，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，反应器入口NOx浓度350mg/Nm³ (干基，6%O2)时，保证反应器出口NOx浓度不大于50 mg/Nm3(干基，6%O₂)，脱硝效率不小于86%，氨逃逸率不大于3ppm，尿素耗量不超过430kg/h/炉，SO₂/SO₃转化率小于1%，脱硝系统阻力不超过800Pa。

华电电力科学研究院于2017年03月07日~09日完成十里泉电厂8号机组脱硝装置性能考核试验，各方约定考核工况为100%负荷工况。试验期间脱硝系统入口NOx平均浓度为358.3mg/Nm³ (干基、6%O₂)，满足设计要求，试验结果及结论如表1，脱硝效率和出口NOx浓度汇总如表2，还原剂消耗情况见表3。

表1 试验结果与结论

表2  脱硝效率和出口NOx浓度汇总表

表3  还原剂耗量

试验名称	华电国际十里泉发电有限公司8号机组SCR烟气脱硝装置性能考核试验
试验名称	尿素耗量计算
测试日期	单位	2017/3/8
测试位置	/	A侧	B侧
机组负荷工况	/	100%负荷
入口烟气NOx浓度	mg/m3，(标态、干基、6%O2)	350.5	362.6
入口烟气量	mg/m3，(标态、干基、6%O2)	1046022	1050694
氨氮摩尔比	(标态、干基、6%O2)	0.932	0.950
NO2摩尔质量	g/mol	46	46
NH3摩尔质量	g/mol	17	备案信息 举报中心 举报中心 行业协会 网络110 互联网协会 举报热线 首都协会 本站持《出版物经营许可证》 仅从事《广西经贸》杂志的网上订阅工作,非任何杂志官网,并不涉及杂志社的出版等事务,特此声明！ 工信部备案：湘ICP备2025122662号-1，营业执照统一社会信用代码：91430721MAEHMRR7OE， 出版物经营许可证号：新安新出发证字第2025002号 特别声明:本站资料均源于网上的共享期刊资源，请特别注意，勿做其他非法用途。 如有侵犯您的版权或其他有损您利益的行为，请联系指出，期刊咨询服务平台会立即进行改正或删除相关内容! 扫码添加微信咨询 QQ客服：1663286777 电话：137-1883-9017 收到信息将及时回复