尿素制氨工藝在鎮江電廠的可行性分析

尿素制氨工藝在鎮江電廠的可行性分析

發布時間： 2019-08-23   來源：本站編輯  作者：李誠、史旭東 仲燕明

 

【摘要】隨著國內的經濟發展，燃煤電廠鍋爐煙氣排放的指標控制愈加嚴格。鍋爐煙氣脫硝技術逐漸普及。由於液氨受到安全、地域等因素的限制，逐漸被新型的尿素制氨技術所取代。本文通過對常見的三種尿素制氨工藝進行分析比較，結合鎮江電廠的實際情況，進行了可行性分析。

【關鍵詞】脫硝、尿素、熱解、水解

 

 

Feasibility Analysis of Urea Ammonia Production Process in Zhenjiang Generator Co.Ltd

CHENG LI，XUDONG SHI

（Jiangsu Zhenjiang Generator Co.Ltd）

 

Abstract：With the development of domestic economy, the index control of boiler flue gas emission in coal-fired power plants is becoming more and more strict. Boiler flue gas denitrification technology is gradually popularized. Limited by safety and geographical factors, liquid ammonia is gradually replaced by new urea ammonia production technology. Based on the analysis and comparison of three common urea ammonia production processes, combined with the actual situation of Zhenjiang Generator Co.Ltd, the feasibility analysis is carried out.

Key words：denitration; urea; pyrolysis; hydrolysi
前言

隨著國家環保標準的逐漸提高，以及環保監管力度的逐年增加，電力行業的環保問題受到了廣泛關注。「十二五」期間國內建設了大量的煙氣脫硝裝置，脫硝裝置是電力行業實現NOx達標排放的重要裝置。SCR煙氣脫硝技術是目前脫硝的主流技術，其採用氨氣作為還原劑，在催化劑的作用下，將氮氧化物還原成氮氣和水，從而達到脫硝的目的。

目前，SCR脫硝制氨技術主要有3種：液氨（anhydrous Ammonia）、氨水（Aqueous Ammonia）和尿素（Urea）。由於液氨是危險化學品，隨著國家對安全的日益重視，逐漸出臺一系列相關的限制措施，使得電廠在用液氨時會在審批、工期、佔地等諸多方面受到越來越多的制約，投運後通過環保驗收的程序也較為繁瑣；氨水也因為其運行成本居高不下而受到應用的局限。作為無危險的制氨原料，尿素具有與液氨相同的脫硝性能，是綠色肥料、無毒性，使用完全，因而沒有法規限制，並且便於運輸、儲存和使用。目前在國內SCR脫硝採用尿素為還原劑已經成為一種趨勢，並逐漸成為主流，尤其是在一些重點區域和離居民區較近的城市電廠，已有了越來越多的應用。

1. 尿素制氨工藝

尿素制氨技術中根據其反應機理和核心反應設備的不同分為尿素熱解制氨、普通尿素水解和尿素催化水解三種技術。先分別介紹及對比如下：

1. 熱解制氨系統工藝

尿素熱解制氨的原理是利用輔助能源(燃油、電加熱等)在650℃溫度的熱解爐內，將霧化的尿素溶液直接分解為氨氣，其反應方程式為：

CO(NH2)2 → NH3 ↑+ HNCO

HNCO + H2O → NH3↑ + CO2↑

尿素熱解制氨系統是由SNCR技術發展而來，早期的該項技術主要由美國燃料公司開發。尿素熱解制氨系統由1)尿素顆粒儲存和溶解系統、2)尿素溶液儲存和輸送系統及3)尿素熱解系統組成。

在該系統中，儲存於儲倉的尿素顆粒由輸送到溶解罐，用除鹽水溶解成質量濃度為40%-60%的尿素溶液，通過泵輸送到儲罐進行儲存；之後尿素溶液經給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入高溫分解室，在650℃分解生成NH3、H2O和CO2，分解產物經氨噴射系統進入SCR系統。尿素熱解制氨系統採用單元制布置(一臺熱解爐產氨供一臺機組)。該項技術在國內有較多應用，在國內已經應用於200多臺機組。

尿素熱解制氨技術來源於SNCR技術，其熱解能源前期主要使用燃燒柴油的方式獲得(華能北京高碑店電廠)，由於燃燒柴油不方便及會帶來儲存柴油等其他問題，後來採用電加熱空氣到650℃方式，電耗較高，最後改為電加熱一次風的方式，電耗有所降低，但其電耗仍較高。尿素熱解爐需布置在脫硝鋼架上。

 

圖2-1 熱解制氨系統簡要工藝流程圖

圖2-2 尿素熱解爐現場圖

1. 普通水解系統工藝

尿素水解制氨工藝的原理是尿素水溶液在一定溫度下會發生水解反應產生氨氣。其化學反應式為：

NH2-CO-NH2 ＋ H2O → 2NH3 ↑ ＋ CO2 ↑

尿素水解制氨系統由1)尿素顆粒儲存和溶解系統、2)尿素溶液儲存和輸送系統及3)尿素水解系統組成。 其中1)、2)部分與熱解系統基本一致。

尿素顆粒在尿素溶解罐中配置成約40%-60%濃度的尿素溶液，隨後尿素溶液儲存在尿素溶液儲罐中。尿素溶液通過泵輸送到水解反應器中水解產生氨氣，氨氣隨後進入SCR區氨空氣混合器後噴入煙道用作煙氣脫硝的還原劑。

尿素水解制氨簡要工藝流程如下：

 

圖2-3  普通水解制氨簡要工藝流程圖

 

由於尿素水解制氨系統解決了液氨的裝卸、運輸、儲存等問題，水解器制氨備案隨制隨用，無需儲存，徹底解決了電廠脫硝工程還原劑製備系統的安全隱患問題。尿素水解制氨系統主要的能源方式是電廠的輔助蒸汽，所需要的蒸汽參數為：壓力0.7MPa，溫度180℃以上。通常每臺300MW機組脫硝需氨量約200kg/h的情況下，蒸汽耗量約為1.0t/h。

尿素水解制氨系統可以採用單元制布置(一臺水解器產氨供一臺機組)，也可採用公用制布置(一臺水解器產氨供多臺機組)。

尿素水解制氨反應器為機電控一體化的撬裝設備，出廠前所有管道、閥門、儀表等均已安裝、調試完成，並做好了油漆防腐和保溫伴熱。設備到現場後接上管口和電纜即可啟動。

尿素水解制氨反應器可以放置在脫硝鋼架上，也可布置在尿素車間，送產品氨氣至脫硝區。

圖2-4 水解器項目模塊三維設計圖

圖2-5 水解器項目模塊現場圖

1. 催化水解系統工藝

尿素催化水解技術是在135℃～160℃、壓力為0.5M～0.95MPa的條件下，50%濃度尿素溶液在催化劑作用下，發生催化水解反應，生成氨氣混合氣，氨氣體積濃度為37.5%。尿素催化水解反應速度較快，較傳統水解法提高約10倍，響應時間可在1min以內。尿素水解化學反應過程為：

(NH2)2CO + 3H2O → CO2↑+ 2NH4OH

2NH4OH + 催化劑 → 中間產物 +2H2O

中間產物 → 催化劑 + 2NH3↑

綜合反應：(NH2)2CO + H2O → CO2↑ + 2NH3↑

尿素催化水解工藝流程示意圖如圖2-6所示。尿素水解系統主要包括尿素溶液供給系統、蒸汽加熱和吹掃系統、氨氣供給系統、伴熱系統、廢液和廢氣排放系統。

濃度50%的尿素溶液和催化劑溶液分別通過輸送泵輸送到反應器內，在0.5M～0.95MPa、135℃～160℃條件下進行水解反應生成氨氣、二氧化碳。

尿素水解混合氣中氨體積濃度約38%，經由減壓、流量控制調節與稀釋風混合，氨氣濃度被稀釋至5%以下，最後進入脫硝反應器入口煙道進行脫硝。

加熱蒸汽取自電廠蒸汽機，蒸汽經過減壓後進入水解反應器加熱盤管，加熱後的疏水排入電廠的疏水箱。

尿素水解系統設置有廢水箱，主要用於吸收水解廢液和緊急排放的氨氣。

在尿素溶液進料和氨氣出口管道上設計有電伴熱系統，電伴熱的溫度根據不同的介質進行設定。

 

圖2-6 催化水解制氨簡要工藝流程圖

 

2. 技術比較
   2. 尿素熱解技術

• 尿素熱解制氨技術自國內2009年投運以來，在國內有較多應用，約在200多臺機組脫硝系統中使用，主要供應商為美國燃料公司和北京洛卡公司。
• 尿素熱解技術的主要問題是其消耗的能源量大，運行成本偏高。由於熱解爐內流場、溫度分布不均導致熱解爐內尿素轉化率低，尿素消耗量大。
• 熱解爐必須布置的脫硝鋼架上，改造工作量大。
• 熱解反應所需熱量由燃燒天然氣、柴油或電加熱稀釋風等方式提供，為了保證其物料場和溫度場的分布，其反應能耗不能隨機組負荷降低而降低，不能多機組公用，運行成本偏高。但該系統對氨氣需求信號的響應時間較短，適應負荷變化能力較強，且由於熱解過程遠離腐蝕性條件，其熱解爐材質要求較低，可以採用碳鋼材質即可滿足使用要求，相應工程造價較低。
  2. 尿素水解技術
• 尿素水解制氨技術在國內於2011年投運，目前在國內約100臺機組中進行了使用。
• 水解系統通過尿素水解器設置上部緩衝空間的方式，做到了對鍋爐負荷變化秒級響應，該原理與液氨系統中的緩衝罐類似，根據現有機組的運行情況，解決了響應鍋爐負荷慢的問題。
• 尿素水解制氨反應器蒸汽供熱後的蒸汽冷凝水可送至尿素車間供尿素溶液配製循環使用，從而降低尿素水解制氨工藝運行成本。
• 與熱解技術相比，水解技術採用電廠輔氣以代替熱解的電加熱器，運行費用低，採用撬裝模塊化供貨，現場工期短。
• 水解反應器模塊可以布置脫硝鋼架上或廠區0m，可以共用或單元制布置，布置靈活。
• 對於熱解方案，增加的電負荷較大。每臺機組熱解電加熱器負荷約600kW。對應水解方案，廠用電系統基本沒有大的改動。
  2. 普通水解與催化水解技術的比較
     1. 反應速率

尿素水解反應的反應速率是溫度和溶液濃度函數，其速率方程如下：

根據文獻《尿素催化水解系統及工程應用和示範工程》，在尿素反應濃度為 50%，反應溫度為 135-160 ℃條件下，分別測得添加和不添加催化劑二種情況下尿素水解反應的指前因子 A 和反應活化能 E 的值，詳見表 3-1。

 

表3-1 尿素水解動力學方程

 

	指前因子A（min-1）	活化能E（kJ/mol）	反應速率方程
不添加催化劑	4.6476×1012	113.4	K=4.6476×1012×e[-13639.6/T]
添加催化劑	5.31×107	72.5	K=5.31×107×e[-8719.8/T]

 

 

根據上表，計算不同溫度下，其反應速率常數結果見圖 3-1。

由表 2-1 及圖 2-1 可知，同一溫度下，在添加催化劑後，降低了的水解反應的活化能，

但同時也大幅降低了指前因子，即其反應速率曲線的斜率比不添加催化劑時更小，導致其水解速率隨溫度的變化率變低。在同一反應速率下（即同一需氨負荷），添加催化劑後較不添加催化劑時水解所需要的反應溫度要低 0~5℃。

反應溫度越高，反應速度越快，但二者速率隨溫度變化率不一樣，二者的反應速度在159℃時相等。

反應溫度越高，腐蝕速率越快。當溶液溫度在 165 ℃以下時，腐蝕率隨溫度的變化不大；當溫度從 165℃升到 200 ℃時，腐蝕率增大 3-4 倍。

上海電力學院對尿素水解反應器不同材質不同溫度下做了腐蝕試驗，其實驗結果見圖 3-2。

圖3-1 尿素水解與尿素催化水解反應速率常數

 

圖3-2 尿素水解反應器腐蝕速率

 

考慮到設備腐蝕性及設備大小，二者都選擇 160℃作為水解器最大出力的設計溫度。

由於催化劑顯酸性，當添加催化劑時，pH值會降低。pH 值的降低會增大反應器（316L材質）的腐蝕。

1. 產氨量跟隨機組負荷的響應

1. 能耗

尿素水解制氨的能耗主要有：加熱尿素溶液到反應溫度所需熱量、反應熱、剩餘水的蒸

發熱。根據蓋斯定律，化學反應的熱效應只與始態和終態有關，與反應途徑無關，無論是否添加催化劑，尿素水解制氨的反應熱均相同。

當反應溫度為 160 ℃時，50%的尿素溶液 3.53 kg，從 50 ℃加熱到 160 ℃，所需的熱量 1534 kJ；採用物質的生成焓計算反應熱為 3724 kJ；剩餘水的蒸發熱為 2600 kJ，因此每產生 1kg 氨所需的能耗為 7858 kJ。

2. 達到反應負荷所需時間

水解器的產氨能力及變化率需要滿足機組負荷的變化率。以 300MW 機組 BMCR 工況下需氨量為 160kg/h 為例，水解器有效反應溶液體積為 2.4 ，換熱面積 22.4 。不同負荷下的速率常數見表 3-2。

 

表 3-2 不同生產負荷下所需反應速率常數

 

	不添加催化劑		添加催化劑
需氨量/（kg/h 氨）	溫度/℃	反應速率常數/	溫度/℃	反應速率常數/
80（50%負荷）	150	0.0466	145	0.0466
160（100%負荷）	160	0.0980	160	0.0980

 

 

3. 升負荷所需時間

當需氨負荷由 50%提升到 100%時，水解器的反應速率和反應溫度均要同步增加。其液相質量為 =ρV=1110×2.4=2664 kg，按照機組負荷 5%BMCR/min 的變化量，計算升負荷所需最少時間 ：

升負荷熱量平衡：

傳熱總量

其中：K—傳熱係數， ；A—換熱面積，；  —加熱溫差(蒸汽與反應器內液相溫差)，K；

反應所需要的熱量 ，

其中：2226 為反應 1 kg50%尿素溶液所需熱量 kJ（7858/3.53）；4.7=80×3.53/60，為產氨量 80 kg/h 時，尿素進料量。

原溶液升溫所需熱量

其中： —原水解器中的混合溶液，kg/h； —比熱容 kJ/kg·K，△T—溫度變化(反應器尿素溶液的溫度變化)，K。

尿素水解從50%的負荷上升到100%時，產氨負荷變化所需時間見表 3-3

 

表 3-3 負荷變化所需時間表

 

變化情況	項目	不添加催化劑	添加催化劑
50%負荷到100%	所需時間	6.0min	6.6min

 

從表 3-3 中看出，尿素水解從 50%的負荷上升到 100%時，無論是否添加催化劑，尿素水解制氨升負荷所需時間均小於機組負荷變化所需的時間—10 min，能夠滿足機組負荷變化需求。

4. 降負荷所需時間

按照機組負荷 5%BMCR/min 的變化量，機組需氨量從 100%降低到 50%。此時應停止蒸汽供給，靠反應消耗的熱量降低反應器的液相溫度以降低產氨量。計算降負荷所需最少時間 tmin：

表 3-4 負荷變化所需時間表

 

變化情況	項目	不添加催化劑	添加催化劑
100%負荷降到50%	所需時間	6.7min	10min

 

從表 3-4 中看出，尿素水解產氨量從 100%負荷降低到 50%，無論是否添加催化劑，尿素水解制氨降負荷所需時間均小於機組負荷變化所需的時間—10 min，能夠滿足降負荷變化需求。

5. 應用情況

不添加催化劑的尿素水解制氨技術已經在國內外約 300 餘臺機組中成功使用，涵蓋的機組範圍包括 50MW~1050MW。

添加催化劑的「催化水解」工藝並未大幅降低反應條件，由於其催化劑的酸性導致設備腐蝕性增強，同時定排的含催化劑的廢水電廠無相應處理手段，致使其應用受限，目前國外投運約 6 套，國內約 26 套。

6. 結論：

• 尿素水解制氨技術無論是否添加催化劑，均能滿足脫硝系統對氨氣的需求，其反應能耗、反應條件及所需外界蒸汽參數（溫度、壓力條件）相當。
• 添加催化劑後，雖降低了的水解反應的活化能，但同時也大幅降低了指前因子，即其水解速率隨溫度的變化更加不敏感，導致其在跟隨機組負荷變化過程中性能劣於不添加催化劑的方案。
• 尿素水解工藝的開發經歷了完整的小試、中試、大型工業化示範（國家 863課題）、工業化推廣應用的完整開發和產業化過程，已經國內外大量應用，是成熟、可靠的技術方案。

 

表3-5 三種制氨工藝綜合技術指標比較

 

技術類型	熱解	普通水解	催化水解
尿素溶液濃度（%）	40～50	40～50	40～50
反應溫度（℃）	＞600	150～200	135～160
反應壓力	3～5kPa	0.3～0.6MPa	0.5～0.95MPa
響應時間	＜10s，極快	6～7min，快	6～10min，較慢
起停時間	極迅速	迅速	迅速
壓力容器	無	有	有
反應副產物	少量	少量	少量
使用熱源	電加熱 （高溫煙氣換熱）	蒸汽（直/間接）	蒸汽（直/間接）
耗能水平	很高	低	低
操作範圍（%）	10～100	10～100	10～100
安全性	很高	較高	高
運行方式	單元制	單元制或母管制	單元制或母管制

 

3. 經濟性比較
   3. 投資費用比較

表4-1 投資成本比較表

 

項目類別	水解方案	熱解方案	備 注
SCR區改造(萬元)	200	850
尿素區設備投資(萬元)	1340	750	含機電控
廠用電增容改造投資(萬元)	50	200
總計(萬元)	1590	1800

 

註：提資投資不含土建及建安施工費

3. 運行費用比較

表4-2 尿素水解和熱解運行成本比較表(方案1)

 

項目類別	尿素水解			尿素熱解
	耗量	單價/元	年費用/萬元	耗量	單價/元	年費用/萬元
原料t/h	1.21	1800	1309.2	1.35	1800	1454.7
輔助蒸汽t/h	3.14	80	150.7	0.5	80	24
除鹽水	0.20	5	0.6	0.85	5	2.5
電(380V)kW	70.0	0.4	16.8	2323.9	0.4	557.7
安全管理、維護			2.0			2.0
年運行總費用	1479.3萬元			2041.0萬元

 

表4-3 尿素水解和熱解運行成本比較表(方案2)

 

項目類別	尿素水解			尿素熱解
	耗量	單價/元	年費用/萬元	耗量	單價/元	年費用/萬元
原料t/h	2.25	1800	2430.0	2.5	1800	2700.0
輔助蒸汽t/h	5.9	80	283.2	1.0	80	48
除鹽水	0.20	5	0.6	1.5	5	4.5
電(380V)kW	80.0	0.4	19.2	4272	0.4	1025.3
安全管理、維護			2.0			2.0
年運行總費用	2735.0萬元			3779.8萬元

 

3. 方案技術經濟定性對比匯總

表4-4 技術經濟定性對比表

 

序號	項目	尿素熱解法	尿素水解法
1	初期投資	高	低
2	運行成本	高 主要耗量：電	低 主要耗量：蒸汽
3	安全要求	低 沒有氨氣儲存	高 水解器內有氨氣儲存，需作為乙類容器考慮，尿素區需要考慮防爆
4	公用區佔地面積	小 僅需考慮尿素儲存、製備功能。	大 當水解區布置在公用區域，需要增加遮陽蓬等建築物
5	改造難易程度	高 熱解爐與電加熱器布置在SCR區，單個熱解爐重量在20噸左右，需考慮鋼架加固；此外電加熱器電耗量大，需要考慮單獨配電，需增加電氣小室。	低 水解器可以布置在公用區域，成品氨氣通過管路輸送到SCR區。水解器成品氨氣需要熱風稀釋，一般採用熱一次風。

 

4. 項目方案
   4. 方案選擇

對於鎮江電廠項目，尿素水解、熱解方案在技術上均可行。由於採用尿素熱解方式需要對脫硝鋼架進行重新設計和加固，而尿素水解方式不需對脫硝鋼架進行加固，能夠減少脫硝區投資和縮短建設工期。

綜上所述，推薦採用安全性、經濟型、適用性更高的普通尿素水解制氨技術方案。

4. 方案概況

鎮江電廠現有2×140MW+2×630MW機組，140MW機組按照入口NOx 350mg/Nm3，出口NOx 45mg/Nm3計算，單臺機組的需氨量為66kg/h。630MW機組按照入口NOx 300mg/Nm3，出口NOx 45mg/Nm3計算，單臺機組的需氨量為243kg/h。

尿素溶液製備及儲存系統按照全廠4臺機組公用進行設計。尿素水解區安裝2臺尿素水解器，一用一備，單臺水解器出力按照2臺630MW機組需氨量120%的出力進行設計，即單臺水解裝置氣氨出力為585kg/h。

4. 主要系統

1)溶解系統

幹尿素通過氣力輸送系統進入尿素溶解罐，用除鹽水經蒸汽加熱將幹尿素溶解成40-50%質量濃度的尿素溶液，再通過尿素溶液溶解泵輸送到尿素溶液儲罐。加熱蒸汽疏水回收至疏水箱。

2)儲存系統

尿素溶液儲存罐裡的尿素溶液利用蒸汽加熱對其進行保溫，溫度維持在40~50℃。溶液罐裡的尿素溶液通過溶液輸送泵持續送至水解反應器，進行水解產生氨氣。加熱蒸汽疏水回收至疏水箱。

3)水解及流量調節系統

尿素溶液經由尿素溶液輸送泵等進入水解反應器，利用蒸汽對其進行加熱水解，水解產生出來的含氨氣流經流量調節模塊分配後進入氨空氣混合器被熱的稀釋空氣稀釋後，產生濃度小於5%的氨氣進入氨氣—煙氣混合系統，並由氨噴射系統噴入脫硝系統。

1. 設備清單

表5-1 尿素制氨系統設備一覽表

 

序號	名稱	規格型號、材質	單位	數量	備註
1	鬥式提升機	20t/h	套	1
2	尿素溶解罐	V=55m3，304L	套	1	含盤管加熱器、攪拌器
3	尿素溶液儲罐	V=171.5m3，304L	套	2	含盤管加熱器
4	尿素溶解泵	Q＝30m3/h，H=30m，304L	臺	2
5	尿素溶液輸送泵	Q＝2.5m3/h，H=100m，304L	臺	2
6	尿素水解器模塊	氨氣出力585kg/h，316L材質	套	2
7	氨氣流量調節模塊	每套供630MW單臺機組的兩臺SCR反應器 316L材質	套	2
8	氨氣流量調節模塊	每套供140MW單臺機組的單臺SCR反應器 316L材質	套	2
9	廢水泵	Q＝20m3/h，H=30m，304	臺	2
10	疏水箱	V＝25m3，304材質	套	1
11	疏水泵	Q＝20m3/h，H=40m，304材質	臺	2	水溫90℃
12	壓縮空氣儲罐	V=2m3，Q345R	套	1	帶安全閥
13	減溫減壓裝置		套	2	含增壓泵
14	電動葫蘆	5t	套	2	檢修用
15	工藝閥門	20#、304、304L、316L 材質	套	1
16	工藝管線及其附件	20#、304、304L、316L 材質	套	1

 

 

表5-2 系統設備電負荷清單

 

序號	機 械 設 備 名 稱	電動機 功率 （kW）	電動機 電壓 （V）	數量（臺）
				安裝	工作	備用
1	鬥式提升機	7.5	380	1	1	1
2	尿素溶解罐攪拌器	7.5	380	1	1	1
3	尿素溶解泵	7.5	380	2	1	1
4	廢水泵	15	380	2	1	1
5	疏水泵	11	380	2	1	1
6	溶液輸送泵	3	380	2	1	1
7	減溫水增壓泵	2.2	380	2	1	1
8	溶解罐排風扇	1.1	380	2	1	1
9	電動葫蘆（5T）	7.5+0.4	380	2	1	1
10	水解反應器電伴熱	10	380	2	1	1
11	車間管道電伴熱	10	380	1	1

 

 

表5-3 尿素制氨系統耗量表（4臺爐BMCR工況）

 

序號	類別	參數	耗量	備註
1	除鹽水	≤1.6MPa,常溫	30t	系統初次啟動時需要
			0.3t/h	減溫減壓裝置冷卻用水
2	電	380V	100KWH
3	壓縮空氣	儀用，0.4~0.8MPa,常溫	0.3Nm3/min	最大瞬時耗量
4	蒸汽	0.8~1.0MPa (P)， 溫度≥180℃	3.09t/h	尿素溶解、水解、保溫、伴熱平均耗量
5	尿素顆粒耗量	GB2440，工業級	1112kg/h

 

4. 技術革新
   1. 解決：反應器的腐蝕問題

尿素水解制氨反應是合成尿素的逆反應，在產氨過程中會產生一種叫做氨基甲酸銨的中間體，是尿素水解制氨的主要腐蝕性物質，其腐蝕性對溫度較為敏感，不同溫度區間對材料腐蝕速率變化較大，主要表現為均勻腐蝕和晶間腐蝕。

綜合考慮反應操作溫度區間內的抗腐蝕性能和經濟性，可以選擇316L和2205雙相不鏽鋼作為水解反應器設備本體材質。試驗內容、步驟及結果詳見上海電力學院《尿素水解制氨反應器材質腐蝕性能評價試驗》。

1. 解決的主要技術問題：氨氣輸送管道回凝堵塞

尿素水解制氨反應器含氨產品氣回凝溫度（露點）根據入口尿素溶液濃度和出口壓力不同而有所變化。產品氣出口溫度根據反應器反應溫度和露點圖進行調整，調整方式有：

增加產品氣再熱段：通過在水解反應器含氨產品氣出口增加採用蒸汽加熱的再熱段，使產品氣的溫度高於露點溫度一定值以防止產品氣回凝腐蝕、堵塞管道；（金堂1#爐採用此種方式）

控制反應器出口壓力：在反應器出口管道增加壓力調節閥，降低出口管道（閥後）的壓力以降低產品氣的露點，同時給產品氣管道伴熱即可實現。（東勝項目採用此種方式）

1. 解決的主要技術問題：響應鍋爐負荷慢的問題

水解反應的動力學關係為：N=r×V=k×CA×V=k×NA

根據水解反應的動力學關係，當需要的負荷改變時，控制壓力不變，改變進入水解反應器的尿素溶液量和提高反應器操作溫度即能實現產氨量的增加。但實際的情況是從機組負荷調整反饋到水解器控制系統，水解器改變尿素溶液進料量、供熱蒸汽流量到改變整個反應體系的溫度從而控制氨氣瞬間發生量，這之間存在一段時間滯後，這也是傳統水解制氨反應器瞬間產氨量均存在的跟隨響應機組負荷慢的問題。

尿素水解器的瞬間產氣量不需要與鍋爐脫硝所需要的氨氣量一一對應，只需要從水解器瞬時排出的量與鍋爐脫硝所需要的氨氣量對應即可。

從水解器排出來的氨氣與從液氨蒸發器出來的氨氣一樣，根據DCS需氨量信號給調節閥指定閥門開度，氨氣經過氨氣-空氣混合器稀釋（通常為＜5%）後通過氨氣噴嘴進入煙道與煙道氣混合後，再通過SCR反應器進行還原反應，脫除NOx，根據SCR反應器出口測得的脫硝效率（或出口濃度）重新對氨氣調節閥指定新的開度調節氨氣量。

 

圖5-1 控制氨氣調節圖

5. 總結

本文通過對常見的三種制氨技術（尿素熱解法、普通尿素水解法、催化尿素水揭法）進行了詳細的比較，針對鎮江電廠項目的實際情況，最終選擇了普通尿素水解制氨工藝。並對該項目提出了初步的設計方案。希望對廣大同仁有所幫助。

 

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