摘要： 近年來,由于尿素制氨比液氨法具有更高的安全性,在SCR脫硝新建或改造項目中,液氨站越來越多地被尿素制氨系統取代.本文以遼寧某電廠為例,探討與對比了尿素熱解與尿素催化水解兩種尿素制氨技術.從電廠長期運行角度來說,尿素催化水解制氨法更具有經濟性.
選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)是目前脫硝最常用的技術手段，它應用廣泛、效率高、技術成熟。SCR常用的還原劑有三種，液氨、尿素和氨水。其中，氨水投資成本最高，液氨最低，且液氨法的脫硝運行成本也最低。因此，目前燃煤電廠投運的SCR煙氣脫硝中常采用液氨作為還原劑。但是，隨著科技與社會的發展，安全生產更受重視，液氨泄露的危險因素逐漸成為還原劑選擇時的重要考慮因素。而尿素作為無危險的制氨原料，可以被方便地運輸、儲存和使用。相應的，尿素熱解制氨和尿素水解制氨技術就得到了更多的推廣和應用。
由于國家要求在2020年之前對燃煤電廠全面實施超低排放和節能改造，其中氮氧化物排放濃度需滿足不超過50mg/Nm3，各燃煤電廠先后進行了超低排放改造。遼寧某電廠于2013年為3#、4#機組（2×350MW）配置了煙氣脫硝系統，采用液氨作為SCR工藝還原劑。借此超低排放改造的契機，也為了進一步滿足工廠安全生產的要求，該電廠決定將原液氨站拆除，改造為尿素制氨系統，為3#、4#機組煙氣脫硝系統提供所需的還原劑氨。
1 工藝介紹
1.1 尿素熱解制氨工藝
尿素熱解制氨工藝，是從空預器處引出約1%總風量的鍋爐一次風或二次風(約300℃)。在一次風或二次風壓力低的情況下，需用高溫風機輸送。由于熱解需要在約350～650℃下進行，一次風或二次風需再次經過電加熱器的加熱。經過加熱后的熱風溫度達到熱解需要的溫度后，50%質量濃度的尿素溶液被噴入熱解室進行熱解。
尿素熱解制氨工藝的反應如下：
CO (NH2)2→NH3+HNCO
HNCO+ H2O→NH3+CO2
其基本原理如圖1所示。
1.2 尿素催化水解制氨工藝
尿素催化水解技術是在傳統尿素水解工藝的基礎上，提出的一種改進型尿素制氨技術。在催化劑的作用下，水解反應速率大幅提高。
尿素催化水解制氨工藝反應如下：
CO(NH2)2 +2H2O→CO2+2NH4OH （1）
2NH4OH +催化劑→中間產物+ +2H2O （2）
中間產物→2NH3+催化劑（3）
綜合反應：CO(NH2)2 + H2O→CO2+ 2NH3
其基本原理如圖2所示：
在溫度135~160℃、壓力約0.4~0.9MPa時，熔融狀態的尿素在催化劑的催化作用下進行快速水解反應，生成氨氣（NH3）、CO2和水蒸氣的混合氣。其中NH3體積分數為37.5%，反應器出口氨氣濃度較高，需要將其稀釋至5%后供脫硝系統使用。稀釋風為鍋爐一次風或加熱后的空氣。近年來，該系統已越來越多地應用于大型機組，安全、穩定，技術成熟先進。
1.3 尿素熱解與催化水解工藝比較
2 工程概況及改造方案比較
遼寧某電廠3#和4#機組BMCR 工況脫硝系統入口煙氣NOx濃度為400mg/Nm3（標、干、6%O2），脫硝裝置的設計效率>87.5%，SCR出口濃度為50mg/Nm3（標、干、6%O2）。脫硝超低排放改造設計需氨量為每臺爐160kg/h，兩臺鍋爐共用一個還原劑儲存與供應系統。
2.1 尿素溶液制備和儲存系統
遼寧某電廠于2014年進行了1#、2#機組（容量2×670t/h）SNCR脫硝改造，已配套建設了一套尿素溶液制備和儲存系統。廠區現有尿素溶液配制罐1個，V=10m3。如仍然需要按照1次/天的要求配制尿素溶液，則尿素配制罐容積要求V=31m3。廠區現有尿素儲存罐，2個，單個儲罐V=40.5 m3，總容積81m3，原設計按6.4天用量考慮。如果加上3#、4#爐尿素用量，若不擴容，僅能存儲2.1天尿素用量；若仍需按照7天的尿素儲存量考慮，則需尿素儲存罐總容積216m3。
根據實際運行負荷情況綜合考慮，電廠為3#和4#鍋爐新建一套尿素配制及儲存系統，并在新尿素車間統一考慮4臺鍋爐的尿素堆料場。
2.2 尿素熱解制氨系統
設置2臺熱解爐（每臺機組各一臺），每臺熱解爐配置1套計量分配裝置。經過計量和分配裝置的尿素溶液由噴射器噴入熱解爐。
該廠鍋爐的一次風溫度為300～330°C，壓力為10～17kPa，可直接作為尿素熱解反應的稀釋風來源。設置2臺電加熱器（每臺機組各1臺），功率約700kW。高溫風機將鍋爐一次風加壓后，送至電加熱器進行加熱，使其溫度提升并維持適當的尿素熱解反應溫度。
熱解爐出口氨氣濃度<5%，可直接由噴氨系統進入煙道與煙氣中的NOx進行反應。
2.3 尿素催化水解制氨系統
每臺機組設置1套尿素催化水解模塊，單臺水解器最大制氨能力按單臺機組需氨量的1.5 倍設計，即最大制氨能力為240kg/h。兩臺水解器中間設有聯絡管線，可以實現熱備用。稀釋風系統利舊，另設置一套催化劑供給料系統、減溫減壓系統、尿素催化水解反應器用廢水系統和疏水系統。
每臺機組設置2套氨氣空氣混合器，給鍋爐兩個煙道提供脫硝用氨氣。
設置1套氨氣計量模塊對進入SCR反應器的氨氣流量進行調節，以滿足脫硝裝置在鍋爐50%BMCR～100%BMCR之間任何負荷運行的要求。
2.4 技術經濟比較
對該電廠脫硝超低排放改造采用尿素熱解制氨工藝與采用催化水解制氨工藝進行技術經濟比較，結果如表2所示。
就公用系統而言，尿素水解與熱解的尿素車間大致相同。尿素催化水解車間一般考慮與尿素車間合建，而熱解爐則布置于爐區SCR附近。從占地來說，尿素熱解制氨布置更為緊湊。但對該電廠來說，廠區有足夠空地，且為3#、4#鍋爐新建的尿素車間可與催化水解反應區合建，整體布置更為協調。因此，占地并不是該廠主要考慮的因素。
從項目投資來看，尿素催化水解工藝系統造價與熱解系統相比略低（或相當），但其能耗明顯低于熱解方案，其運行費用也明顯低于熱解方案。而經濟效益是電廠更為關注的內容，因此，從長期運行的經濟性角度來說，尿素催化水解工藝系統優勢明顯。
3 結論
尿素水解制氨系統因其工藝穩定可靠、運行費用低等優點，逐漸成為尿素制氨系統的主流技術。目前，考慮到能耗成本及實際運行效果，也有已配置熱解系統的電廠進行催化水解系統改造的例子。因此，綜合考慮各項因素，遼寧某電廠3#、4#機組（2×350MW）脫硝超低排放改造中，將液氨站改造為尿素催化水解制氨系統，可滿足電廠運行安全性和經濟性的要求。
