摘要： 近年来,由于尿素制氨比液氨法具有更高的安全性,在SCR脱硝新建或改造项目中,液氨站越来越多地被尿素制氨系统取代.本文以辽宁某电厂为例,探讨与对比了尿素热解与尿素催化水解两种尿素制氨技术.从电厂长期运行角度来说,尿素催化水解制氨法更具有经济性.
选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)是目前脱硝最常用的技术手段，它应用广泛、效率高、技术成熟。SCR常用的还原剂有三种，液氨、尿素和氨水。其中，氨水投资成本最高，液氨最低，且液氨法的脱硝运行成本也最低。因此，目前燃煤电厂投运的SCR烟气脱硝中常采用液氨作为还原剂。但是，随着科技与社会的发展，安全生产更受重视，液氨泄露的危险因素逐渐成为还原剂选择时的重要考虑因素。而尿素作为无危险的制氨原料，可以被方便地运输、储存和使用。相应的，尿素热解制氨和尿素水解制氨技术就得到了更多的推广和应用。
由于国家要求在2020年之前对燃煤电厂全面实施超低排放和节能改造，其中氮氧化物排放浓度需满足不超过50mg/Nm3，各燃煤电厂先后进行了超低排放改造。辽宁某电厂于2013年为3#、4#机组（2×350MW）配置了烟气脱硝系统，采用液氨作为SCR工艺还原剂。借此超低排放改造的契机，也为了进一步满足工厂安全生产的要求，该电厂决定将原液氨站拆除，改造为尿素制氨系统，为3#、4#机组烟气脱硝系统提供所需的还原剂氨。
1 工艺介绍
1.1 尿素热解制氨工艺
尿素热解制氨工艺，是从空预器处引出约1%总风量的锅炉一次风或二次风(约300℃)。在一次风或二次风压力低的情况下，需用高温风机输送。由于热解需要在约350～650℃下进行，一次风或二次风需再次经过电加热器的加热。经过加热后的热风温度达到热解需要的温度后，50%质量浓度的尿素溶液被喷入热解室进行热解。
尿素热解制氨工艺的反应如下：
CO (NH2)2→NH3+HNCO
HNCO+ H2O→NH3+CO2
其基本原理如图1所示。
1.2 尿素催化水解制氨工艺
尿素催化水解技术是在传统尿素水解工艺的基础上，提出的一种改进型尿素制氨技术。在催化剂的作用下，水解反应速率大幅提高。
尿素催化水解制氨工艺反应如下：
CO(NH2)2 +2H2O→CO2+2NH4OH （1）
2NH4OH +催化剂→中间产物+ +2H2O （2）
中间产物→2NH3+催化剂（3）
综合反应：CO(NH2)2 + H2O→CO2+ 2NH3
其基本原理如图2所示：
在温度135~160℃、压力约0.4~0.9MPa时，熔融状态的尿素在催化剂的催化作用下进行快速水解反应，生成氨气（NH3）、CO2和水蒸气的混合气。其中NH3体积分数为37.5%，反应器出口氨气浓度较高，需要将其稀释至5%后供脱硝系统使用。稀释风为锅炉一次风或加热后的空气。近年来，该系统已越来越多地应用于大型机组，安全、稳定，技术成熟先进。
1.3 尿素热解与催化水解工艺比较
2 工程概况及改造方案比较
辽宁某电厂3#和4#机组BMCR 工况脱硝系统入口烟气NOx浓度为400mg/Nm3（标、干、6%O2），脱硝装置的设计效率>87.5%，SCR出口浓度为50mg/Nm3（标、干、6%O2）。脱硝超低排放改造设计需氨量为每台炉160kg/h，两台锅炉共用一个还原剂储存与供应系统。
2.1 尿素溶液制备和储存系统
辽宁某电厂于2014年进行了1#、2#机组（容量2×670t/h）SNCR脱硝改造，已配套建设了一套尿素溶液制备和储存系统。厂区现有尿素溶液配制罐1个，V=10m3。如仍然需要按照1次/天的要求配制尿素溶液，则尿素配制罐容积要求V=31m3。厂区现有尿素储存罐，2个，单个储罐V=40.5 m3，总容积81m3，原设计按6.4天用量考虑。如果加上3#、4#炉尿素用量，若不扩容，仅能存储2.1天尿素用量；若仍需按照7天的尿素储存量考虑，则需尿素储存罐总容积216m3。
根据实际运行负荷情况综合考虑，电厂为3#和4#锅炉新建一套尿素配制及储存系统，并在新尿素车间统一考虑4台锅炉的尿素堆料场。
2.2 尿素热解制氨系统
设置2台热解炉（每台机组各一台），每台热解炉配置1套计量分配装置。经过计量和分配装置的尿素溶液由喷射器喷入热解炉。
该厂锅炉的一次风温度为300～330°C，压力为10～17kPa，可直接作为尿素热解反应的稀释风来源。设置2台电加热器（每台机组各1台），功率约700kW。高温风机将锅炉一次风加压后，送至电加热器进行加热，使其温度提升并维持适当的尿素热解反应温度。
热解炉出口氨气浓度<5%，可直接由喷氨系统进入烟道与烟气中的NOx进行反应。
2.3 尿素催化水解制氨系统
每台机组设置1套尿素催化水解模块，单台水解器最大制氨能力按单台机组需氨量的1.5 倍设计，即最大制氨能力为240kg/h。两台水解器中间设有联络管线，可以实现热备用。稀释风系统利旧，另设置一套催化剂供给料系统、减温减压系统、尿素催化水解反应器用废水系统和疏水系统。
每台机组设置2套氨气空气混合器，给锅炉两个烟道提供脱硝用氨气。
设置1套氨气计量模块对进入SCR反应器的氨气流量进行调节，以满足脱硝装置在锅炉50%BMCR～100%BMCR之间任何负荷运行的要求。
2.4 技术经济比较
对该电厂脱硝超低排放改造采用尿素热解制氨工艺与采用催化水解制氨工艺进行技术经济比较，结果如表2所示。
就公用系统而言，尿素水解与热解的尿素车间大致相同。尿素催化水解车间一般考虑与尿素车间合建，而热解炉则布置于炉区SCR附近。从占地来说，尿素热解制氨布置更为紧凑。但对该电厂来说，厂区有足够空地，且为3#、4#锅炉新建的尿素车间可与催化水解反应区合建，整体布置更为协调。因此，占地并不是该厂主要考虑的因素。
从项目投资来看，尿素催化水解工艺系统造价与热解系统相比略低（或相当），但其能耗明显低于热解方案，其运行费用也明显低于热解方案。而经济效益是电厂更为关注的内容，因此，从长期运行的经济性角度来说，尿素催化水解工艺系统优势明显。
3 结论
尿素水解制氨系统因其工艺稳定可靠、运行费用低等优点，逐渐成为尿素制氨系统的主流技术。目前，考虑到能耗成本及实际运行效果，也有已配置热解系统的电厂进行催化水解系统改造的例子。因此，综合考虑各项因素，辽宁某电厂3#、4#机组（2×350MW）脱硝超低排放改造中，将液氨站改造为尿素催化水解制氨系统，可满足电厂运行安全性和经济性的要求。
