基于SCR脱硝的尿素水解制氨生产系统设计优化探讨

摘要：近年来，我国的电厂建设不断增加，尿素水解制氨选择性催化还原（SCR）脱硝技术是一种在电厂中用于降低氮氧化物（NOx）排放的有效方法。本文就基于SCR脱硝的尿素水解制氨生产系统设计优化探讨，以提高SCR脱硝技术的稳定性。

关键词：SCR脱硝；还原剂；尿素水解；优化设计

引言

选择性催化还原法（SelectiveCatalyticReduction，SCR）烟气脱硝工艺由于技术成熟、脱硝效率高，在电站锅炉脱硝中得到广泛应用，并迅速在钢铁、石化等行业得到推广。脱硝还原剂形式多样，主要有液氨、氨水、尿素等。使用前，还原剂需经过一定的处理工艺，制备成需要的形式，液氨通常需要通过热交换，蒸发为气氨；氨水通过蒸汽或高温热烟气蒸发为气氨与水蒸气的混合物；尿素采用水解或热解工艺，分解为含有气氨的混合物。

1尿素水解制氨工艺流程

尿素水解制氨工艺系统主要包括尿素水解器撬块、氨气计量模块（一般布置在锅炉脱硝钢平台处）、尿素溶液制备系统（含有尿素溶解罐、搅拌器、溶解泵、排风扇、尿素溶液密度计、尿素颗粒气力输送系统/斗提机等）、疏水及储存系统、尿素溶液储存系统、尿素溶液输送泵及伴热系统等。尿素水解器属于釜式换热器，分为壳程和管程，输送到壳程内部的尿素溶液约占其容积的50%左右，其余空间作为水解产品气的储存缓冲空间；管程为可拆卸式管壳式（U型）热交换器，加热介质为蒸汽（一般用2MPa以内的电厂辅助蒸汽，温度约350℃，经过减温降压后降为0.8～1.0MPa的饱和蒸汽，供尿素水解器使用，不与尿素溶液混合，不参与反应，经U型换热管回流，蒸汽冷凝液经出口疏水阀组，由疏水箱和疏水泵回收，可用于尿素颗粒溶解）；配制尿素溶液时使用统一收集的蒸汽冷凝液，通过疏水泵输送到尿素溶解罐中，回收利用，溶解罐配置好的浓度约50%尿素溶液通过混合泵输送到储罐内储存，然后通过尿素溶液输送泵送到尿素水解反应器；水解反应器产生的氨气在SCR区根据锅炉负荷的需要量经过氨气流量调节阀组调节后进入氨气空气混合器，最后经喷氨格栅喷入烟气当中。

以某2x670t/h燃煤机组煤粉锅炉脱硝还原剂制备系统为例，设置2台尿素水解反应器（一用一备），每台水解器的产氨量不小于2台机组100%BMCR工况下供氨量的105%，设计供氨能力不小于380kg/（h·台）（以纯氨计）。尿素水解制氨系统产氨率均不小于96%，平均水解产氨转化率不低于98%，尿素溶液（50%）耗量不高于1350kg/h，小时总耗电量不大于10kW，减温减压后蒸汽耗量约1500kg/h，水解反应器的制氨响应速率不小于10%满负荷制氨量/min，同时压力变化不超过5%。尿素水解制氨模块工艺系统流程如图1所示。

2尿素水解制氨系统优化设计

2.1尿素输送与溶解模块设计

尿素输送设计：固态尿素的输送采用斗式提升机的方式。斗式提升机将尿素从储仓底部提升至尿素溶解罐。在输送过程中，为防止尿素泄漏，输送设备的连接处采用密封设计，并设置巡检通道，便于及时发现和处理输送设备的故障。

尿素溶解设计：在尿素溶解罐中，将固态尿素与除盐水按一定比例混合，通过蒸汽盘管或电加热装置加热，并开启搅拌器，使尿素充分溶解。溶解罐设置液位计、温度传感器和浓度检测仪，实时监测尿素溶液的液位、温度和浓度。当尿素溶液浓度达到设定值（一般为40%-60%）时，通过尿素溶液输送泵将其输送至尿素溶液储罐。

2.2水解反应模块设计

（1）水解反应器选型与设计：水解反应器是尿素水解制氨的核心设备，反应器及其附带阀门、仪表材质均选用耐腐蚀的不锈钢，以承受高温、高压和尿素水解中间产物氨基甲酸铵的腐蚀。反应器内部设置加热装置，如蒸汽盘管或电加热器，为水解反应提供所需热量。

（2）反应条件控制设计：精确控制水解反应的温度、压力等参数是保证氨气产量和质量的关键。通过安装在反应器上的温度传感器、压力传感器和液位传感器，实时监测反应温度、压力和液位。温度控制系统采用PID控制器，根据设定温度与实际温度的偏差，自动调节加热蒸汽的流量，确保反应温度稳定在140-150℃。压力控制系统通过调节氨气出口阀门的开度，维持反应器内压力在0.6-0.8MPa。

2.3合理设计水解反应器出力，保证脱硝系统所需氨气量

当水解器设计裕量较大时，一方面造成加热蒸汽消耗增大，运行成本大幅增加，另一方面由于水解器实际出力低，降低了工作效率，导致水解器长期以较低温度运行，从而对水解器、气体管路、阀门、仪表等设备的安全稳定运行造成影响。与此同时，优化水解器尿素溶液进料管道结构设计，将水解器尿素溶液补充管道设计为沿水解器加热管长度方向的分布管，分布管上均匀开设小孔，方向朝下，这样可以使得补充的低温尿素溶液均匀喷洒在水解器内，降低温差，使得补充进来的低温尿素溶液快速被加热至水解反应温度，避免没有分布管时引起的局部温度降低和加热时间长、蒸汽耗量大、出力不匹配等问题。

2.4产品气管道结晶堵塞问题及设备结构优化设计

首先应该将尿素水解器布置在距离锅炉较近的位置，以减少产品气管道输送距离；其次，产品气管道伴热型式设计采用全夹套伴热（如图2所示），产品气走内部管道，蒸汽走夹套管，保持产品气输送过程中一直处于过热状态，不会产生冷凝。每段夹套之间采用连通管连接，伴热蒸汽上进下出，设计伴热蒸汽主管和冷凝水回收总管，分区分段从蒸汽主管取汽进入夹套管，用以维持机组正常运行情况下产品气所需最低温度，分段疏水，蒸汽冷凝水回收至尿素溶解区疏水箱，用于尿素溶液制备，循环利用。开机之前应先开通蒸汽伴热对产品气管道进行预热暖管，达到条件后再打开尿素水解制氨模块的产品气开关阀，将产品气输送至SCR区域。

结语

在设计水解器规模时，不仅要根据实际运行参数考虑机组脱硝系统最大氨耗的需求，而且要考虑锅炉机组调峰期低负荷运行时尿素水解制氨生产系统出口产品气的压力和温度参数。避免尿素水解制氨生产系统出口产品气输送管道及阀门、仪表设备结露，结合尿素水解器运行参数对产品气输送管道进行伴热，保证伴热后尿素水解产品气温度高于140℃输送。

参考文献

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