CN113511659A - 一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置和方法，利用釜式反应器将40‑60％质量浓度的尿素溶液水解为氨气，然后送入电站锅炉SCR装置中作为脱硝还原剂。整套水解装置运行所需的水电汽全部由电站锅炉提供，蒸汽在水解反应器和尿素溶解罐中通过盘管换热，不与尿素溶液接触，放热后再回到电站锅炉中加热形成循环。采用FeAl粉和Al₂O₃混合固体粉末制备水解催化剂，与尿素溶液混合后形成悬浊液，同时利用循环泵将反应液送入给料尿素溶液中形成反应液的循环流动，促进催化剂颗粒的均匀分布，从而提高水解反应速率。

Description

一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置和方法

技术领域

本发明涉及火电厂烟气脱硝技术，具体为一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置和方法。

背景技术

在火电厂SCR脱硝系统中，还原剂是最大的消耗品，其消耗成本直接影响到脱硝系统的整体经济指标。脱硝还原剂的制备可采用液氨法和尿素法，其中液氨法工艺系统简单，投资、运行成本较低，在目前的工程中已广泛应用，但缺点是对系统的安全性要求较高。根据《危险化学品重大危险源辨识标准》(GB18218—2009)，液氨储量超过10吨即视为重大危险源，并且液氨具有腐蚀性且容易挥发，运输过程存在很大风险。尿素相对于液氨、氨水具有较高的安全性，易于运输和储存，在某些特殊地区及距离城市、居民区较近的燃煤电厂中，尿素制氨已成为制备SCR脱硝还原剂的推荐工艺。

尿素分解法制备脱硝还原剂，分为尿素热解法和尿素水解法。尿素分解法制备脱硝还原剂，分为尿素热解法和尿素水解法。目前尿素热解法和尿素水解法的初投资相当，但水解法采用低品质的蒸汽作为加热热源，运行成本大大低于采用电加热的尿素热解法。尿素水解法已在大、中型合成氨-尿素厂得到普遍应用，主要用于回收工艺废液中的尿素；而火电厂烟气脱硝尿素水解装置是为了更方便、经济地制备脱硝需要的氨气，与传统的化工行业尿素水解技术相比，其反应机理和工艺设计均具有显著的差别。

尿素水解制氨工艺是尿素溶液在压力釜中发生水解，生成氨气、二氧化碳、水。尿素水解有AOD和U2A两种工艺。AOD法起始于1996～1997年，是将浓度约5％～10％的尿素溶液被输送到水解器内，高温饱和蒸汽直接从底部喷入水解器内的溶液里，尿素溶液被加热分解成氨气与二氧化碳，水解器内形成气液两相平衡体系，平衡体系的压力约为1.9MPa，温度约为190℃。U2A水解法尿素制氨系统与AOD法的不同点在于：加热蒸汽通过盘管的方式进入水解器，加热蒸汽不与尿素溶液混合，通过盘管回流，需要增加1个冷凝水回收装置，水解器内的气液两相平衡体系的压力约为1.4～2.1MPa，温度约150℃。U2A技术水解后的产物为氨气、二氧化碳、水的混合蒸汽，经除雾器除掉携带的水滴后，通过自身压力送往氨气稀释系统，加入空气后稀释成浓度约5％的氨气，送往喷氨系统。与液氨或氨水系统不同的是，稀释空气需要加热到175℃以上，以避免氨气在低温下逆向反应，生成氨基甲酸盐。

现有尿素水解制氨工艺在运行过程中存在一些问题，例如：尿素溶液低温结晶导致输送管道堵塞；尿素溶液受热会产生固体沉积物，这种沉积物主要是由凝结的尿素和分解副产物缩二脲组成，造成尿素水解系统堵塞；尿素在水解过程中会产生一些酸性物质(如氨基甲酸铵等)，破坏不锈钢表面的氧化薄膜，使管道的腐蚀速度加快；水解反应速率较慢，反应器体积偏大，变负荷响应时间难以满足锅炉脱硝需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种采用固体催化剂和反应液再循环单元的尿素水解制氨装置，具有体积小、安全性高、运行成本低和反应速率快的特点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置，包括电站锅炉1，电站锅炉1通过高温蒸汽输送管道2与水解反应器15蒸汽输入端口连接，水解反应器15的疏水输出端口通过疏水管道3与尿素溶解罐6中的盘管输入端口相连，尿素溶解罐6中的盘管输出端口接入电站锅炉1中的蒸汽管道，将疏水送入电站锅炉1中加热成高温蒸汽；尿素储仓5的出口与尿素溶解罐6的入口相连，将尿素颗粒送入尿素溶解罐6中；除盐水箱7通过给水泵8和除盐水管道9与尿素溶解罐6的除盐水入口相连，将除盐水送入尿素溶解罐6中，除盐水箱7的另一路出口与催化剂储罐24相连；尿素溶解罐6的出口连接尿素循环泵10的入口，尿素循环泵10的出口连接尿素溶液储罐11的入口，尿素溶液储罐11的出口通过给料泵12接入混合器13中；催化剂颗粒23送入催化剂储罐24中，与除盐水混合后通过出口送至混合箱13中；混合箱13的出口通过混合溶液管道14与水解反应器15的尿素溶液入口相连，将混合溶液送入水解反应器15中；水解反应器15的氨气出口通过氨气管道16与氨气混合器18的一个入口相连，氨气混合器18的另一个入口与热风机17相连，氨气混合器18的出口连接至电站锅炉1尾部烟道中的氨喷口19，氨喷口19位于SCR反应器20的上游；水解反应器15上的排污口分为两路，一路送至废水管道21，另一路与循环泵22连接，将水解反应器15中的反应液送入混合器13中。

送入催化剂储罐24中的催化剂为50wt.％的FeAl粉和50wt.％的Al₂O₃混合固体粉末。

所述水解反应器15的蒸汽输入端口通过盘管与疏水输出端口连接。

所述水解反应器15为一种釜式反应器，液体滞留量大，保证温度和浓度的均匀分布；釜式反应器上部气相空间可储存部分氨气，起到了缓冲罐的作用，能够保证氨气输送压力的稳定。

所述的一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置的制氨方法，包括如下步骤：

1)袋装尿素由汽车运输到电厂，放置在尿素储仓5中，破袋后由斗提机送到尿素溶解罐6中；除盐水箱7中的除盐水经软化后通过给水泵8和除盐水管道9一路送入尿素溶解罐6中，另一路送入催化剂储罐24中；在尿素溶解罐6中，用除盐水9将尿素颗粒溶解成40～60％质量浓度的尿素溶液，经尿素循环泵10送入尿素溶液储罐11中储存，投运后根据负荷需求通过给料泵12送入混合器13；当装置停运时，尿素溶液储罐11中的尿素溶液通过尿素循环泵10送回尿素溶解罐6；

2)由电站锅炉1中抽出的高温蒸汽减温降压后通过高温蒸汽输送管道2送入水解反应器15中，通过盘管与尿素溶液换热，不与尿素溶液混合；高温蒸汽冷凝放热后变为疏水通过疏水管道3排出，疏水送入尿素溶解罐6中的盘管中，放热用于尿素溶解，冷却后的疏水再回到电站锅炉1中加热形成循环；

3)通过催化剂管道23送入催化剂储罐24中的催化剂为50wt.％的FeAl粉和50wt.％的Al₂O₃混合固体粉末，在催化剂储罐24中与除盐水混合形成催化剂悬浊液，然后送入混合器13；尿素溶液和催化剂悬浊液在混合器13中混合形成混合溶液，然后由底部通入水解反应器15；水解反应器15运行期间，尿素溶液连续通入，催化剂悬浊液仅通入一次，催化剂悬浊液的量根据水解反应器的体积确定；

4)在催化剂作用下，尿素溶液发生水解反应生成氨气，反应方程式为CO(NH₂)₂(尿素)+H₂O→2NH₃(氨)+CO₂，该反应为吸热反应；水解反应器15中产生的氨气通过氨气管道16首先进入计量模块，然后与热风机17吹出的热风在氨气混合器18处稀释，氨气稀释到5-10％的质量浓度，稀释后的氨气经管道送入氨喷口19，喷入电站锅炉尾部烟道与烟气混合，最后进入SCR反应器20，在催化剂的作用下将烟气中含有的氮氧化物还原为氮气和水；

5)运行期间，将水解反应器15中的反应液由排污口通过循环泵22送入混合器13中，与尿素溶液混合，实现反应液的再循环流动；设备检修期间将废水通过废水管道21由排污口排出，检修完成后水解反应器15投入运行时，需补充催化剂悬浊液。

高温蒸汽、尿素溶液和氨气的流量均根据电站锅炉1烟气的脱硝用氨需求自动调节。

尿素水解反应器15的工作温度为130-150℃，工作压力为0.4-0.6Mpa。

热风机17吹出的热风温度高于170℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明中加热蒸汽来自电站锅炉抽气，尿素溶解所需的水来自电站锅炉除盐水，泵运行所需的电来自锅炉发电，整套水解装置运行所需的水电气全部由电站锅炉提供，无需外部送入，能够降低运行成本。蒸汽在水解反应器和尿素溶解罐中放热后再回到电站锅炉中加热形成循环，热量在循环过程中分级利用，提高了热量的利用效率。蒸汽在水解反应器和尿素溶解罐中通过盘管换热，不与尿素溶液接触，可循环利用，减少了蒸汽损耗。

本发明中尿素水解反应器为一种釜式反应器，液体滞留量大，具有近似全混的性质以及良好的传质传热性能，可保证温度和浓度的均匀分布。反应器上部气相空间可储存部分氨气，起到了缓冲罐的作用，能够保证氨气输送压力的稳定。

尿素水解反应速率较慢，为满足SCR用氨需求，需要提高水解反应温度或是增大反应器容积。尿素水解过程中会生成一些酸性物质(如氨基甲酸铵等)，会严重腐蚀不锈钢管道表面的氧化膜，腐蚀程度随着温度的升高而升高，因此提高反应温度会增大腐蚀速率。增大反应器容积，一方面会提高制造成本，另一方面由于反应器内的尿素溶液具有很大的热惯性，会导致水解反应器变负荷响应时间延长，机组变负荷期间氮氧化物排放超标。加入催化剂能够提高水解反应速率，从而降低反应温度，减小反应器容积，并能够减小设备腐蚀和提高变负荷响应速率。

现有的催化水解装置一般采用磷酸氢盐或磷酸二氢盐等液体水解催化剂，损耗较大，需要随时补充，并且会导致废水中含有磷化合物，直接排放会造成水体富营养化。本发明中采用FeAl粉和Al₂O₃混合固体粉末制备催化剂，通过酸化、热处理等方式调控酸性位点，在较低温度下具有高活性，能够提高水解反应速率并抑制缩二尿产生。与液体催化剂相比，成本较低，损耗小，对反应废液无影响。

本发明中FeAl粉和Al₂O₃混合固体粉末不溶于水，与尿素溶液混合后形成悬浊液，催化剂颗粒与尿素溶液充分接触，能够促进催化反应的充分进行。为防止悬浊液中的催化剂颗粒沉淀，本发明中增加了反应液再循环单元，利用循环泵将反应液送入给料尿素溶液中，促进水解反应器内部液体扰动，能够减小反应液内部浓度和温度分布的不均匀性，并促进催化剂颗粒的均匀分布，从而提高水解反应速率。

附图说明

图1为本发明所述的火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提出一种用于火电厂烟气脱硝的尿素水解制氨装置和制氨方法，其特点是利用催化剂来提高水解反应速度，并通过反应液循环来提高催化剂颗粒分布的均匀性。装置组成如图1所示，其特征在于：

1)袋装尿素由汽车运输到电厂，放置在尿素储仓5中，破袋后由斗提机送到尿素溶解罐6中；除盐水箱7中的除盐水经软化后通过给水泵8和除盐水管道9一路送入尿素溶解罐6中，另一路送入催化剂储罐24中；在尿素溶解罐6中，用除盐水9将尿素颗粒溶解成40～60％质量浓度的尿素溶液，经尿素循环泵10送入尿素溶液储罐11中储存，投运后根据负荷需求通过给料泵12送入混合器13；当装置停运时，尿素溶液储罐11中的尿素溶液通过尿素循环泵10送回尿素溶解罐6。

2)由电站锅炉1中抽出的高温蒸汽减温降压后通过高温蒸汽输送管道2送入水解反应器15中，通过盘管与尿素溶液换热，不与尿素溶液混合。高温蒸汽冷凝放热后变为疏水通过疏水管道3排出，疏水送入尿素溶解罐6中的盘管中，放热用于尿素溶解，冷却后的疏水再回到电站锅炉1中加热形成循环。

3)通过催化剂管道23送入催化剂储罐24中的催化剂为50wt.％的FeAl粉和50wt.％的Al₂O₃混合固体粉末，在催化剂储罐24中与除盐水混合形成催化剂悬浊液，然后送入混合器13；尿素溶液和催化剂悬浊液在混合器13中混合形成混合溶液，然后由底部通入水解反应器15；水解反应器15运行期间，尿素溶液连续通入，催化剂悬浊液仅通入一次，催化剂悬浊液的量根据水解反应器的体积确定。

4)在催化剂作用下，尿素溶液发生水解反应生成氨气，反应方程式为CO(NH₂)₂(尿素)+H₂O→2NH₃(氨)+CO₂，该反应为吸热反应。水解反应器15中产生的氨气通过氨气管道16首先进入计量模块，然后与热风机17吹出的热风在氨气混合器18处稀释；热风温度高于170℃，氨气稀释到5-10％的质量浓度，稀释后的氨气经管道送入氨喷口19，喷入电站锅炉尾部烟道与烟气混合，最后进入SCR反应器20，在催化剂的作用下将烟气中含有的氮氧化物还原为氮气和水。氨喷口19和SCR反应器20布置在电站锅炉1尾部。

5)水解反应器15设置排污口，运行期间将反应液由排污口通过循环泵22送入混合器13中，与尿素溶液混合，实现反应液的再循环流动；设备检修期间可将废水通过废水管道21由排污口排出，检修完成后水解反应器15投入运行时，需补充催化剂悬浊液。

6)尿素水解反应器15的工作温度为130-150℃，工作压力为0.4-0.6Mpa。高温蒸汽、尿素溶液和氨气的流量均根据电站锅炉1烟气的脱硝用氨需求自动调节。

Claims (8)

1.一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置，其特征在于，包括电站锅炉(1)，电站锅炉(1)通过高温蒸汽输送管道(2)与水解反应器(15)蒸汽输入端口连接，水解反应器(15)的疏水输出端口通过疏水管道(3)与尿素溶解罐(6)中的盘管输入端口相连，尿素溶解罐(6)中的盘管输出端口接入电站锅炉(1)中的蒸汽管道，将疏水送入电站锅炉(1)中加热成高温蒸汽；尿素储仓(5)的出口与尿素溶解罐(6)的入口相连，将尿素颗粒送入尿素溶解罐(6)中；除盐水箱(7)通过给水泵(8)和除盐水管道(9)与尿素溶解罐(6)的除盐水入口相连，将除盐水送入尿素溶解罐(6)中，除盐水箱(7)的另一路出口与催化剂储罐(24)相连；尿素溶解罐(6)的出口连接尿素循环泵(10)的入口，尿素循环泵(10)的出口连接尿素溶液储罐(11)的入口，尿素溶液储罐(11)的出口通过给料泵(12)接入混合器(13)中；催化剂颗粒(23)送入催化剂储罐(24)中，与除盐水混合后通过出口送至混合箱(13)中；混合箱(13)的出口通过混合溶液管道(14)与水解反应器(15)的尿素溶液入口相连，将混合溶液送入水解反应器(15)中；水解反应器(15)的氨气出口通过氨气管道(16)与氨气混合器(18)的一个入口相连，氨气混合器(18)的另一个入口与热风机(17)相连，氨气混合器(18)的出口连接至电站锅炉(1)尾部烟道中的氨喷口(19)，氨喷口(19)位于SCR反应器(20)的上游；水解反应器(15)上的排污口分为两路，一路送至废水管道(21)，另一路与循环泵(22)连接，将水解反应器(15)中的反应液送入混合器(13)中。

2.根据权利要求1所述的一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置，其特征在于，送入催化剂储罐(24)中的催化剂为50wt.％的FeAl粉和50wt.％的Al₂O₃混合固体粉末。

3.根据权利要求1所述的一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置，其特征在于，所述水解反应器(15)的蒸汽输入端口通过盘管与疏水输出端口连接。

4.根据权利要求1所述的一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置，其特征在于，所述水解反应器(15)为一种釜式反应器，液体滞留量大，保证温度和浓度的均匀分布；釜式反应器上部气相空间可储存部分氨气，起到了缓冲罐的作用，能够保证氨气输送压力的稳定。

5.权利要求1至4任一项所述的一种火电厂烟气脱硝用尿素水解制氨装置的制氨方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)尿素储仓(5)中的尿素由斗提机送到尿素溶解罐(6)中；除盐水箱(7)中的除盐水经软化后通过给水泵(8)和除盐水管道(9)一路送入尿素溶解罐(6)中，另一路送入催化剂储罐(24)中；在尿素溶解罐(6)中，用除盐水(9)将尿素颗粒溶解成40～60％质量浓度的尿素溶液，经尿素循环泵(10)送入尿素溶液储罐(11)中储存，投运后根据负荷需求通过给料泵(12)送入混合器(13)；当装置停运时，尿素溶液储罐(11)中的尿素溶液通过尿素循环泵(10)送回尿素溶解罐(6)；

2)由电站锅炉(1)中抽出的高温蒸汽减温降压后通过高温蒸汽输送管道(2)送入水解反应器(15)中，通过盘管与尿素溶液换热，不与尿素溶液混合；高温蒸汽冷凝放热后变为疏水通过疏水管道(3)排出，疏水送入尿素溶解罐(6)中的盘管中，放热用于尿素溶解，冷却后的疏水再回到电站锅炉(1)中加热形成循环；

3)通过催化剂管道(23)送入催化剂储罐(24)中的催化剂为50wt.％的FeAl粉和50wt.％的Al₂O₃混合固体粉末，在催化剂储罐(24)中与除盐水混合形成催化剂悬浊液，然后送入混合器(13)；尿素溶液和催化剂悬浊液在混合器(13)中混合形成混合溶液，然后由底部通入水解反应器(15)；水解反应器(15)运行期间，尿素溶液连续通入，催化剂悬浊液仅通入一次，催化剂悬浊液的量根据水解反应器的体积确定；

4)在催化剂作用下，尿素溶液发生水解反应生成氨气，反应方程式为CO(NH₂)₂(尿素)+H₂O→2NH₃(氨)+CO₂，该反应为吸热反应；水解反应器(15)中产生的氨气通过氨气管道(16)首先进入计量模块，然后与热风机(17)吹出的热风在氨气混合器(18)处稀释，氨气稀释到5-10％的质量浓度，稀释后的氨气经管道送入氨喷口(19)，喷入电站锅炉尾部烟道与烟气混合，最后进入SCR反应器(20)，在催化剂的作用下将烟气中含有的氮氧化物还原为氮气和水；

5)运行期间，将水解反应器(15)中的反应液由排污口通过循环泵(22)送入混合器(13)中，与尿素溶液混合，实现反应液的再循环流动；设备检修期间将废水通过废水管道(21)由排污口排出，检修完成后水解反应器(15)投入运行时，需补充催化剂悬浊液。

6.根据权利要求5所述的制氨方法，其特征在于，高温蒸汽、尿素溶液和氨气的流量均根据电站锅炉(1)烟气的脱硝用氨需求自动调节。

7.根据权利要求5所述的制氨方法，其特征在于，尿素水解反应器(15)的工作温度为130-150℃，工作压力为0.4-0.6Mpa。

8.根据权利要求5所述的制氨方法，其特征在于，热风机(17)吹出的热风温度高于170℃。

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