尿素水解技术常见问题浅析

尿素水解技术常见问题浅析

栗云雷

阳城国际发电有限责任公司 山西省 晋城市 048102

摘要：近年来，液化天然气的潜在危险日益引起了电力公司的重视。尿素分解后会生成NH3,NH3对人体的危害不大，便于运输和贮存。为此，火力发电厂正在进行脱硝还原剂供给体系的改造，以尿素水解制氨技术取代液氨制取脱硝还原剂。本文旨在探讨尿素水解时产生的一系列问题，并提出一些解决措施，以期能为相关工作者提供帮助。

关键词：尿素水解；

1尿素水解系统工艺

随着全国重点危险源液化氨的淘汰，尿素逐步替代了液氨。尿素水解技术投资最低，运行稳定，是目前国内各电厂的首选工艺。尿素罐车将尿素微粒送入尿素溶槽，用软化水将其溶解为质量分数为40%~50%的尿素，经尿素溶解泵送入尿素储罐贮存。尿素储罐内的溶液经尿素溶液进料泵、计量和分配设备进入水解单元，产生产物NH3、H2O和CO2，产物经氨气注入系统进入 SCR脱氮系统。典型的尿素水解制氨系统如图1所示。

图1 典型的尿素水解制氨系统

尿素水解法化学反应式为:

CO(NH2)2+H2O⇌NH2－COO－NH4⇌2NH3↑+CO2↑

2尿素水解系统主要控制回路

尿素水解系统的控制电路主要有尿素供应调节控制、尿素水解产品煤气供应调节、尿素水解蒸汽供应调节控制。①对尿素的供给进行调控。尿素水解器的液面由尿素水解器液面调整，以保证尿素水解装置的液面处于规定的水平。②尿素水解液中的气体供给控制。尿素水解机出口气压调节阀门的开度是由尿素水解机的出口压力来控制的，以保证尿素水解器的出液量在一定的范围之内。③调节尿素水解气的供给。尿素水解气的控制主要有两种，一种是可以自由选择的。1)通过尿素水解装置的进口压力调整蒸汽供给气压控制阀的开度，使尿素水解装置的进口压力维持在一个预定的范围之内。2)通过尿素水解装置的温度来调整蒸汽供给气压控制阀的开度，从而维持尿素水解器的温度。

3尿素水解技术主要模型

3.1尿素水解反应器计算模型

尿素的水解是尿素在一定的温度下与水发生化学反应的一种反应，公式如下：

在水中溶于尿素与水的反应（2.1）在能轻易地分解为氨气（NH3）和二氧化碳（CO2）的溶液中产生氨基甲酸铵。CO2溶解性极差，在气相中几乎完全挥发；NH3在溶液中溶解，并被部分汽化。第一阶段的反应速度较慢，为尿素水解工艺的一个重要环节。从以上的反应工艺可知，尿素的水解工艺包括NH3-CO2-H2O-尿素（下文中称作ACWU系统），在该系统中，NH3、CO2、H2O在气液两相平衡的状态。为实现尿素水解的工艺计算和装置的设计，必须建立汽液平衡、反应平衡和汽-液焓的数学模型。

3.2尿素水解智能控制模型

尿素水解工艺是以尿素水解为氨化工艺。通过对水解设备的控制逻辑进行了优化，使其能够进行冷起动、热起动、智能运行。在自动操作方式中，操作人员按下起动键后，系统自动加料，预热，准备氨注入和氨注入，不需要操作者的干涉。

在自动模式，按“开始”键，尿素水解系统会自动完成下列工作：①按“启动”键，尿素溶液入口阀、液相回流阀、蒸气进口阀、尿素溶液进口调节阀、尿素溶液进口调节阀、氨气出口调节阀、尿素溶液进口调节阀、氨气排出调节阀均设为0，并将其设定成手动状态。②在所有阀门信号就位后，当水解器液面超过0.51M时，系统会自动进入尿素溶液充填程序。在水解器水位小于0.51M时，脱盐进水阀门会自动开启，将脱盐的水注入到水解器中。当水解器的水位超过0.51M时，系统会自动关闭脱盐进口阀门。然后开启尿素入口关闭阀门，把尿素入口调整阀门设为100%；在水解液高度超过0.85米时，关闭尿素入口阀门，将尿素入口阀门设为0。③当尿素入口关闭阀门及调整阀门安装完毕后，若水解器的压力低于0.3MPa，则自动开启。同时，对水解机的温控方式进行了选择，并设定了汽流进口调节阀为自动运行方式。在阀位信号就位后，40摄氏度的温度将会自动打开，并自动调整蒸汽调节阀。10分钟后，系统就会自动进入加压状态。当压力为0.3MPa时，该系统会进入氨气注入状态。④在进入加压状态后，继续进行加压。在压力超过0.4MPa的情况下，整个水解机的控制阀都处于自动状态，系统处于准备状态。⑤当操作单元需要喷射氨气时，该系统会自动开启氨气出口调节阀、蒸汽出口调节阀、尿素溶液入口阀、尿素溶液调节阀。该系统会自动设置0.55毫帕的压力、0.85米的液面和00.35Mpa的氨气出口压力。在每次系统准备好后，系统会自动调节设置的数值。⑥本系统设有紧急停机及标准停车键，以避免操作时发生任何突发事件。在紧急状况下，操作者可以通过人工启动按键来保护水解器。迄今为止，尿素的溶解水解或半自动或人工操作均能正常进行。操作人员只需点击对应的按键即可完成所有操作。在智能化控制中，采用尿素粒子的输送和控制阀的优化，实现了尿素水解氨的智能化控制，保证了尿素水解体系的安全、稳定。

3.3尿素水解反应动力学模型

在acwu体系中，有关体系成分的热力学及动力学研究大多建立在尿素的基础上，而对于反反应尿素的水解工艺却鲜有报道。在尿素的合成工艺中，液相可以被看作是不含电解质的液体，在计算液相活度系数时，没有考虑静态功率。计算反应平衡常数时，其活性因子与氨氮、二氧化碳、H2O之间存在着电离和气液平衡。虽然目前已有大量有关尿素合成的热力学资料，但是这些资料无法精确地反映尿素的水解反应。尿素水解中存在着可逆的可逆反应，其反应速率受温度成分的影响，常常难以达到平衡。尿素水解反应器内尿素的水解反应速度也是必要的。采用试验资料及尿素间歇水解的方法，对尿素的水解动力学进行了研究，得出了其水解动力学的指数前因数及活化能。在此基础上，结合其它文献对尿素的动力学参数进行了分析和处理，得出了适用于此水解反应器的水解工艺条件。尿素水解反应的总反应式：

水解动力学方程为：

4尿素水解技术相关问题及解决措施分析

4.1尿素水解系统情况及问题

本文探讨的设备项目由600 MW和300 MW两套组成。四个机组都是W型燃烧炉， NOx质量浓度高，氨耗大。利用原液氨作为脱硝还原剂，实现了尿素的水解氨工艺。该系统包括三台水解反应器，两台操作，一台待机。各水解反应器具有900千克/小时的氨气产量。在改造之前，该树型氨气输送管线与液氨蒸发器的氨气完全匹配，且不会造成阻塞。但是，由于尿素水解氨生产体系的产物气体中的水蒸汽会凝结形成氨化铵，从而会阻塞氨化管线的末端，因而不适合用于尿素水解氨的生产。尿素水解液中的水汽凝结程度与温度、压力有关。为了保证蒸汽不会凝结，必须对温度进行实时监控，并调整压力。在现有的氨气供给管道中，由于缺少温度测量点，无法满足尿素水解系统的气氨供给。

4.2设备汽管道结晶堵塞问题

通常，在SCR反应器中，尿素的水解以50%的尿素溶液作为尿素的水解，28.3%的产物蒸气进行水解。由于在严寒天气下，尿素溶液在运输中的结晶会对尿素的输送和产物的低温结晶产生一定的影响，造成产品蒸汽隔离阀后方的管路阻塞。为防止这种情况发生，必须保证隔离阀门的品质。压力测量点应该安装在各个设备的隔离阀门和 SCR区的配油阀之间。其次，产品的蒸汽管线应该有一个备用和一个使用。在一个产品的蒸气管路的两边应该有两个伴热气体源，以维持设备在设备正常工作时的最低温度。当机组停止运行时，用蒸汽伴热气体源对产品的蒸汽管路进行清洗。净化气体由产物蒸汽排放管排放，清洗时间至少为1个小时。在一次停机后，在起动之前，都要对产品的蒸汽管路进行清洗。清洗完毕后，可以通过压力开关来判断阀门的内部是否有渗漏。如果阀门存在内漏，则产品蒸汽管路必须进行蒸汽清洗。

4.3腐蚀问题及措施

在水解机中，尿素的含量为50%，水解后的气体为氨、二氧化碳、水汽。在160摄氏度以上，氨气与二氧化碳会再次结合，生成具有腐蚀性的氨气（例如氨气），造成氨气管路及相关阀门的阀体腐蚀，造成阀门内渗漏或氨气管道渗漏。通过对氨气管路及阀芯的腐蚀，可采取如下措施：①对汽液的伴热进行优化，保证氨的温度在160℃以内。②对水解反应温度进行了优化。通过对蒸气控制阀进行逻辑优化，使其工作温度达到130~140℃。蒸气调节阀在工作温度高于150摄氏度时被锁闭。③在氨气管路关闭后，应对管路进行清洗，以清除残余的氨气。清洗时间应该超过30分钟。清洗完毕后，将氨气管线排放阀门关闭，将剩余的氨气蒸气排放出去。

4.4尿素颗粒储存发生板结问题

为了防止因气候变化或突发疾病而导致尿素不能及时供给，从而影响到尿素的正常水解和氨的生产。现场储存的尿素颗粒板在潮湿环境下易结块，不利于使用。通过对尿素溶液进行贮存，从而解决了尿素颗粒的固化问题。尿素粒子到达工厂后，先进行尿素的配制，然后用溶出泵把尿素溶液送入尿素溶液贮槽。为了保证尿素溶液的正常温度，避免凝结和结晶，应该在储罐内部设置蒸汽加热线圈。尿素溶液储槽的设计要符合贮存能力，保证装置在整个工厂内不少于20天的工作余量。

5结语

总之，尿素水解制氨技术因其安全性能而逐步替代了传统的液氨还原法。但是，尿素水解氨生产中存在着腐蚀、结晶等问题，主要是因为系统设计、操作管理不善等原因。硬脱硝系统的运行是安全、可靠的，但是，通过系统的优化和运行的优化，可以有效地解决这一问题。

参考文献：

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