尿素水解制氨在燃煤电厂中的应用及存在的问题

尿素水解制氨在燃煤电厂中的应用及存在的问题

干桂静

（浙能绍兴滨海热电有限责任公司绍兴市滨海工业区九七丘312000）

摘要：当前，随着我国安全生产形势的日益严峻，传统的以液氨作为还原剂的脱硝系统，因液氨大量存储具有较大的危险性，越来越难以满足要求，而新型的尿素水解制氨系统因其较高的安全性，被越来越多的发电厂所采用，但在实际运用中也产生了许多新的问题。

关键词：安全性；液氨；尿素水解；结晶；腐蚀；积灰

引言

传统的以液氨作为还原剂的脱硝系统，因液氨大量存储具有较大的危险性，逐渐被安全性较高尿素水解制氨系统所取代，但因为尿素水解制氨系统在国内发展时间较晚，仍旧存在许多不成熟的地方，导致其在实际运用中产生了许多新的问题。

1.液氨与尿素水解制氨的安全性对比

1.1液氨的安全性

液氨是极易挥发、易燃及腐蚀性的压缩气体，氨与空气混合到一定比例时，遇明火、高热能能引起爆炸，其爆炸极限为16%-25%。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。

正常情况下液氨槽罐保留15%的气相空间，槽罐内压力是该温度下的液氨饱和蒸汽压力。如果未留有气相空间全部充满液体，则在温度升高时液体体积膨胀没有余地，槽罐内压力大幅上升，而液氨的膨胀系数较大，一旦槽罐充满氨，在0—60℃范围内，液氨温度每升高1℃，其压力升高约1.32—1.80MPa，因而过量充装极易发生物理爆炸。

根据氨的毒理特性，人暴露于3500mg/m3氨气中将会死亡，暴露于553mg/m3中可发生强烈的刺激症状，67.2mg/m3鼻咽有刺激感，0.7mg/m3可闻到气味。根据有关资料介绍，1吨液氨泄漏并全部气化，半径48m内的人员将造成严重伤害。另外，液氨的温度极低，人接触液氨会引起严重冻伤。

我厂一期2×300MW机组配置共有2只液氨储罐，可存储28T液氨，根据《危险化学品重大危险源辨识》（GB/18218-2009）及国家安全生产监督管理局文件《关于开展重大危险源监督管理工作的指导意见》（安监管协调字[2004]56号）的规定，液氨储存量达到10T时，即构成重大危险源。

因液氨巨大的危险性，发电厂需因此付出巨大管理成本和设备维护成本。以我厂2×300MW机组为例，每年液氨设备的安全安全管理成本为20万元，设备维护成本则高达60万元。

1.2尿素水解制氨的安全性

尿素水解制氨系统是以工业尿素颗粒为原料，制成50%浓度的尿素溶液，然后使用高温蒸汽加热尿素溶液，使其发生水解反应生成氨气。

因尿素颗粒理化性质较稳定，对人和环境均无害，其运输和管理均不受国家法规的限制。

同时水解反应过程中产生的氨气立即进入锅炉烟道，全部被使用，不会积存，即便发生氨气泄漏，泄漏的氨气量也较少，基本上不需要特殊的安全措施，降低了电厂的管理难度，因此尿素水解制氨系统具有较高的安全性。

从上可以看出，尿素水解制氨系统较高的安全性是其取代液氨的主要原因。

2.尿素水解制氨存在的问题

2.1腐蚀

尿素水解器中的尿素溶液浓度为50%，其在水解后产生的气体为氨气、二氧化碳及水蒸气的混合气体，氨气和二氧化碳在温度低于140℃时可以重组以形成冷凝物，此冷凝物有较强的腐蚀性，导致氨气管道及相关阀门阀芯被腐蚀，进而引起阀门内漏或氨气管道泄漏。

图1氨气阀门阀芯腐蚀严重

为防止氨气管道及阀门阀芯被腐蚀，可采取以下措施：

a）氨气管道及阀门阀芯采用耐腐蚀能力较强的材料，如316L不锈钢。

b）对氨气管道进行伴热，增加电伴热和蒸汽伴热装置。为提高伴热效果，蒸汽伴热可采用多回路多次伴热，确保氨气温度＞140℃。

c）氨气管道停用后，必须用蒸汽对管道进行吹扫，将管道内残余的氨气吹扫干净。

根据我厂实际运行经验，我厂虽已采用了耐腐蚀316L不锈钢，且对伴热系统进行了改造，但仍存在局部管道、阀门腐蚀严重的现象，继续采用新的方法解决。

2.2结晶

尿素水解制氨系统使用50%浓度的尿素溶液作为反应物，该浓度的尿素溶液在温度低于30℃时会发生结晶，导致尿素溶液管道被堵塞，影响尿素水解制氨系统的安全运行。

除此之外，因尿素溶液在水解后产生的气体为氨气、二氧化碳及水蒸气的混合气体，该混合气体在温度低于70℃时，会重组生成固态的氨基甲酸铵，导致氨气管道堵塞或氨气阀门无法关闭。

图2氨气管道已结晶堵塞

为防止尿素溶液及氨气管道结晶堵塞，可采取以下措施：

a）对尿素溶液及氨气管道进行伴热，增加电伴热和蒸汽伴热装置，防止尿素溶液或氨气温度低至结晶温度以下。

b）尿素溶液管道停用后，必须用水对管道进行冲洗，氨气管道停用后，必须用蒸汽对管道进行吹扫，将管道内残余的溶液或氨气清理干净。

c）为保证系统运行的可靠性，尿素溶液、氨气大多采用母管制运行方式，因此须确保氨气或尿素溶液阀门足够严密，防止管道停用后，相邻机组氨气或尿素溶液再次进入管道。

如尿素溶液或氨气管道已结晶堵塞，可拆下结晶管道，使用温度高于结晶温度的蒸汽或水持续冲刷结晶部位，此方法可以有效清除结晶物。

如管道无法拆下，可提高管道伴热温度，经长时间伴热后，管道内的结晶物会逐渐融化，再使用蒸汽吹扫后，也可能疏通管道。但此方法时间较长，堵塞严重时效果有限。

2.3积灰

为防止氨气与空气混合达到爆炸比例，氨气在进入锅炉烟道前需使用大量空气稀释至5%浓度以下。

传统的液氨可配置稀释风机，使用常温的空气进行稀释，但尿素水解制取的氨气，因其在温度低时极易发生腐蚀、结晶，必须使用温度高于140℃的空气进行稀释，如我厂目前采用空预器出口的热一次风作为稀释风风源。

但因空预器受热面往往积灰严重，且漏风率较大，造成空预器出口的热一次风携灰严重，长期运行后会导致锅炉喷氨格栅内的喷嘴逐渐积灰堵塞，脱硝效率逐渐下降。同时喷氨量上升，造成脱硝反应器后氨逃逸也逐渐上升，严重时还会造成空预器受热面积灰堵塞。

为防止锅炉喷氨格栅内的喷嘴堵塞，可采取以下措施：

a）如氨气喷嘴已存在堵塞现象，可定期使用压缩空气对喷嘴进行吹扫。此方法只能缓解堵塞现象，无法根除。

b）采用传统的脱硝稀释风机作为稀释风风源，但在稀释风机出口配置电加热器，将稀释风加热至140℃以上。此方法因采用电加热器，存在功耗较大的缺点。

c）采用冷一次风作为稀释风风源，配置一套烟气加热器，使用锅炉尾部烟道内的高温烟气将稀释风加热至140℃以上。

综上所述，尿素水解制氨因其较高的安全性，已逐渐取代传统的液氨作为还原剂的来源，但因改技术发展时间尚短，仍存在许多问题，部分问题甚至会危及脱硝系统的安全稳定运行，在环保要求越来越高的今天，急需进行改进。

参考文献：

[1]张元赏倪磊楚.脱硝还原剂制备工艺路线比选.浙能绍兴滨海热电厂二期扩建工程初步设计.2015

[2]成都锐思环保.尿素水解器用户通用使用规范.2016

[3]夏铁峰.氨区泄漏事故专项应急救援预案.浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司企业标准.2018