尿素热解法脱硝具体工艺及应用

1 尿素热解和水解尿素热解反应方程式：CO(NH2)2 (溶液)f CO(NH2)2 個)+ H2O(气)CO(NH2)2 f NH3+HNCOHNCO+H2O f NH3+CO2( 1 )( 2)( 3)目前普遍认为尿素热解制氨的生成分三步实现：（1）尿素水溶液蒸发析出尿素颗粒；（2）尿素热解生成等物质的量的氨气和异氰酸HNCO； （3）异氰酸进一 步水解生成等物质量的氨气和二氧化碳1。尿素热解产物HNCO在气相中稳定存在，不易分解，只有在反应温度>400 °C时才会发生水解。反应温度较低致使尿素热解过于复杂，中间反应产物降低了目 标产物 NH3 的转化率，不利于尿素彻底分解。因此提高反应温度、添加催化剂 是脱硝过程中常用的提高尿素分解效率的手段。尿素水解反应方程式：CO（NH2）2 + H2O f 2 NH3 + CO2（4）表 1 尿素热解和水解技术参数对比2反应机理热解催化水解一般水解尿素瑶液;农度40%-60%50%40%50%反应温度300 06別 V170150 300 覽反应压力常压540 kPa>540 kPa响应时闻<10s7l 快<5 mifi较快*无缓冲>L h* 慢， 层缓冲起停时闻极迅速较迅速慢反应器尺寸小小高压含氨容器无有，反应器會 氨有.反应器、反应需残留氯无少量、进洗涤 系统少童溶液中水缶向蒸发蒸嵐蒸发副产物无恒溫恒压，无 副产物贡荷更化易产生 高分子国态蜗安全性很高较离较离一次性投资低较离高能耗较高较低较低调研来看，尿素热解的反应速度最快且最安全，现场几乎没有储氨的容器， 但其能耗和运行费用很高，所以较早进入中国市场，业绩较多，但用户的运行成 本压力较大。和尿素热解相比 尿素水解由于采用电厂较为丰富的蒸汽作为热源， 能耗较低。但 AOD、U2A 等国外水解技术，反应较慢需要庞大的反应器和缓冲 装置，其投资和能耗较高。催化水解的反应速度也较快，起停迅速，能耗较低， 但是该技术相对来说还不是很成熟，在国内尚无应用。尿素在热解时最终的产物是等量的氨气(NH3)和异氰酸(HNCO)。虽然HNCO 能进一步发生水解反应生成NH3，但是HNCO在气相下非常稳定，水解反应只 有在特定的金属或金属氧化物下才能进行。HNCO的存在对于脱硝过程是不利 的， HNCO 与 NO 能进行还原反应，部分 NO 被还原成有害的氧化亚氮；在选择 性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)过程中，HNCO 先在 SCR 催化剂 的作用下快速水解成 NH3 后再进一步与 NO 发生还原反应，减少了还原反应的 时间，从而有可能降低催化效果4, 5。2 尿素热解制氨及其耦合 SCR 脱硝流程gZ5预热区26/RK :I石英管反应器書2质量流量计；孑一气精：4一电热炉：5喷射器！百一孀动泵三7尿素溶液或去离子水：*一石英砂芯:9吸收溶液加热区图 1 尿素掺杂催化剂热解制氨的实验装置3图1 为单纯的尿素掺杂催化剂热解制氨的实验室搭建装置图，并非实际应用 中耦合SCR脱硝的工艺图。5CR僅化剂烟喷氨格栅谏素梢牟JL离子水吟課1IS稀释空热解卒停田时H约 弘,温皿芻o为常求图2 尿素热解制氨工艺流程（图2）：首先在溶解系统中将尿素配制成质量浓度为40%50%的尿 素溶液，然后将其输送到尿素溶液储罐，尿素溶液经过大流量循环装置（HFD）后, 一部分输送到计量和分配装置 （该装置可根据需要自动控制喷入热解室的尿素 量），最后由喷射器喷入绝热分解室。热解室利用天然气或柴油燃烧后的烟气进 行加热，助燃空气为冷空气或者空气预热器（空预器）的出口热风。雾化的尿素溶 液在热解室里进行完全分解，分解产物NH3与稀释空气混合后进入SCR喷氨系 统。热解室提供充分的停留时间，高温下尿素全部转化为NH3,转化率达100%。<TFTHTift-尿素潯液制备柬统;2尿緊喷射量揑制及分配装置；3肖煤器;4 一尿素溶液喷射器;5锅炉转向室;6过热器/再热器;7混合器出一評流扳®整流器Mffi化刑图 3 尿素热解制氨 SCR 烟气脱硝工艺流程 6尿素热解法的氨气来源于尿素间接制备，袋装尿素颗粒储存于尿素储备间， 人工开袋后的尿素颗粒通过斗提机输送到尿素颗粒储仓中储存，尿素颗粒储仓连 接给料机将尿素颗粒输送到溶解罐中，用去离子水将尿素颗粒溶解配制成浓度为 40%50%的尿素溶液，通过尿素溶液循环泵储存在尿素溶液储罐内，储罐内的 尿素溶液经由供液泵，从尿素溶液循环母管抽出，经计量分配装置喷射器进入锅 炉转向室内高温烟气空间，在锅炉转向室内烟气与尿素溶液喷射装置喷出的尿素 溶液液滴混合，混合之后烟气的热量加热尿素溶液液滴，并使其逐步蒸发、分 解，将尿素分解为氨气和二氧化碳。随后，水蒸气、氨气、二氧化碳等混合气体 在 SCR 反应器前烟道内的适当位置通过喷氨格栅喷入烟气系统中，喷入的混合 气体与烟气进行混合，氮氧化物在 SCR 反应器里面催化剂表面扩散，在催化剂 作用下有选择性地将烟气中的氮氧化物还原生成生氮气和水来减少氮氧化物排 放。3 尿素热解制氨耦合 SCR 脱硝现状目前， SCR 脱硝中的尿素热解制氨技术均是采用热解炉高温(350-650 °C) 热解来达到尿素完全转化为nh3的目的。有关热解过程中，温度不够，中间产物 HNCO 的催化水解，其水解催化剂并没有得到工程化应用，也没有配套的工业化 装置。华能北京热电厂 SCR 系统尿素热解制氨采用美国燃料技术公司 NOxOUTULTRA 工艺，目前该工艺已在 16 台机组上得到应用，其流程参见图 2。此工艺用于SCR脱硝在国内尚属首次。推测： 尿素热解过程中HNCO水解催化剂就是SCR催化剂，置于SCR脱硝反应 器中，没有完全水解转化的气相HNCO和混合气中的H2O经过催化剂床层水解成 NH3和CO2，NH3-SCR反应同时进行，此过程中，HNCO的水解会对催化剂脱硝有 所影响。参考文献1 王莹. 尿素热解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用介绍 J. 科技视界 . 284-285.2 彭代军. 锅炉烟气脱硝尿素热解与水解制氨技术对比 J. 能源与节能. 2014, 1: 188-192.3 Piazzesi G The catalytic hydrolysis of isocyanic acid (HNCO) in the Urea-SCR processDItaly：ETH Zurich， 20064 陈镇超等.尿素催化水解特性实验研究J.中国电机工程学报.2011, 31(35): 41-46.5 Fang H L ， DaCosta H F M Urea thermolysis and NOx reduction with and without SCR catalystsJApplied Catalysis B：Environmental， 2003， 46(1)：17-34李海英.燃煤锅炉尿素热解制氨SCR脱硝技术的优化J.节能.2016, 1: 41-43.